一種雙模讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

公安部第三研究所 秦燕飛美銀寶網(wǎng)絡(luò)信息有限公司 薛竑彥上海天麥信息科技有限公司 胡月平上海安迪人力資源有限公司 孫 航

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一種雙模讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

公安部第三研究所 秦燕飛
美銀寶網(wǎng)絡(luò)信息有限公司 薛竑彥
上海天麥信息科技有限公司 胡月平
上海安迪人力資源有限公司 孫 航

【摘要】當(dāng)前智能卡主要分為接觸式智能卡與非接觸式兩大類(lèi)，其中非接觸式智能卡又以使用便捷、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)成為市場(chǎng)應(yīng)用的主流。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)特別是射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)各類(lèi)非接觸式智能卡的讀寫(xiě)器得到了廣泛使用與普及。通過(guò)對(duì)低頻段中最常見(jiàn)的EM4001與ATAT5567兩種非接觸式智能卡的原理及特點(diǎn)分析，提出了一種通過(guò)微控制器產(chǎn)生125KHz振蕩到放大以激活智能卡的方法，運(yùn)用電感耦合原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼的技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于RFID的低頻段雙模讀寫(xiě)器。

【關(guān)鍵詞】射頻識(shí)別；讀寫(xiě)器；EM4001卡；ATA5567卡

0　引言

射頻識(shí)別技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，又稱(chēng)為電子標(biāo)簽技術(shù)，是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種創(chuàng)新[1]。它以無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)為核心，利用射頻信號(hào)及其空間耦合、傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別，高效地獲得目標(biāo)信息數(shù)據(jù)，通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)目標(biāo)的跟蹤與信息的共享[2]。

射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽（又稱(chēng)射頻卡）、讀寫(xiě)器和系統(tǒng)主機(jī)構(gòu)成[3]。目前RFID系統(tǒng)主要分為低頻、高頻、和微波系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)的工作頻率范圍為30KHz ～300KHz，典型工作頻率有125KHz和134.2KHz。低頻系統(tǒng)的特點(diǎn)是電子標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較少，讀取距離較短，天線(xiàn)方向性不強(qiáng)。低頻RFID系統(tǒng)比較成熟，主要用于短距離、數(shù)據(jù)量較低的射頻識(shí)別系統(tǒng)。高頻系統(tǒng)的工作頻率范圍為3MHz～30MHz，典型的工作頻率有6.75MHz、13.56MHz和27.125MHz。高頻系統(tǒng)的特點(diǎn)是傳輸速率較高，可以傳送較大的數(shù)據(jù)，天線(xiàn)方向性不強(qiáng)。高頻RFID系統(tǒng)也是屬于比較成熟且應(yīng)用范圍較廣的系統(tǒng)。工作頻率大于300MHz的通常稱(chēng)為微波系統(tǒng)，微波系統(tǒng)中典型的工作頻率有433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz，其中433MHz、860/960MHz也稱(chēng)為超高頻系統(tǒng)。微波系統(tǒng)的特點(diǎn)是傳輸速率高，讀取距離遠(yuǎn)，天線(xiàn)有較強(qiáng)的方向性。微波系統(tǒng)主要用于長(zhǎng)距離、數(shù)據(jù)量較大、需高速讀寫(xiě)的場(chǎng)合。

在低頻系統(tǒng)中，最常用的電子標(biāo)簽有瑞士EM公司的EM4001卡（為只讀型卡）及美國(guó)Atmel公司的ATA5567卡（為讀寫(xiě)型卡），由于技術(shù)成熟且制造成本低，這兩種卡被廣泛應(yīng)用于出入口控制系統(tǒng)、樓宇門(mén)禁、車(chē)輛及倉(cāng)儲(chǔ)管理等領(lǐng)域[4]。

1　射頻識(shí)別相關(guān)技術(shù)

1.1基本原理

射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)。射頻識(shí)別的基本原理如圖1所示。

圖1　射頻識(shí)別的基本原理框圖

在低頻系統(tǒng)中電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器間的耦合方式為電感耦合，電感耦合方式的基礎(chǔ)是由電感與電容組成的諧振回路以及電感線(xiàn)圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。諧振回路通常有串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路。根據(jù)串并聯(lián)諧振特性，串聯(lián)諧振時(shí)回路電流最大，可以獲得較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，因而在讀寫(xiě)器中常采用串聯(lián)諧振方式。并聯(lián)諧振時(shí)回路激勵(lì)電壓最大，對(duì)電子標(biāo)簽來(lái)講可以產(chǎn)生工作所需的足夠能量，因而在電子標(biāo)簽中常采用并聯(lián)諧振方式[5]。但以上方式并不是唯一的，有時(shí)也會(huì)根據(jù)實(shí)際情況采用串并聯(lián)組合的方式，以達(dá)到最佳效果。

在低頻系統(tǒng)中電子標(biāo)簽向讀寫(xiě)器的信息傳輸采用負(fù)載調(diào)制技術(shù)，負(fù)載調(diào)制有電阻負(fù)載調(diào)制和電容負(fù)載調(diào)制兩種方法。電子標(biāo)簽向讀寫(xiě)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)常采用曼徹斯特編碼與ASK調(diào)制方式，讀寫(xiě)器則采用包絡(luò)檢波并配合低通濾波還原數(shù)據(jù)。

1.2EM4001卡原理及特點(diǎn)

EM4001是瑞士EM微電子公司（EM Microelectronic）生產(chǎn)的CMOS集成電路，用于只讀型射頻電子標(biāo)簽的芯片，由該芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽也稱(chēng)EM4001卡[6]。

EM4001卡的特點(diǎn)：

·工作頻率為100～150KHz；

·已固化的64位只讀存儲(chǔ)器；

·數(shù)據(jù)傳輸速率有RF/64、RF/32、RF/16；

·編碼方式有Manchester、Biphase、PSK；

·調(diào)制方式為ASK調(diào)制；

·可內(nèi)置電容；

·有電壓保護(hù)；

·超低功耗；

·超小體積。

EM4001卡存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示，存儲(chǔ)器內(nèi)共有64位，分為5部分，即9個(gè)前導(dǎo)位、40個(gè)數(shù)據(jù)位、10行奇偶校驗(yàn)位、4列偶校驗(yàn)位以及1個(gè)停止位。

圖2　EM4001卡存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)[6]

EM4001卡是只讀型卡，且為無(wú)源卡。當(dāng)卡片未被激活時(shí)不會(huì)向外發(fā)送任何數(shù)據(jù)。只有當(dāng)被來(lái)自讀寫(xiě)器的射頻能量場(chǎng)激活后，才會(huì)向外連續(xù)、循環(huán)發(fā)送64位數(shù)據(jù)，且發(fā)送數(shù)據(jù)的順序是先前導(dǎo)位，然后是10組4個(gè)數(shù)據(jù)加每行的偶校驗(yàn)位，最后是4列的偶校驗(yàn)位加停止位，直到斷電為止。

1.3ATA5567卡原理及特點(diǎn)

ATA5567可讀寫(xiě)射頻識(shí)別芯片最初由德國(guó)Temic半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)，后由美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)，由該芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽也稱(chēng)ATA5567卡[7]。

ATA5567卡的特點(diǎn)：

·工作頻率為100～150KHz；

·為可讀寫(xiě)射頻卡；

·兼容ISO/IEC11784和11785標(biāo)準(zhǔn)；

·除兼容e5550工作模式外，還具有擴(kuò)展工作模式；

·卡內(nèi)有330位存儲(chǔ)空間，分為10塊，每塊33位，包含32位數(shù)據(jù)位和1個(gè)鎖定位；

·可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器讀寫(xiě)的密碼保護(hù)和永久性寫(xiě)保護(hù)；

·數(shù)據(jù)傳輸速率在RF/8～RF/128范圍內(nèi)可配置；

·調(diào)制編碼方式有FSK、PSK、 Manchester、Biphase、NRZ；

·具備規(guī)則讀和直接塊讀兩種數(shù)據(jù)讀取方式，可選擇快速寫(xiě)功能；

·內(nèi)部存儲(chǔ)器允許擦寫(xiě)次數(shù)為105，數(shù)據(jù)保存時(shí)間20年。

ATA5567卡內(nèi)部有330位E2PROM存儲(chǔ)空間，為可讀寫(xiě)型卡，如圖3所示。該存儲(chǔ)空間分為2頁(yè)，共10塊，每塊包含鎖定位在內(nèi)有33位。

圖3　ATA5567卡存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)[7]

ATA5567卡有兩種讀模式，即規(guī)則讀（Regular-read）和塊讀（Block-read），讀模式的數(shù)據(jù)傳送方向?yàn)榭ǖ阶x寫(xiě)器。規(guī)則讀是從E2PROM的0頁(yè)的塊1的第1位開(kāi)始讀，直至模式字的MAXBLK參數(shù)指定的塊的第32位，然后再次返回塊1的第1位重新開(kāi)始。規(guī)則讀也是ATA5567卡在上電復(fù)位后及檢測(cè)到相應(yīng)錯(cuò)誤后的默認(rèn)操作。塊讀是讀寫(xiě)器通過(guò)向ATA5567卡發(fā)送命令的方式讀取指定塊中的數(shù)據(jù)。此時(shí)指定數(shù)據(jù)塊有兩種狀態(tài)，一種是數(shù)據(jù)塊未受密碼保護(hù)可直接讀取，另一種是數(shù)據(jù)塊受到密碼保護(hù)只有驗(yàn)證密碼通過(guò)后才能讀取數(shù)據(jù)。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所描述的雙模讀寫(xiě)器主要實(shí)現(xiàn)EM4001卡與ATA5567卡數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)、上傳、復(fù)制等功能，硬件架構(gòu)如圖4所示，以微控制器為核心，包括模擬電路、數(shù)字電路及電源管理三部分。其中模擬電路包含125KHz載波發(fā)生、緩沖電路、調(diào)制/解調(diào)、濾波、放大電路、天線(xiàn)及匹配電路等；數(shù)字電路包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器、通信接口等；電源管理包含DC/DC變換、電壓監(jiān)測(cè)等。

圖4　硬件架構(gòu)

讀寫(xiě)器的工作流程如圖5所示，上電后通過(guò)工作模式的設(shè)定可分別工作在讀EM4001卡模式和讀/寫(xiě)ATA5567卡模式。讀寫(xiě)器產(chǎn)生射頻能量場(chǎng)，在一定距離范圍內(nèi)激活射頻卡，通過(guò)電感耦合方式連續(xù)接收射頻卡發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，通過(guò)通信接口可將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，完成整個(gè)讀卡過(guò)程。

圖5　工作流程

3　系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

讀寫(xiě)器主要實(shí)現(xiàn)EM4001卡、ATA5567卡數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)、復(fù)制以及與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將主要從數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、控制電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交互和電源管理五個(gè)模塊著手，圍繞硬件電路的設(shè)計(jì)展開(kāi)，最后將簡(jiǎn)要描述軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.1數(shù)據(jù)讀寫(xiě)

讀寫(xiě)器中數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分重要的模塊設(shè)計(jì)部分，其功能框圖如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊功能框圖

從圖6中可以看出，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊由兩部分組成，即發(fā)送通道和接收通道。發(fā)送通道通過(guò)產(chǎn)生能量足夠強(qiáng)的125KHz載波，以激活射頻卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取；此外發(fā)送通道可采用通/斷射頻能量場(chǎng)的方式將數(shù)據(jù)寫(xiě)入卡片；接收通道利用電感耦合原理，從高達(dá)幾十伏的信號(hào)中提取出有用信號(hào)送至微控制器以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼。發(fā)送通道電路如圖7所示，接收通道電路如圖8所示。

圖7　發(fā)送通道電路

如圖7所示，微控制器的一個(gè)端口輸出頻率為125KHz、周期為8us的矩形波，該矩形波與控制信號(hào)經(jīng)與門(mén)電路輸出至緩沖級(jí)，同時(shí)緩沖級(jí)對(duì)微控制器來(lái)講還起到隔離作用，緩沖級(jí)輸出的連續(xù)能量場(chǎng)或通/斷能量場(chǎng)經(jīng)功率放大電路放大后加到由LC組成的簡(jiǎn)單諧振回路上，以激活射頻卡。

圖8　接收通道電路

如圖8所示，在接收通道中，經(jīng)諧振回路耦合回來(lái)的射頻信號(hào)首先通過(guò)檢波電路去除負(fù)信號(hào)，并濾除載波信號(hào)，然后送入放大電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，再用比較電路對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行整形，完成整個(gè)接收過(guò)程，將整形后的信號(hào)送入微控制器的比較/捕獲輸入端口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼。

3.2控制電路

控制模塊是讀寫(xiě)器中的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)解碼、存儲(chǔ)、交互及電源監(jiān)控等，其功能框圖如圖9所示。

圖9　控制模塊功能框圖

如圖9所示，微控制器通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生125KHz矩形波輸出，對(duì)接收通道輸出的曼徹斯特碼進(jìn)行解碼，將解碼后的數(shù)據(jù)保存在外部存儲(chǔ)器，通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，對(duì)工作電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并輸出相應(yīng)狀態(tài)指示。

3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

讀寫(xiě)器將解碼后的數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，如圖10所示。采用X5645[8]存儲(chǔ)芯片，該芯片的使用較簡(jiǎn)單，由于采用SPI接口因而可以用微控制器的任何I/O端口與之連接，微控制器的I/O端口通過(guò)模擬SPI時(shí)序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入與讀出。

圖10　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路

3.4數(shù)據(jù)交互

讀寫(xiě)器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串行接口與計(jì)算機(jī)連接，將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)交互模塊采用Sipex3232[9]芯片作為接口芯片，如圖11所示，將微控制器的USART0配置成波特率為9600，8-N-1，即8位數(shù)據(jù)，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1位停止位。

圖11　數(shù)據(jù)交互模塊電路

3.5電源管理

讀寫(xiě)器采用+12V供電，通過(guò)電源管理模塊為讀寫(xiě)器中的模擬與數(shù)字電路提供工作所需的各種電源，其功能框圖如圖12所示。

圖12　電源管理模塊功能框圖

3.6軟件設(shè)計(jì)過(guò)程

按讀寫(xiě)器的工作流程，軟件由以下五個(gè)模塊組成。

1)初始化

完成微控制器內(nèi)部基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊的配置；端口功能定義，包括輸入、輸出及第二功能；定時(shí)器、比較器、串行通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等的控制寄存器中控制字的寫(xiě)入。

2) 模式設(shè)定

設(shè)置讀寫(xiě)器的工作模式，即讀EM4001卡或ATA5567卡，同時(shí)設(shè)定速率，即讀EM4001卡時(shí)為固定速率RF/64，讀ATA5567卡時(shí)用RF/64或RF/32。

3)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)

實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)的解碼，通常采用捕獲方式。判斷規(guī)則為由低電平到高電平的跳變表示數(shù)據(jù)0，由高電平到低電平的跳變表示數(shù)據(jù)1[10]。通過(guò)采用通/斷射頻能量場(chǎng)并控制通/斷時(shí)間的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)ATA5567卡數(shù)據(jù)寫(xiě)入。

4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

將解碼后的數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，通過(guò)模擬SPI時(shí)序?qū)崿F(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)操作。

5)數(shù)據(jù)交互

通過(guò)串口接收計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的命令和數(shù)據(jù)，并向計(jì)算機(jī)上傳讀取到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用自定義。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文的研究目標(biāo)是研制基于射頻識(shí)別的雙模讀寫(xiě)器，涉及EM4001卡與ATA5567卡的讀寫(xiě)。在硬件電路設(shè)計(jì)中，采用模塊化方法，將整個(gè)電路分解為數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、控制電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交互、電源管理五個(gè)模塊；在軟件設(shè)計(jì)中，采用分層模式，以函數(shù)為基礎(chǔ)，從底層對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)，到中間的數(shù)據(jù)接口，再到頂層的應(yīng)用，使代碼易于修改、移植及復(fù)用，提高了編程效率、縮短了開(kāi)發(fā)周期。任何設(shè)備的研發(fā)都是一個(gè)需要不斷完善的過(guò)程，本文所提出的雙模讀寫(xiě)器亦是如此。在適應(yīng)速率方面，目前能適應(yīng)RF/64與RF/32速率，但在ATA5567卡應(yīng)用中也有用到速率為RF/16；在軟件設(shè)計(jì)方面需進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)解碼的算法，以提高數(shù)據(jù)解碼的速度和準(zhǔn)確率。當(dāng)然這也是一個(gè)逐步完善與提高的過(guò)程，隨著研究工作的深入，讀寫(xiě)器的功能將會(huì)更加完善。

參考文獻(xiàn)

[1]饒運(yùn)濤,鄒繼軍.電子標(biāo)簽技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[2]黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別(RFID)核心技術(shù)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2012.

[3]單承贛,單玉峰,姚磊.射頻識(shí)別(RFID)原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[4]陸永寧.非接觸IC卡原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[5]Klaus Finkenzeller.射頻識(shí)別技術(shù)(第3版)[M].吳曉峰,陳大才,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[6]EM4001:Read Only Contactless Identification Device [EB/OL].http://www.emmicroelectronic.com,2015.

[7]ATA5567:Multifunctional 330-bit Read/Write RFIdentification IC[EB/OL].http://www.atmel.com,2015.

[8]X5645:X5643/X5645 CPU Supervisor with 64Kbit SPI EEPROM[EB/OL].http://www.intersil.com,2015.

[9]Sipex3232:SP3222B/SP3232B True +3.0V to +5.5V RS-232 Transceivers[EB/OL].http://www.sipex.com,2015.

[10]王鑫,賴(lài)曉錚,朱海龍,賴(lài)聲禮.一種長(zhǎng)距離125KHz閱讀器硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,2:79-82.

秦燕飛（1982-），女，上海人，大學(xué)本科，助理研究員，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。

薛竑彥（1981-），男，江蘇人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。

胡月平（1981-），女，江蘇人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。

孫航（1981-），女，廣東人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：