一種高頻RFID讀寫器的設(shè)計(jì)

張建文 肖靜

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 江西省南昌市 330013）

1 引言(Introduction)

射頻識別技術(shù)（Radio Frеquеncy Idеntification，RFID）是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動(dòng)識別。RFID技術(shù)具有非接觸識別、快速讀寫、移動(dòng)識別、多目標(biāo)識別等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)識別、物品物流管理、公共信息服務(wù)等領(lǐng)域。射頻識別系統(tǒng)由讀寫器和電子標(biāo)簽兩部分組成。讀寫器能將標(biāo)簽中的信息讀出，或向標(biāo)簽寫入其所需的信息，其由微控制器、射頻基站芯片、天線和一些外圍阻容器件組成。本文所設(shè)計(jì)的高頻RFID 讀寫器能夠快速準(zhǔn)確的對電子標(biāo)簽進(jìn)行識別和對內(nèi)存數(shù)據(jù)的進(jìn)行讀出或?qū)懭氩僮?，并將?shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

讀寫器的硬件構(gòu)成框圖如圖1 所示，其由接口電路、控制單元、射頻模塊、天線等四部分構(gòu)成。上位機(jī)通過接口電路向控制單元發(fā)送讀/寫卡等命令，并接收來自控制單元的數(shù)據(jù)?？刂茊卧鶕?jù)具體程序控制射頻模塊操作。射頻模塊將讀寫器欲發(fā)往標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)送出去或?qū)⑻炀€上接收的標(biāo)簽返回信號進(jìn)行解調(diào)，提取出標(biāo)簽回送的數(shù)據(jù)。

2.1 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)外圍電路包括蜂鳴器電路、LED 電路、串行接口電路、復(fù)位電路、晶振電路等。蜂鳴器和LED 指示燈在開機(jī)、讀寫卡片時(shí)起提示作用；串行接口電路用于實(shí)現(xiàn)讀寫器和上位機(jī)之間的通信。電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

2.2 射頻模塊電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 RC500 芯片與AT89S52 的硬件連接

單片機(jī)通過對 RC500 特殊寄存器的讀寫來控制RC500。RC500的中斷請求端IRQ，接單片機(jī)的外部中斷INT0。片選信號禁止引腳NCS，接單片機(jī)的P2.0。地址鎖存使能引腳ALE，接單片機(jī)的地址鎖存ALE。復(fù)位引腳RSTPD，接單片機(jī)的P1.7。D0~D7 為8位雙向數(shù)據(jù)總線，與單片機(jī)P0 口直接連接。電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

2.2.2 天線射頻接口電路設(shè)計(jì)

RC500 芯片由TX1 和TX2 兩個(gè)引腳通過幾個(gè)無源器件的匹配和濾波直接驅(qū)動(dòng)天線。TX1 和TX2 引腳發(fā)射的是調(diào)制過的13.56MHz 載波信號，標(biāo)簽返回的信號由天線接收，傳送至RC500的芯片的RX 引腳。

天線射頻接口電路包括發(fā)送端口濾波電路和接收端口接收電路，設(shè)計(jì)時(shí)可參照philips 公司提供的參考電路，電路如圖4 所示。

3 讀寫器對Mifare卡的操作流程和程序設(shè)計(jì)

讀寫器對Mifare 卡的操作流程如圖5 所示。

初始化：讀寫器的讀卡過程首先是初始化，初始化包括單片機(jī)的初始化和RC500 的初始化。

請求應(yīng)答：讀寫器通過天線不斷向外發(fā)送Request 命令以搜索處于有效工作范圍內(nèi)的Mifare 卡，當(dāng)有卡片處于有效工作范圍內(nèi)時(shí)，讀寫器就與此卡片進(jìn)行通訊，并驗(yàn)證卡片的類型，驗(yàn)證完畢后進(jìn)入防碰撞機(jī)制。

防碰撞機(jī)制：當(dāng)有多張Mifare 卡片進(jìn)入到讀寫器的工作范圍內(nèi)時(shí)，防碰撞機(jī)制從眾多卡片中選取其中一張卡片作為下一步要操作的對象。

選擇卡片：在經(jīng)過防碰撞機(jī)制后，讀寫器發(fā)送選擇命令給被選中的卡片，卡片返回卡的容量代碼。

認(rèn)證階段：選定要處理的射頻卡片后，讀寫器根據(jù)用戶需要，確定要訪問的卡片扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)。在與射頻卡片經(jīng)過三次互相認(rèn)證通過后，讀寫器就可以對卡片進(jìn)行讀寫。

讀寫階段：在這個(gè)階段中，讀寫器完成對射頻卡的數(shù)據(jù)操作。

中止：當(dāng)一系列的操作完成后，MCU 發(fā)送一個(gè)中止命令給卡片，使其退出工作。

由于Mifare 卡是在不確定的時(shí)間進(jìn)入閱讀器的有效工作范圍，所以讀寫器必須不停的向外發(fā)送請求應(yīng)答命令，在程序設(shè)計(jì)中用一個(gè)無限循環(huán)while(1)語句來解決這個(gè)問題。循環(huán)外只有初始化和裝載密碼程序。

讀卡器測試程序如下：

圖1：讀寫器的結(jié)構(gòu)框圖

圖2：單片機(jī)外圍電路連接圖

圖3：RC500 與AT89S52 的連接電路圖

圖4：射頻接口電路設(shè)計(jì)

圖5

4 讀寫器測試

在完成讀寫器的硬件設(shè)計(jì)和制板后，就可測試讀寫器的功能。測試讀寫器功能之前要先確保讀寫器的各子模塊正常工作，測試單片機(jī)的晶振管腳頻率，觀察其是否正常；編寫一些簡單的測試程序，測試蜂鳴器和指示燈是否正常工作；編寫串口接收、發(fā)送程序， 測試串口通信模塊否正常工作；觀測RC500 模塊TX1，TX2 引腳有無信號，判斷MF RC500 芯片是否損壞。

測試完硬件電路的，再運(yùn)行測試程序。編寫一個(gè)對Mifare1 卡某塊地址進(jìn)行讀寫操作的程序，例如：將16 個(gè)數(shù)據(jù)FF，F(xiàn)D，F(xiàn)F，F(xiàn)D，F(xiàn)F，F(xiàn)D，F(xiàn)F，F(xiàn)D，F(xiàn)F，F(xiàn)A，F(xiàn)F，F(xiàn)A，F(xiàn)F，F(xiàn)A，F(xiàn)F，F(xiàn)A 寫入Mifare1 的塊地址為8 的數(shù)據(jù)塊中，再將Mifare1 的塊8 的數(shù)據(jù)讀入讀寫器，并通過RS232 串口由串口調(diào)試器顯示出來。實(shí)驗(yàn)顯示，串口接收的數(shù)據(jù)依次為FF，F(xiàn)D，F(xiàn)F，F(xiàn)D，F(xiàn)F，F(xiàn)D，F(xiàn)F，F(xiàn)D，F(xiàn)F，F(xiàn)A，F(xiàn)F，F(xiàn)A，F(xiàn)F，F(xiàn)A，F(xiàn)F，F(xiàn)A，這與寫入卡片的數(shù)據(jù)完全一致，證明了RFID 射頻識別系統(tǒng)讀寫器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)均正確。

5 結(jié)論

本文介紹了基于RC500 芯片和AT89S52 單片機(jī)的高頻RFID讀寫器設(shè)計(jì)方案，給出了讀寫器硬件電路，分析了讀寫器對Mifare卡的操作流程，在此基礎(chǔ)上給出了核心測試程序。實(shí)驗(yàn)證明，該讀寫器具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，能應(yīng)用于生活生產(chǎn)相關(guān)領(lǐng)域。