射頻讀寫系統(tǒng)的構(gòu)成和基本原理

無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)以其高度安全保密性、通信高速性、使用方便性、成本低等特點(diǎn)而得到快速的普及和推廣，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各類門禁控制系統(tǒng)、公共交通支付系統(tǒng)、醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、倉儲(chǔ)管理、車輛防盜等方面，并帶動(dòng)了讀寫器和各類應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)和推廣。本文在分析射頻識(shí)別系統(tǒng)組成和原理的基礎(chǔ)上，提出了基于STC11F32高速單片機(jī)和MFRC500芯片的射頻讀寫器設(shè)計(jì)方案;同時(shí)，在該讀卡器上擴(kuò)展了點(diǎn)陣圖形液晶LCD和串行存儲(chǔ)器W25X80，以及USB芯片CH340T等外圍設(shè)備。LCD可以顯示各種圖形和漢字;串行存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)點(diǎn)陣字庫、圖形庫等;USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過USB接口和PC管理軟件通信。該讀卡器使用方便、成本低，電路運(yùn)行穩(wěn)定，可以應(yīng)用到各種場合。

1 射頻讀寫系統(tǒng)的構(gòu)成和基本原理

最基本的RFID系統(tǒng)由3部分組成：

①電子標(biāo)簽(Tag，或稱射頻標(biāo)簽)，由芯片及內(nèi)置天線組成。芯片內(nèi)保存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息，是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。內(nèi)置天線用于和射頻天線間進(jìn)行通信。

②閱讀器，讀寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備。主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答;對標(biāo)簽的對象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。

③天線，標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。

射頻讀寫系統(tǒng)基本原理如下：讀寫器向卡片發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同。在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷。在這個(gè)電容的另一端接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)。當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時(shí)，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或存取讀寫器的數(shù)據(jù)。

2 讀卡器硬件設(shè)計(jì)

STC11F32是宏晶科技公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、具有超強(qiáng)抗干擾能力的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，可用在高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾等場合;內(nèi)部有32 KB的FLASH、29KB的EEPROM和1 280字節(jié)的SRAM;EA、ALE、PSEN和RST引腳可以定義為通用I/O，即4個(gè)P4引腳;編程支持ISP下載功能，使用起來比較方便。

MFRC500是PHILIPS公司應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)概念，完全集成了13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC500支持ISO 14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線(距離可達(dá)10cm);與微控制器的接口方式有多種，既可以采用總線擴(kuò)展方式，也可以采用模擬總線方式。

為了使用STC11F32內(nèi)部1 KB的擴(kuò)展SRAM，采用模擬總線接口方式，即用單片機(jī)的P0口和MFRC500的D0～D7相連，用EA、ALE、WR、RD等作為控制線分別和MFRC500的NCS、ALE、NWR、NRD等相連。由于是模擬總線方式，所以單片機(jī)的P0口要加上拉電阻。采用模擬總線方式是一種通用的方法，特別是對于不支持總線擴(kuò)展的單片機(jī)更為重要。該設(shè)計(jì)中使用模擬總線方式可防止MFRC500和單片機(jī)內(nèi)部的RAM發(fā)生總線沖突。圖1是讀卡器的系統(tǒng)硬件原理圖。

CH340T是南京沁恒公司生產(chǎn)的USB總線轉(zhuǎn)接芯片，可以實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串行口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線。CH340T是全速USB設(shè)備接口，兼容USB V2.0，外圍元器件只需要晶體和電容等器件;硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通信波特率50 bps～2 Mbps;支持常用的Modem聯(lián)絡(luò)信號RTS、DTR、DCD、RI、DSR等。CH340T使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過該USB接口和PC管理軟件通信。

LCD采用的是不帶字庫的點(diǎn)陣圖形LCD模塊FG12864E。為了使讀卡器可以應(yīng)用在諸如圖書館圖書管理等需要漢字顯示的場合，采用串行存儲(chǔ)器W25X80自行設(shè)計(jì)了GB2312漢字庫和其他圖片庫。串行存儲(chǔ)器以其體積小、密度高、功耗低、價(jià)位低、操作簡單而備受青睞。Winbond公司生產(chǎn)的W25X80為8 Mb串行存儲(chǔ)器，分為4 096頁，每頁為256字節(jié)的存儲(chǔ)單元，且?guī)в?56字節(jié)的緩沖區(qū)，SPI接口方式。使用FLASH自行設(shè)計(jì)漢字庫不僅操作十分簡單，并且可以靈活地適用于多個(gè)設(shè)計(jì)方案。

3 讀卡器軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中STC11F32和MFRC500之間的模擬通信是最關(guān)鍵的一步，因?yàn)橹挥写蛲说讓油ㄐ诺年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，STC11F32才能進(jìn)一步通過控制MFRC500實(shí)現(xiàn)讀、寫卡的基本操作。為了實(shí)現(xiàn)這一步，首先要弄清楚MFRC500的讀寫時(shí)序。本設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立讀/寫選通、復(fù)用地址總線的方式，在此方式下MFRC500的讀寫時(shí)序如圖2所示。

根據(jù)該時(shí)序圖可以寫出STC11F32單片機(jī)從MFRC500讀、寫一個(gè)字節(jié)的C語言實(shí)現(xiàn)代碼。

(1)從一個(gè)地址讀出一個(gè)數(shù)據(jù)

STC11F32主要通過調(diào)用這兩個(gè)最基本的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對MFRC500進(jìn)行復(fù)雜的讀寫控制的。采用模擬總線通信方式的最大好處是，用C語言寫的代碼很容易移植到不支持總線擴(kuò)展的各種單片機(jī)上，增強(qiáng)了軟件模塊的可復(fù)用性和可移植性。打通了底層通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之后，就可以編寫調(diào)試各個(gè)軟件模塊。軟件總體流程如圖3所示。

系統(tǒng)上電后，首先要初始化STCllF32的I/O引腳和串行口。I/O設(shè)置主要是把STC11F32的特殊引腳(如EA、ALE、PSEN等)定義為通用I/O，以便與MFRC500進(jìn)行模擬通信。之后進(jìn)行MFRCS00的復(fù)位，要延時(shí)足夠長的時(shí)間以使MFRC500得到可靠的復(fù)位。在復(fù)位過程中，MFRC500的一些寄存器位由硬件預(yù)置;復(fù)位成功以后，還需要對MFRC500的各個(gè)寄存器進(jìn)行必要的配置。

在LCD初始化完成后，LCD上將顯示系統(tǒng)的相關(guān)提示信息，然后等待用戶從串口或按鍵輸入的命令，根據(jù)用戶輸入的命令進(jìn)行相應(yīng)的操作，并把執(zhí)行操作的結(jié)果再返回給用戶，同時(shí)在LCD上顯示出來。