采用讀卡機(jī)芯片F(xiàn)M1715SL設(shè)計的RFID讀卡機(jī)

摘要：根據(jù)車輛管理系統(tǒng)對身份識別需求，提出基于國產(chǎn)芯片的RFID讀卡機(jī)方案。數(shù)據(jù)接口設(shè)計為ISO14443 TypeB的設(shè)備，在滿足安全保密前提下，很好地兼顧了使用方便和高效便捷，大規(guī)模的車載應(yīng)用驗(yàn)證了該方案的可靠性。

引言

某車輛管理系統(tǒng)對車輛使用者的身份識別有明確需求，在車載強(qiáng)干擾環(huán)境下，要求準(zhǔn)確、快速地識別車輛使用者信息。結(jié)合車輛的具體使用情況，對比了IC卡、射頻卡、ID卡等，提出車輛安裝電子標(biāo)簽讀卡機(jī)和無源電子標(biāo)簽識別方案，最后確定無源RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)方案。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別過程無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，操作快捷方便。根據(jù)頻段不同，RFID分為低頻和高頻系統(tǒng)。低頻近距離RFID系統(tǒng)主要有125 kHz和13.56

MHz頻段;高頻RFID系統(tǒng)主要有915 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。無源電子標(biāo)簽(RFID卡片)也叫被動標(biāo)簽，在進(jìn)入讀卡機(jī)的識別范圍后接收射頻信號，部分射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電工作，然后將存儲在芯片中的信息數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡機(jī)。無源電子標(biāo)簽成本很低，有很長的使用壽命，體積小，讀寫距離較近。

在應(yīng)用中，讀卡機(jī)作為車載監(jiān)控終端的一個傳感器安裝到車輛上，通過讀取不同的RFID卡，包括二代身份證，來識別不同的車輛使用者，完成身份識別、時間統(tǒng)計、考勤打卡和報警提醒等功能。

1 讀卡機(jī)總體設(shè)計

為提高信息安全，在總體設(shè)計時采取以下設(shè)計思路：元器件選型僅限在中國大陸設(shè)計制造廠商內(nèi)優(yōu)選;通信協(xié)議采用更安全的ISO14443 TypeB協(xié)議(協(xié)議同中國第二代身份證)。公交、食堂、商場、會所等多使用TypeA卡，但是相對TypeA卡來說，TypeB卡芯片具有更高的安全性，接收信號時，不會因能量損失而使芯片內(nèi)部邏輯及軟件工作停止，支持更高的通信速率，抗干擾能力也更強(qiáng)，更能保證數(shù)據(jù)安全。

讀卡機(jī)以通用非接觸讀卡機(jī)芯片FM1715SL為核心，采用上海海爾集成電路有限公司的微控制器HR7P90H作為處理器，其他關(guān)鍵模塊包含交互接口、電源管理和RFID射頻等單元模塊。RFID讀卡機(jī)總體框圖如圖1所示。

車載終端作為主設(shè)備，通過數(shù)據(jù)-電源復(fù)合接口，給讀卡機(jī)供電，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。電源管理模塊輸出讀卡機(jī)需要的電壓;RS-232驅(qū)動電路完成串口通信的電子轉(zhuǎn)換;HRTP90H通過SPI口與FM1715SL進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)RFID卡的識別;FM1715SL的天線采用印制板天線，進(jìn)一步降低成本，提高可生產(chǎn)性;HR7P90H根據(jù)車載終端、卡片狀態(tài)等信息，通過蜂鳴器和LED實(shí)現(xiàn)聲光提醒。

讀卡機(jī)能讀取第二代身份證的全球唯一ID號，可省略卡片的采購，車輛使用者的身份證可同時作為識別卡使用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括讀卡機(jī)芯片和控制器的接口電路、電源電路、時鐘電路和匹配電路等。

2.1 RFID卡專用芯片

從開發(fā)難度、器件成熟度、生產(chǎn)供貨等方面考慮，選擇了上海復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計的FM1715SL，這是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片，支持13.56 MHz頻率下的TypeA和TypeB兩種非接觸通信協(xié)議，以及多種加密算法。FM1715SL具備高集成度的模擬電路，只需少量的外圍電路;操作距離達(dá)10 cm;支持ISO14443 TypeA及TypeB協(xié)議并內(nèi)置加密單元。FM1715SL電路設(shè)計如圖2所示。

接口電路：FM1715SL的數(shù)據(jù)總線是標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口，F(xiàn)M1715SL作為從設(shè)備，由微處理器通過SPI總線和FM1715SL輸出中斷完成通信控制。

發(fā)射電路：FM1715SL編解碼的參考時鐘是13.56MHz，由晶體振蕩器及其驅(qū)動電路產(chǎn)生。從TX1和TX2引腳發(fā)射出去的是調(diào)制的13.56MHz載波信號，其頻譜除了有13.56 MHz外，還有高次諧波分量。圖2中L0和C0組成的濾波器用于過濾13.56 MHz的諧波功率，以滿足相關(guān)EMC規(guī)定的要求。

接收電路：FM1715SL的接收電路利用RFID卡的響應(yīng)信號調(diào)制到副載波的雙邊帶進(jìn)行通信。FM1715SL輸出VMD作為RX引腳偏置電壓，并采用電容C4進(jìn)行濾波穩(wěn)壓;電阻R1和R2組成RX和VMD之間的分壓電路。

天線設(shè)計：天線是RFID讀卡機(jī)的一個重要組成部分，讀卡機(jī)的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。天線建模有直接連接模型和50 Ω阻抗匹配模型等。由于卡片和天線直接距離設(shè)計小于5 cm，可使用簡單、低成本的直接連接模型，將天線設(shè)計到PCB板上。天線模型如圖3所示。

在讀卡機(jī)和卡片通信過程中，天線用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號的磁通量。而磁通量用于向RFID卡提供電源并在讀卡機(jī)和卡片之間傳送信息。因此，設(shè)計天線線圈的電流最大，以產(chǎn)生最大的磁通量。13.56 MHz屬于短波頻段，因此可以采用小型環(huán)狀天線，形狀有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本設(shè)計采用圖3所示的矩型天線。C1完成發(fā)射端的50 Ω的匹配，提高能量傳輸效率;C2與天線的等效電感L1組成13.56 MHz諧振網(wǎng)絡(luò);R1用來調(diào)整天線的品質(zhì)因數(shù)Q。在天線設(shè)計中，Q是一個非常重要的參數(shù)，Q太小則天線的讀卡范圍內(nèi)有盲區(qū)，影響數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定和可靠;Q太大則讀卡距離縮短。Q一般取35較好。為提高生產(chǎn)一致性，降低調(diào)試難度，PCB采用多層板設(shè)計，并通過疊層阻抗控制，精細(xì)設(shè)計矩形天線的電感和阻抗，同時模擬電路的電阻采用1%精度的貼裝型號，電容采用低溫度系數(shù)、低溫飄、1%精度、NPO介質(zhì)的貼片電容。

2.2 微控制器

HR7P90H是海爾公司高性能8位精簡指令集微控制器，具有豐富的片上外設(shè)。其中，高速異步收發(fā)器UART實(shí)現(xiàn)與車載終端的通信;通過I/O端口完成4路LED、1路蜂鳴器的控制和1路SPI接口的模擬;內(nèi)置的防護(hù)電路滿足工業(yè)級ESD(Electrostatic Discharge)和 EFT(Electri cal Fast Transientburst)標(biāo)準(zhǔn)，非常適合工業(yè)控制和汽車電子領(lǐng)域。HR7P90H內(nèi)置16 MHz振蕩器和上電復(fù)位電路，SOP28的小型貼片封裝，能極大地減少外圍電路，給FM1715SL的射頻和天線電路設(shè)計提供更多的板上面積。HR7P90H支持在系統(tǒng)編程(In-System Programming，ISP)和在線調(diào)試功能(In-Circuit Debugging，ICD)，電路設(shè)計了這兩種接口，方便開發(fā)調(diào)試和批量生產(chǎn)。