基于RFID的新型閱讀器的設(shè)計(jì)

引言

　　RFID 技術(shù)是一個(gè)嶄新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，它不僅涵蓋了微波技術(shù)與電磁學(xué)理論，而且還包括通信原理及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，是一個(gè)多學(xué)科綜合的新興學(xué)科。同其他一些識(shí)別技術(shù)相比，射頻識(shí)別技術(shù)具有高效快捷、非接觸、無污染、識(shí)別率高等突出優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì) RFID技術(shù)的認(rèn)識(shí)和研究具有深遠(yuǎn)的理論意義。

　　1. RFID 系統(tǒng)分析

　　系統(tǒng)屬于遙耦合中的疏耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)，主要由應(yīng)答器、閱讀器、天線、通訊模塊及人機(jī)接口等幾部分組成。

　　當(dāng)閱讀器向應(yīng)答器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)處理機(jī)將該數(shù)據(jù)先送給射頻接口電路，與振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)相同，產(chǎn)生出調(diào)制信號(hào)，然后由天線傳送給應(yīng)答器，IC 卡根據(jù)不同的命令做出不同應(yīng)答。當(dāng)閱讀器接收應(yīng)答器傳回的數(shù)據(jù)時(shí)，由天線接受來自應(yīng)答器的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過射頻接口將數(shù)據(jù)還原，然后在單片機(jī)中作相應(yīng)的處理，可以通過人機(jī)界面進(jìn)行互動(dòng)或者由通訊接口傳送給上位機(jī)。

　　對(duì)于一個(gè)非接觸式數(shù)據(jù)載體的讀寫操作，一般是嚴(yán)格按照“主一從”原則來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這意味著閱讀器和電子標(biāo)簽的所有動(dòng)作均應(yīng)有通信協(xié)議或軟件來控制。RFID 系統(tǒng)的閱讀器均可以簡(jiǎn)化為三大基本功能模塊：由收發(fā)系統(tǒng)組成的高頻接口、控制系統(tǒng)以及和外界其它設(shè)備通信用的各種標(biāo)準(zhǔn)接口，如 USB 接口、RS232 接口、RS485 接口、與 Internet 連接的網(wǎng)口以及與打印機(jī)相連的并口等。

　　2．RFID 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及接口實(shí)現(xiàn)

　　2.1 MCU 與 S6700 芯片接口電路設(shè)計(jì)

　　在此設(shè)計(jì)中選用了 PIC16F877A 單片機(jī)作為控制器，PIC16F877A 單片機(jī)有豐富的位操作指令，精簡(jiǎn)的指令集,能夠模擬 RI-R6C-001A (RI-R6C-001A 芯片是TI 公司最新開發(fā)的針對(duì)應(yīng)答器讀寫的多協(xié)議收發(fā)器)傳送數(shù)據(jù)的時(shí)序以及時(shí)鐘切換的時(shí)序。

　　S6700 閱讀器芯片提供給用戶數(shù)字接口的信號(hào)線為 DIN、DOUT、SCLOCK，通過這三根線可完成控制器與 RI-R6C-001A 芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng) RI-R6C-001A 要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘由單片機(jī)控制，當(dāng)它要接收數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘由該芯片控制，設(shè)計(jì)中作者采用PIC16F877單片機(jī)的 RA0、RA1、RA2 與 SCLOCK、DIN、DOUT 通過模擬的方式來傳輸數(shù)據(jù),執(zhí)行符合射頻系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的命令，MCU 與S6700 芯片接口電路如圖2 所示。

　　2.2 閱讀器通信接口

　　在 RFID 系統(tǒng)中，用作上位機(jī)的PC 機(jī)系統(tǒng)與閱讀器之間經(jīng)常要進(jìn)行信息交換。由于系統(tǒng)中采用的單片機(jī)PIC16F877 帶有串口，因而兩者之間的通信可通過串行口完成。但是，在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)主控PC 機(jī)和閱讀器相隔很遠(yuǎn)，為保證數(shù)據(jù)能高速及時(shí)、安全地傳至PC機(jī)，閱讀器與PC 機(jī)之間采用RS485 協(xié)議的串行通行較為合理。

　　單片機(jī) PIC16F877A 串行通信模塊的 URXD、UTXD 電平符合 TTL/CMOS 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)PC 機(jī)的 RXMCU 有電平輸入時(shí)，它首先通過 6N137 光電隔離，保護(hù)單片機(jī)不受干擾，由O 腳輸出到 DI，從而轉(zhuǎn)化為 RS485 電平由 Y、Z 輸出。反之，PC 機(jī)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成的MAX490 的 A、B 端有輸入，將首先轉(zhuǎn)換為 R0 輸出，然后經(jīng)過光電隔離后最終由TXMCU 輸出。

　　PC 機(jī)接口電路的具體實(shí)現(xiàn)如圖4 所示，RS232 的電平標(biāo)準(zhǔn)如下：邏輯“0”的電平范圍為-5V—15V，邏輯“1”的電平范圍為5V-15V。這里選用的MAX232A 是MAXI 公司的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片。當(dāng)PC 機(jī)的TXDPC 輸出到R1IN 時(shí)候，首先由MAX232A 轉(zhuǎn)換成TTL 電平由R1OUT 輸出，經(jīng)過6N137 光電隔離后輸入DI 腳，從而裝換為RS485 電平由Z，Y 輸出。同理單片機(jī)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成的 RS485 電平信號(hào)輸入A，B 腳，經(jīng)過MAX490 轉(zhuǎn)換成TTL電平，再經(jīng)過光電隔離最終由RXDPC 輸出。必須強(qiáng)調(diào)的是在電路的連接中PC 接口電路中的MAX490 芯片引腳RSOUT+，RSOUT-必須和單片機(jī)側(cè)MAX490 芯片引腳RSIN+、RSIN-兩兩錯(cuò)開相連的。這樣才能正常的通信。

2.3 高頻諧振功率放大器電路

　　高頻諧振功率放大器電路可以工作在 A 類、B 類或C 類狀態(tài)，考慮到C 類諧振功放適用于輸入信號(hào)比較大、輸出功率大、效率高，因此，在大功率射頻功放電路中采用。功率放大器電路如圖5 所示。

　　2.4 反沖突處理

　　在RFID系統(tǒng)中，閱讀器與應(yīng)答器之間的通信，不能排除可能會(huì)有一個(gè)以上的應(yīng)答器同時(shí)處于閱讀器的作用范圍內(nèi)，當(dāng)在閱讀器的天線區(qū)域中有多個(gè)應(yīng)答器同時(shí)到達(dá)時(shí)，它們將幾乎同時(shí)響應(yīng)閱讀器的指令而發(fā)送信號(hào)，這樣就會(huì)產(chǎn)生信道爭(zhēng)用的問題，信號(hào)互相干擾，閱讀器不能正確接收數(shù)據(jù)，即發(fā)生了碰撞(Collision)。

　　為了提高系統(tǒng)的抗“碰撞能力”，就需要采用信道編碼技術(shù)，對(duì)可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行控制，信道編碼是使不帶規(guī)律或規(guī)律性不強(qiáng)的原始數(shù)字信號(hào)變換為帶上規(guī)律性或加強(qiáng)了規(guī)律性的數(shù)字信號(hào)，信道譯碼器則利用這些規(guī)律性來鑒別是否發(fā)生錯(cuò)誤，或進(jìn)而糾正錯(cuò)誤。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)如圖 6 所示，初始化設(shè)置包括GPIO 設(shè)置，串口通信模塊設(shè)置，中斷設(shè)置包括外部中斷和定時(shí)器中斷設(shè)置。

　　當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入閱讀器的天線感應(yīng)范圍,經(jīng)過一段時(shí)間的延遲，應(yīng)答器上電復(fù)位，進(jìn)入停頓狀態(tài)，在此狀態(tài)下可接收閱讀器發(fā)送的請(qǐng)求應(yīng)答指令，當(dāng)應(yīng)答器接到閱讀器的請(qǐng)求應(yīng)答指令后，返回卡的類型號(hào)，隨即閱讀器發(fā)送防沖突指令，系統(tǒng)進(jìn)入防沖突循環(huán)中，防沖突循環(huán)結(jié)束后，閱讀器發(fā)出選卡指令，選中其中一張卡，在此階段，應(yīng)答器處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，被選中的卡隨即進(jìn)入激活狀態(tài)。此后，閱讀器可以發(fā)送多種不同的指令，發(fā)送完成后等待接受應(yīng)答信息。

　　上述操作完成后，閱讀器發(fā)送停止指令，應(yīng)答器從激活狀態(tài)返回到停頓狀態(tài)，一次交易結(jié)束，單片機(jī)可以把關(guān)鍵信息作傳輸或顯示。

　　4 結(jié)束語

　　經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，基于S6700 的RFID 系統(tǒng)在讀卡的實(shí)驗(yàn)中，多張卡同時(shí)到達(dá)讀卡器工作范圍時(shí)都可以準(zhǔn)確的讀出；在加上率放大模塊并采用配套大功率天線時(shí),可以有效增加讀寫距離，增加了讀卡器在遠(yuǎn)距離讀卡時(shí)的準(zhǔn)確性。

　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)基于 S6700 閱讀器芯片的新型閱讀器，通過使用對(duì)中高頻閱讀器外加功率放大模塊的方法，實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離通信；在RFID 系統(tǒng)中集成設(shè)計(jì)了RS232/RS485通訊模塊等，著重說明了其軟硬件實(shí)現(xiàn)方法；討論了RFID 系統(tǒng)的通信安全及突發(fā)的偶然因素，包括校驗(yàn)和防沖突設(shè)計(jì)，說明了循環(huán)冗余校驗(yàn)和防沖突算法的原理及實(shí)現(xiàn)方法。