RFID 讀寫器的設計
文章出處：http://5052h112.com 作者：田徑，儲海兵 人氣： 發表時間：2011年10月15日
0 引 言
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感應、電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信，獲取相關數據的一種自動識別技術。射頻識別卡最大的優點就在于非接觸，因此完成識別工作時無須人工干預，適于實現自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便。目前，射頻識別技術己經廣泛使用，準備接替目前許多人工完成的工作程序。
RFID 技術是一個嶄新的技術應用領域，它不僅涵蓋了射頻技術，還包含了射頻技術、密碼學、通信原理和半導體集成電路技術，是一個多學科綜合的新興學科。因此，對 RFID 技術的認識和研究具有深遠的理論意義。隨著21世紀數字化時代的到來，基于遠程信息化網絡管理技術和移動商務的社會需求，RFID 技術智能管理系統將在各個領域中發揮巨大的作用。RFID 技術正在成為一個新的經濟增長點，在全球范圍內蔓延開來，研究開發 RFID 技術有著巨大的經濟效益和社會意義。
一個典型的 RFID 系統一般由 RFID 標簽、讀寫器以及計算機系統等部分組成。其中 RFID 標簽中一般保存有約定格式的編碼數據，用以惟一標識標簽所附著的物體。與傳統的識別方式相比，RFID 技術無需直接接觸、無需光學可視、無需人工干預即可完成信息輸入和處理，且操作方便快捷。能夠廣泛應用于生產、物流、交通、運輸、醫療、防偽、跟蹤、設備和資產管理等需要收集和處理數據的應用領域，并且認為是條形碼標簽的未來代替品。RFID 系統的工作原理框圖如圖1所示。
讀寫器通過天線發送出一定頻率的射頻信號：當 RFID 標簽進入讀寫器工作場時，其天線產生感應電流，從而 RFID 標簽獲得能量被激活并向讀寫器發出自身編碼等信息；讀寫器接收到來自標簽的載波信號，對接收的信號進行解調和解碼后送至計算機主機進行處理；計算機系統根據邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號；RFID 標簽的數據解調部分從接收到的射頻脈沖中解調出數據并送到控制邏輯，控制邏輯接收指令完成存儲、發送數據或其他操作。
RFID 針對常用的接觸式識別系統的缺點加以改良，采用射頻信號以無線方式傳送數據資料，因此識別卡不必與讀卡機接觸就能讀寫數據資料。
1 系統總體簡介
本系統以 AT89252 單片機為控制核心，利用 RFID 讀寫基站 U2270B 對 Temic 公司的射頻卡(本系統使用 EM4100卡)進行數據的讀寫。在通信方面使用 USB 高速通信接口，采用南京沁恒公司的 USB 主控芯片 CH375。數據庫的存儲管理利用 SD卡。系統總體框如圖2所示。
2 RFID 讀寫模塊
U2270B的載波頻率為100～150 kHz，其調制方式為曼徹斯特碼和雙相位碼。U2270B 的電源供給可為5 V 的穩壓電源或者是12 V 的汽車蓄電池。它可以為RF場提供能量，其中在短距離運用時，外圍驅動電路簡單。U2270B 還具有信號微調能力，而且其讀寫距離可達7～10 cm。U2270B還具有電壓輸出功能可以給微處理器或其他外圍電路供電。
U2270B具有省電模式和 STANDBY 控制可選，所以設計基站電路時可以按照功能的不同要求，設計基站的外圍電路。具體電路圖如圖3所示。
本系統采用9 V 電池供電，并通過 STANDBY 端進行省電模式的控制。同時通過橋式二極管來增強讀寫距離。
通過調整RF引腳所接電阻的大小，可以將內部振蕩頻率固定在150 kHz，然后通過天線驅動器的放大作用，在天線附近形成150 kHz的射頻場，當射頻卡進入該射頻場內時，由于電磁感應的作用，在射頻卡的天線端會產生感應電勢，該感應電勢也是射頻卡的能量來源。
數據寫入射頻卡采用場間隙方式，即由數據的“O”和“1”控制振蕩器的啟振和停振，并由天線產生帶有窄間歇的射頻場，不同的場寬度分別代表數據“O”和“1”，這樣完成將基站發射的數據寫入射頻卡的過程，對場的控制可通過控制芯片的第6腳(CFE端)來實現。
由射頻卡返回的數據流可采用對射頻卡天線的負載調制方式來實現。射頻卡的負載調制會在基站天線上產生微弱的調幅，這樣，通過二極管對基站天線電壓的解調即可回收射頻卡調制數據流。應當說明，與U2270B配套的射頻卡返回的數據流采用的是曼徹斯特編碼形式。由于U2270B不能完成曼徹斯特編碼的解調，因此解調工作必須由微處理器來完成，這也是 U2270B 的不足之處。
3 射頻卡模塊
射頻卡選用的 EM4100 卡是由瑞士微電生產的一款用于只讀射頻卡信息傳輸的集成芯片。射頻卡由 IC 芯片、感應線圈組成，COIL1與COIL2為感應線圈接口。全波整流電路、CSUP可以將線圈感應產生的能量保存供給芯片作為工作電源；時鐘選取電路將篩選頻率125 kHz的載波作為時序發生電路的基準時鐘源；內存中64位數據依次串行輸出，通過編碼模塊輸出曼徹斯特碼；最后信號通過調制電路再由感應線圈發射出去。圖4為EM4001芯片內部功能圖。
EM4100全部的數據位為64位，它包含9個開始位(其值均為‘1’)、40個數據位(8個廠商信息位+32個數據位)、14個行列奇校驗位(10個行校驗+4個列校驗)和1個結束停止位。EM4100在向讀卡機或PC機傳送信息時，首先傳送9個開始位，接著傳送8個廠商信息或版本代碼，然后再傳送32個數據位。其中15個校驗以及結束位用于跟蹤包含廠商信息在內的40位數據。當EM4001上電初始化后，便依次將這64位數據反復輸出，直到卡片離開基站讀寫器失電為止。圖5為EM4100芯片內部數據格式。數據信息采用曼徹斯特編碼，然后調制到載波上，影響感應線圈工作。數據“O”對應著電平下跳，數據“1”對應著電平上跳。
5 SD卡控制模塊
SD 卡有兩種總線協議，SD 協議和 SPI 協議。現在絕大部分微控制器都集成 SPI 接口，所以利用這種方式與 SD 卡通信相對簡單方便，但SPI協議在數據交換時只允許1位數據串行傳輸，所以速度受到限制。在 SD 協議下，允許強大的1線到4線數據傳輸，這樣就提高了傳輸速度。但 SD總線時序要求嚴格，如果用軟件模擬不僅復雜繁瑣，而且可靠性也不高，W86L388D支持 SD 方式的4線數據傳輸，并且根據所收到的命令能自動產生相應的 SD 時序，從而方便用戶的使用，提高了系統的性能。
W86L388D 為臺灣華邦公司的 SD 卡橋接芯片。W86L388D 有8位數據與16位數據寬度可以選擇，并且有專門的端口進行 SD 卡的檢測與讀寫保護。W86L388D 的工作電壓為3．3 V，所以在與89S52單片機進行通信的時候必須經過一個 470Ω 的電阻進行分壓處理。W86L388D 的電路圖如圖7所示。
6 結 語
射頻識別技術最大的優點就在于非接觸，因此完成識別工作時無須人工干預，適于實現自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便。所以，目前已經廣泛使用，準備接替許多人工完成的工作程序。
讀卡器的設計主要用軟件來實現射頻信號的調制和解調，以實現對 Teinic 卡片的讀和寫操作。利用 CH375 芯片來實現系統的USB通信及數據的傳輸，利用 SD 卡實現數據及原始數據庫的存儲，同時利用 SD 卡橋接芯片 W86L388D 來實現簡單便捷的 SD 卡 SD 模式的通信操作。
（作者：東南大學 田徑，儲海兵 ）
