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武汉理工大学 硕士学位论文 基于车辆收费系统的读卡器的研究 姓名：付泰 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：廖传书 20090501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，交通智能化越来越受到人们的重视，对车辆的非接触自动识别的 要求也越来越高。不停车收费系统作为智能交通系统的重要组成部分，是国际 上正在努力开发并推广普及的一种用于道路、大桥和隧道的电子自动收费系统。 采用不停车收费系统，可以使车辆收费过程完全自动化，并大大提高公路的通 行能力和服务水平，有效地减轻收费站工作人员的劳动强度和改善工作环境。 同时，不停车收费使公路收费走向无纸化、无现金化管理，可以从根本上堵塞 收费票款流失的漏洞，解决公路收费中的财务管理混乱问题，从长远来讲，还 可以节约基建费用和管理费用。 本文根据国际上U H F 频段最常见的I S O I E C l8 0 0 0 6T y p eB 协议设计了一 款用于高速公路不停车收费系统的读卡器，工作频率为9 1 5 M H z ，其功能是与 作用范围内的电子标签建立通信，并在应用系统和电子标签之间传输数据。 读卡器的硬件设计主要分为控制模块设计和高频接口模块设计。控制模块 中，选用单片机A T 8 9 S 5 2 作为主控制器，并设计了相关外围电路。高频接口模 块设计中，根据I S O I E C l 8 0 0 0 6T y p eB 协议相关规定，采用了R F M 公司开发 的T R l 0 0 0 为射频收发芯片对高频收发模块进行了设计。 软件设计采用模块化编程的思想，编程语言为单片机C 语言。主要包括读 卡器主程序、读写模块子程序、C R C 校验程序、编解码程序和防冲突程序等等。 读写子模块程序按照规范要求实现了读标签数据和写标签数据的功能，校验程 序的功能是对数据信息进行验证，防止传输数据错误，并由编码程序实现了曼 彻斯特码和F M 0 码的编码工作。本文在研究协议规定的二进制搜索防冲突算法 的基础上，采用了一种新的防碰撞算法，并提出了该算法的软件实现方法，经 验证，该算法能有效提高防冲突处理速度。 关键词：不停车收费射频识别读卡器防冲突 A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，p e o p l eh a v ep u tm o r ea t t e n t i o nt oi n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m a n dt h er e q u i r e m e n to fn o n - c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nf o rv e h i c l e sh a sb e c o m e m o r ea n dm o r es t r i c t T h eN oS t o pE l e c t r o n i cT o l lC o l l e c t i o nS y s t e mi sa l li m p o r t a n t p a r to ft h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m I ti s a na u t o m a t i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e m w h i c hi su s e do nt h et h r u w a y ，b r i d g ea n dt u n n e l ，a n dt h i ss y s t e mi sp o p u l a r i z e db y i n t e m a t i o n a l T h ea d o p t i o no fm eN oS t o pE l e c t r o n i c T o l lC o l l e c t i o nS y s t e m p o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e s F o re x a m p l e ，i tm a k e st h et h r u w a yt o l l c o l l e c t i o n a u t o m a t i c a l l y , i m p r o v et h et r a f f i ca n ds e r v i c ea b i l i t yo f t h et h r u w a y , r e d u c et h el a b o r i n t e n s i t 、，o ft h et o l ls t a t i o ne f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t V e h i c l e Sd on o ts t o pt h r o u g ht h et o l lc o l l e c t i o ns t a t i o nw i l li m p r o v et h eo p e r a t i o no f v e h i c l e se f f i c i e n t l ya n di tm a k e st h et o l lc o l l e c t i o ng ot op a p e r l e s s ，n o n c a s h m a n a g e m e n t F o rt h e s er e a s o n s ，t h es y s t e mc a ns o l v et h ec o n f u s i o no ft h e t o l l f i n a n c i a lm a n a g e m e n t I na d d i t i o n ，t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eN oS t o pE l e c t r o n i c T o l lC o l l e c t i o nS y s t e mc a na l s os a v et h ec o s t so fi n f r a s t r u c t u r ea n dm a n a g e m e n t c o s t s I nt h i sp a p e r ，O i lt h eb a s i so fI S O I E C18 0 0 0 6T y p eB ，w h i c hi s t h em o s t c o m m o np r o t o c o lo ft h eU H F , d e s i g n e dar e a d e rt h a ti su s e do nt h et h r u w a y ，i t s w o r k i n gf r e q u e n c y i s915 M H z T h er e a d e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h eR F I Ds y s t e m I t sf u n c t i o ni s t oc r e a t ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h et a g ，a n ds e n tt h ei n f o r m a t i o nt Ot h ec o m p u t e r T h e d e s i g no ft h eh a r d w a r ei sd i v i d e di n t ot w om o d u l e s ，o n ei st h ec o n t r o l l i n gm o d u l e ， a n dt h eo t h e ri st h eh i g hf i e q u e n c ym o d u l e I nt h ec o n t r o l l i n gm o d u l e ，u s i n g A T 8 9 S 5 2a st h em a i nc o n t r o l l e ra n dd e s i g n e di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t I nt h eh i g h f r e q u e n c ym o d u l ed e s i g n ，b a s i so nt h eI S O I E C 18 0 0 0 6T y p eB ，u s i n gt h eT R l0 0 0 C M O Sc h i pw h i c hi sp r o d u c e db yt h eR F MC o m p a n y T h es o f t w a r ed e s i g nu s i n gt h ei d e ao fm o d u l a rp r o g r a m m i n g ，t h ep r o g r a m m i n g l a n g u a g e i sCl a n g u a g e M a i n l yi n c l u d et h er e a d e r Sm a i np r o g r a m ，C y c l i c a l I I R e d u n d a n c yC h e c kp r o g r a m ，i t sf u n c t i o ni s t ov e r i f yw h e t h e rt h ed a t ai sr i g h t ， r e a d w r i t es u b p r o g r a m ，e n c o d i n g a n dd e c o d i n gp r o c e d u r ea n da n t i c o l l i s i o n p r o c e d u r e T h e m a i n p r o c e d u r e d e s c r i b e dt h ee n t i r ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s ， r e a d w r i t es u b p r o g r a ma c h i e v et h ef u n c t i o no fr e a d i n ga n dw r i t i n gt a gd a t a ，t h e e n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r o c e d u r ef i n i s h e dt h ew o r ko fM a n c h e s t e re n c o d i n ga n d F M Od e c o d i n g I nt h i sp a p e r , a f t e ra n a l y z i n gt h eb i n a r y s e a r c ha n t i c o l l i s i o n a l g o r i t h m ，t h ed e s i g na d o p t san e wa n t i c o l l i s i o na l g o r i t h ma n dt h ea l g o r i t h mi s p r o v e dC a ni m p r o v e t h ep r o c e s s i n gs p e e de f f e c t i v e l y K e yw o r d s ：N oS t o pE l e c t r o n i cT o l lC o l l e c t i o n ，R F I D ，R e a d e r , A n t i 。c o l l i s i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：付在 日期边f ：垒丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：良导师c 签名，：耻同期j 塑雠 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与目的 8 0 年代以来，伴随着经济的发展，交通设备日益增加，随之而来的城市交 通拥堵、交通事故频发、交通环境恶化、收费制式混乱、交通落后以及能源短 缺等成为当前世界各国面临的共同问题，无论是发达国家还是发展中国家都承 受着不断恶化的交通困扰。据美国有关部门预测，到2 0 2 0 年，国内交通事故造 成的经济损失每年将会超过1 5 0 0 亿美元，而日本东京目前因交通拥堵每年造成 的经济损失约为1 2 3 0 亿美元。解决交通问题的传统办法是修建或扩建道路，但 是，随着人口的增长，城市人均居住面积日益减少，可供修建的道路空间也越 来越少。同时，交通系统是一个复杂的综合性系统，单独从道路或车辆的角度 来考虑，都将很难解决交通问题。在这种背景下，把车辆和道路综合起来系统 地解决交通问题的思想就油然而生，这就是智能交通系统( I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t S y s t e m s ，简称I T S ) t 1 1 。 通过智能交通系统的研究，它使交通基础设施能发挥出最大的效能，提高 服务质量，规范收费方式、优化管理措施，使社会能够高效地使用交通设施和 能源，从而获得巨大的社会经济效益。主要表现在：提高交通的安全水平：减 少堵塞，增加交通的机动性；降低汽车运输对环境的影响；规范收费方式，优 化结算体系；提高道路网的通行能力以及提高汽车运输生产率和经济效益。 高速公路目前的收费方式一般有人工收费、半自动收费和自动收费三种。 然而在采用人工收费方式时，不但影响了高速公路的通行能力，而且现金交易 存在其它弊病，以及导致环境污染等一系列可持续发展问题。因此现在这种传 统的收费方式正逐步被自动收费方式所取代，这种方式完全采用专用的设备和 计算机系统联网，收费车道安装I C 卡读写装置，可利用射频、红外、激光等技 术与车载I C 卡进行数据传输，卡上存有该车的主要信息，即车主单位、存入金 额、车型类别等，可以不停车自动读写，进行自动收费。 作为通行车辆和收费站的媒介，通行证在收费系统中必不可少，它的类型 决定了收费智能化程度的高低，也最能反映收费系统的技术特点，从而也就产 武汉理工大学硕士学位论文 生了半自动方式和自动方式。在国内由于各路段所采用的收费技术千差万别， 收费系统所使用的通行证介质种类也较多。 目前国内高速公路收费系统在用的通行证主要有两大类：一次性使用通行 证和重复性使用通行证。一次性使用通行证包括纸质打印通行证、纸质磁性通 行证、一维条码通行证、二维条码通行证；重复性使用通行证包括磁卜、。接触 式I C 卡、非接触式I C 卡以及纸介质的月票等。经过多年的收费实践，收费系 统对收费介质的选择越来越注重以下方面的性能和技术要求：自动化程度、读 写方式、数据安全性、存储容量、介质成本、标准化与通用化( 互换性) 、设备 可靠性及寿命、管理成本、对分段建设及混合收费路段的适应性、对计算机网 络的依赖性等。 非接触I C 卡作为目前国内外高速公路收费系统中使用的通行证与接触式 I C 卡及纸质通行证相比，具有以下优点1 2 】： ( 1 ) 可靠性高：非接触I C 卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读 写而产生的各种故障，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡片失效，增 强了读写设备和卡的寿命： ( 2 ) 操作快捷：读写的过程瞬时完成，运行速度非常快，每张卡的收费或 使用操作时间小于O 5 秒，快速放行起到了关键性的作用： ( 3 ) 防止冲突：非接触I C 卡中有防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干 扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式I C 卡； ( 4 ) 独立卡号：卡号直接烧制在卡芯片中，便于计算机管理； ( 5 ) 寿命较长：读、写入次数大于1 0 万次； 由于非接触I C 卡具有以上优点，所以在高速公路不停车收费系统中得到了 广泛的应用。 伴随着高速公路建设的智能化程度越来越高，电子收费系统( E T C S ) 作为自 动收费方式的代表，不失为未来收费方式的最佳选择，它的研究与应用日益受 到普遍的重视，并且在实践中发挥越来越重要的作用，带来了可观的经济效益 和社会效益。 1 2 国内外不停车收费系统的应用现状 不停车收费系统( N oS t o pE l e c t r o n i cT o l lC o l l e c t i o nS y s t e m ，简称N S E T C S 2 武汉瑗工大学碛学健论文 或E T C ) 作魏磐麓交逶系统( r r s ) 豹重要蠹骞，楚嚣隧上蒸在努力开发并搀广罄 及的种用于道路、大桥和隧道的电予自动收费系统。 E T C 收费系统采用多种技术手段婕褥车道收费过程爨裁纯，常用鲍不停车 系统利雳菲接裢I C 卡技术、车辆谈别技术和计算机系统相联接使用。该系统建 立有关车辆的信息数掘库，将通过高速公路机动车的车型、车牌号码、会额存 入l e 卡孛，并弱薅输入系统计冀瓿中髓毒起来。警车辆通过收费车遴入溜时， 车载电子标签自动与安装在路侧或门架上的阅读器进行信息交换，中心控制计 算橇掇攥毫予标签串毒穰鲶蔼意谖剃照霉撬鼷户，蓑统数据簿羧黠车卡孛荟数 据是否合法，同时对合法的车卡写入收费站入阴编号：通过出翻时，系统计算 枫通过分褫运算，在卡中扣除逶过l 蠡：路段戆费用并逸动放行。如果收费过程失 败，根据存入计算机中的该用户的数据信患和汽车牌照，进行事后处理。这样 以来，车辆在高速公路上行驶时，到达入弱融蜜动提取数据，邈溺时鸯动掘费 荠强动教行，实现不停车耋动收费1 3 l 。 采用不停车收费系统，可以使车道收费过程完全自动化，并大大提高公路 熬运行麓力器黢务承平，有效逵减轻收费黎工撵久羹麴劳动强度辩改善工作繇 境。车辆不停车通过收费口，不仅使道路的通行能力得以充分发挥，而且有利 予提高车辆的营运效益。并璧，不箨军收费使公路收费走彝光羝懿= 、无现金拖 管理，可以从根本上堵塞收赞票款流失的漏洞，解决公路收赞中的财务管理混 乱闯题。另外，实施不停车收费系统，从长远来讲，还可以节约基建费硝秘管 理费用。 E T C 作为I T S 系统的重要组成部分，它的研究与开发工作受到了广泛的关 注。三菱撩式会社、辜鼷撩式会毂是蠢零黧蠹不筹率收费系统研究翡赣先者。 1 9 9 7 年春攀，曰本E T C 采用的是微波技术在一些收费道路开始进行不停车收 费的试运行，摄撼实验数据酶统计，收费站豹遴箨蠢妻力提高舞嚣来熬4 倍戳上。 同时不停车收费已经成为欧洲、美国回收公路投资的有效手段。 默1 9 9 6 年1 0 月我国交遴部公路科学研究擀与霹本事霹汽擎公霹裁不停车 收辫系统举行了中冒技术交流和现场演示会以来，溺内的不停车收费系统发展 取得了一定进步。 嚣蓊鏊舔上毫经基本形畿了磷美鬻、霾本稳欧灏隽代表靛不箨车投费系统。 在自发引进的形势下，造成了我国不停车收费系统比较混乱的局蕊：同时我国 的技术拳平秘裂避求平与发达器家毒定差距，蓬蠹还无法生产符合鬻际标箍 武汉理工大学硕士学位论文 的针对高速公路不停车收费的某些硬件设备，还有高昂的进口价格也限制了不 停车收费系统在实际中的普及应用【钔。为适应我国高速公路建设快速发展的局 面，需要针对国内用户的承受能力和相关服务功能的具体情况，做认真分析， 在该领域开展广泛研究，从而确定适合我国推广应用的不停车收费系统，这也 是本论文研究的初衷。 1 3 本文的主要研究任务 本文主要利用射频识别技术对高速公路不停车收费系统进行研究，而读卡 器作为采集车辆信息的平台，是整个车辆不停车收费系统的关键部分，其功能 是从车辆本身携带的电子标签中读取车辆的主要信息，并将其传送到服务器中， 方便交管部门对车辆进行自动识别，从而实现不停车收费的目的。本文把整个 课题的研究任务分为以下三个部分来完成： ( 1 ) 总体方案设计 这个部分简单介绍射频识别系统的原理、工作方式，然后对整个系统分模 块进行了分析。主要有以下方面：读卡器的组成及其基本功能，电子标签的分 类和结构，系统的运行环境与接口方式。 ( 2 ) 读卡器硬件设计 在硬件模块中，按照读卡器的组成对读卡器的高频接口、控制单元以及所 使用的天线类型分别进行研究：在对高频接口的研究中，根据本系统的要求， 选用一种比较合适的接收机和发射机方案：控制单元设计主要完成单片机与外 围通信接口的研究；天线类型设计的主要任务是对天线性能进行比较以选择一 种适合本系统使用的天线。 ( 3 ) 读卡器软件设计 我们对系统软件的设计也是采用分模块来进行的，分析了读卡器的通信过 程，对如何读、写电子标签设计出相应的单片机程序流程。由于射频识别系统 的特殊性，我们不能直接将数据直接进行传送，需要对其进行相应的编码转换， 所以还对单片机如何进行编码进行了分析。除此之外，我们还采用了一种新的 防碰撞算法，经过分析，采用此算法可以有效提高防冲突处理速度。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章R F I D 读卡器与车辆识别系统的组成 2 1 车辆射频识别系统功能分析 车辆射频识别系统要实现的功能是：实现汽车区域定位，汽车实时信息采 集，高速公路收费等功能。这样读卡器要实现的功能是采集车辆的信息，做相 应的处理，将车需要的信息发送给车载电子标签，并将采集到的车辆信息发送 到控制中心。电子标签的作用是对应不同的读卡器，发送相应的信息到读卡器， 并接收读卡器传来的信息，显示位置，计费等【5 1 。图2 1 是系统整体框图。 数据 e = 令 图2 1 车辆射频识别系统框图 标签( 非接触 式的数据载 体) 耦合元件( 线 圈、微波天线) 当汽车进入读卡器的作用范围时，车载电子标签就开始工作，接收到读卡 器的发送命令将车辆的信息发送给读卡器，读卡器接收到车的信息后将车的信 息传输给控制中心并与电子标签建立通信通道，将路况信息传输给电子标签。 这样在车上配以电子地图就可以记录下车经过的路线并确定车的位置。在控制 中心要跟踪某一辆车时也可以锁定它，就可以知道其经过的路线和当前所在位 置了。当汽车进入高速路收费站的读卡器范围内，车载电子标签将与读卡器交 换信息。读卡器通过读取车载电子标签内的信息，记录下通过车辆的信息，然 后读卡器将采集到的电子标签的数据信息传输到控制中心( 包括车的序列号， 5 武汉理工大学硕士学位论文 以及其费用等信息) 进行处理，扣除高速公路费用，并将路况信息发送给电子 标签，车载电子标签在与收费站的读卡器通信后，进入“无声”状态。这样就实 现了高速公路的自动收费，以及汽车的区域定位。 2 2 读卡器 读卡器也称为读头，它在射频识别系统中起到举足轻重的作用，是R F I D 系统构成的主要部件之一。我们通过计算机软件来写入或读取标签所携带的数 据信息；由于标签的非接触性质，因此，我们必须借助于读卡器来实现标签和 应用系统之间的数据通信功能【6 J 。读卡器主要完成以下功能： ( 1 ) 读卡器与标签之间的通信功能，在规定的技术条件下，读卡器与标签 之间可以进行通信： ( 2 ) 读卡器与计算机之间可以通过标准接口如R S 2 3 2 等进行通信。读卡器 可以通过标准接口与计算机网络连接，实现多读卡器的网络通信； ( 3 ) 能够在读写区域内实现多标签的同时识别，具备防冲撞功能； ( 4 ) 能够校验读写过程中的错误信息： ( 5 ) 对于有源标签，能够识别标签电池相关信息。 由于标签的工作方式分为主动( 有源) 和被动( 无源) ，所以对应读卡器也 有区别，对于无源射频识别来说，读卡器和标签的所有行为均由应用软件来控 制完成【7 1 。在系统中，应用软件作为主动方对读卡器发出读写指令，而读卡器 则作为从动方只对应用软件的读写指令做出回应。读卡器接收到应用软件的动 作指令后，回应的结果就是对电子标签作出相应的动作，建立某种通信关系。 电子标签响应读卡器的指令，因此，相对于标签来讲，读卡器就是指令的主动 方。在R F I D 系统的工作程序中，应用软件向读卡器发出读取命令，作为响应， 读卡器和标签之间就会建立特定的通信，读卡器触发标签工作，并对所触发的 标签进行身份验证，然后标签开始传送所要求的数据。 2 3 电子标签 2 3 1 电子标签的分类和特点 无线标签技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别 6 武汉理工大学硕士学位论文 目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。 无线标签技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 电子标签一般分为主动式电子标签和被动式电子标签，又称有源电子标签和无 源电子标签。无源电子标签在读卡器的响应范围之外是处于无源状态，没有自 己的供电电源( 电池) 。只是在读卡器的响应范围之内，这类电子标签才会从读 卡器的射频场中获取能量供数字电路部分使用。电子标签工作所需要的能量是 通过电磁耦合单元或天线，通过非接触的方式传送给电子标签的。通常无源标 签的识别距离为几十厘米到十几米。有源电子标签具有自己的供电电源，识别 距离可达几十米甚至上百米，其它电路与无源电子标签相同。电子标签一般具 有如下特剧8 J ： ( 1 ) 体积小，结构牢固，耐腐蚀： ( 2 ) 工作寿命长( 可读写次数超过1 0 万次) ； ( 3 ) 防水，耐高温： ( 4 ) 灵敏度高，抗干扰性强； ( 5 ) 存贮器容量可达2 0 4 8 位信息； ( 6 ) 具有唯一的可标识符。 2 3 2 电子标签的结构 R F I D 系统的目的就是从电子标签中获取被识别对象的相关信息，并且，电 子标签可以从读卡器的射频场中获得能量，可为其它部分或全部电路提供电源。 因此，基于电子标签在R F I D 系统中的功能，电子标签电路必须含有天线用于 接收和发射电磁波能量；必须含有检波电路用于将高频电磁能量转换成为直流 电源：并且可以存贮或管理能量；必须要有一定的数字电路部分用于存贮被识 别对象的信息内容，并可在外部供电的情况下，进行必要的数据处理及输出相 关的数据信息。另外，电子标签必须含有调制电路，可以把存储在电子标签内 部的被识别对象的相关数字信息调制到发射的电磁波上【9 J 。R F I D 射频标签附着 在被识别的物体上，作为特定的标识。射频标签有标签天线、芯片、存储器等 组成，有源标签还需要电池。虽然电子标签的封装形式不一样，但是其内部结 构却基本一致。如图2 2 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 电子标签内部结构 C P U 和存储器组成数字电路部分。C P U 负责整个电子标签的工作过程，对 标签的工作进行控制，对标签身份进行编码并产生通信指令和读卡器进行通信。 存储器一般由E E P R O M 组成，用于存储被识别物体的相关信息，其存储时间可 达几十年。并且在没有供电的情况下，信息仍不会丢失。在某些情况下，还可 以接收读卡器的指令，写入信息。 2 4 射频识别系统的运行环境 基本的R F I D 系统包括标签和读卡器两个关键部分，实际上，对于不同的 R F I D 厂家，在设计和制造R F I D 系统时，总是需要考虑读头、读头天线、标签 芯片、标签天线等因素。 对于某些厂家和有些应用场合，可以将读头和读头天线集成在一起，形成 一体化读卡器。标签芯片和标签天线一般总是集成在一起封装的，这就构成了 成品的标签。 一个完整的R F I D 识别应用系统应当包括读卡器、标签、应用程序、计算 机系统。为了能准确安全地读取，有时还要考虑读卡器及天线的安装、传输距 离等因素。 无线射频识别技术的运行环境比较宽松，从应用软件系统的运行环境来看， 可以在现有的任何系统上运行基于任何编程语言的任何应用软件。计算机平台 系统包括W i n d o w s 系列、L i n u x 、U n i x 以及D O S 平台系统。在一些大型的应用 系统中，还运用了中间件，使得计算机应用系统不受前端R F I D 采集系统的差 异性影响，同时也为了应用系统更加规范和兼容性更强【1 0 J2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 读卡器与应用系统的接口方式 接口方式主要指的是读卡器和应用计算机的接口方式。R F I D 系统的接口方 式非常灵活，包括R S 2 3 2 、R S 4 8 5 、以太网( R J 4 5 ) 、W L A N 8 0 2 1 l ( 无线网 络) 等接口。 其中R S 2 3 2 是目前流行的计算机串行接口。常用的R S 2 3 2 接口有D B 9 和 D B 2 5 两种形式。R S 2 3 2 是电子工业联合会( E I A ) 开发的广泛实现的串行传输 接口，用来连接数据终端设备到数据通信设备。它适用于数据传输率在0 2 0 k b p s 范围内的通信。是目前P C 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接1 2 1 ， 也被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。R S 2 3 2 的传输 距离比较近，一般为1 5 m 左右。 R S 2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、发设备) 通信而设计的，适合本地设 备之间的通信。基于上述特点，本文的设计中采用R S 2 3 2 串行接口进行数据传 输，通过它与P C 机实现数据通信l l 引。 2 6 读卡器设计的相关协议标准 U H F 频段的标准最常见的是I S O I E C1 8 0 0 0 6T y p eB 标型1 4 J ，本文的设计 工作也是以I S O I E C l 8 0 0 0 6T y p eB 协议标准为基础的。T y p eB 协议的通信机制 是基于一种“读卡器先发言”的，即基于读卡器的命令与电子标签的回答之间交 替发送的机制。该协议有如下规定： ( 1 ) 读卡器到电子标签的通信 射频载波调制采用A S K 调制方式，允许两种不同调制系数的调制。一种为 调制系数为9 9 的载波调制，一种为调制系数为1 1 的载波调制，基带数据的发 送采用曼彻斯特编码格式。读卡器到电子标签指令( 发射指令) 格式如表2 1 所 示。 表2 1 发射指令帧格式 帧检测：帧检测字段为最少4 0 0 u s 的稳定的无调制的载波，这相当于传输 9 武汉理工大学硕士学位论文 速率为4 0 k b p s 下传送1 6 比特码元的时间。 序列开端：序列开端为9 个比特的0 l 组合即0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 。 界定符：界定符用于区分帧头和有效数据。经常采用的是1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 。 命令码：发送命令代码，采用曼彻斯特编码。 参数及数据：采用曼彻斯特编码，具体内容视不同命令而定。 循环冗余检测( C R C ) ：在发射和反射信号的过程中使用了1 6 位C R C 。 ( 2 ) 电子标签到读卡器的通信 射频载波调制采用反向散射调制，类似于A S K 调制方式。电子标签到读卡 器通信的过程中基带编码采用F M 0 编码。电子标签到读卡器端指令( 应答指令) 格式如表2 2 所示。 表2 2 应答指令帧格式 i 静默 返回帧头 I 数据 l C R C l 静默：应答器持续2 字节的无反向散射。 返回帧头：是一个3 2 位数据“0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 ”。 数据：具体数据视不同指令和电子标签不同状态而定。 C R C ：采用1 6 位的数据编码。 l O 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章读卡器硬件设计 R F I D 读卡器硬件结构可以分为三个部分：主控模块、射频收发模块。读卡 器的基本任务就是启动电子标签，与这个电子标签建立通信并且在应用软件和 电子标签之间传输数据。 3 1 读卡器的总体框架设计 3 1 1 读卡器总体框架 所有的读卡器均可简化为两个基本的功能模块：控制单元模块和高频接口 模块，系统的硬件电路图如图3 1 所示。整个系统的控制器由一个外部应用系 统通过控制器指令来实现【1 6 砌】。 图3 - 1 系统硬件功能框图 整个系统由主控制器，高频接口模块，电源模块，串行通信模块，状态指 示模块和天线组成。读卡器通过串行通信接口可以实现与上位机的通信过程， 电源模块完成稳压与电压转换功能，状态指示模块用于工作状态指示与报警功 能。其中最主要的是高频接口模块和控制模块。 藏漠瑗工大学硬士学囊论文 高频搂瑟熬主要琏麓毒： ( 1 ) 产生高频发射功率，以启动电予标签并为它提供能量； ( 2 ) 对发射信号进行调制、功率放大、滤波震，通过天线将数据传送给电 子标签； ( 3 ) 接受并解调来自电子标签的高频信号，并将解调后的信号传送给控制 革元。 控制单元的主要功能有： ( 1 ) 与应鼷系缝软件进行通襞，弗执稽瘦翔系统软搏发来的翕令； ( 2 控制与电子标签的透信过程； ( 3 ) 信号的校验、编码与解码； 碡执行骑碰撞算法，菜些对数翥安全要求毙较高麓系统还要遴行读卡器 与电予标签之间的身份验证。 3 1 2 系统的信号流程 系统酶信号漉程蟊嚣3 - 2 瑟示。 。+ + 。+ 1 数据储号 匿3 - 2 率辆辩额谖翱系绫嚣穰号流程霉 武汉理工大学硕士学位论文 发射信号流程：应用系统通过串行接口发送控制信号和数据信号给读卡器， 读卡器接收并执行相应指令，在将信号进行编码后，发送给发射模块，发射模 块对信号进行调制，再通过天线，将指令传送给电子标签。 接收信号流程：通过天线将接收到的电子标签信息发送给射频接收模块， 射频接收模块在将信号进行解调后，发送给读卡器进行解码并执行相关指令， 然后将处理后的信息传给应用系统。 3 2 控制单元模块电路设计 作为一个完整的射频识别系统，所有数据的处理都是由应用系统完成的， 而应用系统要发送给电子标签的数据是无法直接通过高频接口传送的，同理， 电子标签返回的数据也无法由高频接口直接传送给应用系统，这就需要控制单 元来完成电子标签和应用系统之间相互交换数据的任务，除此之外，正如前面 所述，控制单元还要完成防碰撞算法和信号编解码等任务引。 本设计中读卡器发射的信号类型为单载波，即频率为9 1 5 M H z 的载波，直 接由高频发射电路提供。在本系统中，编解码直接由M C U 来完成。所以，微 处理器除了要完成控制其他功能组件以及通信流程的任务，执行一些普通的算 法之外，还要完成信号的编解码。整体框架如图3 3 所示。 电源L 一 M C U f 高频接口I 一串接口信I l 应用系统J L 一一一J 图3 3 控制单元模块电路框图 3 2 1 微控制器及外围辅助电路 在本系统中，微处理器主要完成控制其他功能组件和通信流程的任务以及 武汉理工大学硕士学位论文 执行一些普通的反碰撞算法，所以微处理器使用普通的M C S 5 2 系列的单片机 A T 8 9 S 5 2 即可。在本系统中，控制程序和防碰撞算法并不是很复杂，所要存放 的数据也不是很多，单片机片内8 K B 的R O M 和2 5 6 B 的R A M t 2 0 】已经能满足系 统的需要，所以不需要扩展另外的R O M 和R A M 。 控制器电路以A T 8 9 S 5 2 为核心，其外围辅助电路包括复位电路，状态指示 电路等，图3 4 为微控制器及其外围电路原理图： 图3 4 微控制器及其外围电路 引脚P 0 0 、P O 1 、P O 2 、P O 3 与射频芯片T R l 0 0 0 的控制引脚S E N DC T R L 0 、 S E N DC T R L l 、R E C E C T R L 0 、R E C EC T R L l 相连，可以通过单片机控制射频 收发芯片的工作状态，可以使其在接收发射睡眠模式之间的工作模式进行转 换，其具体状态如下： ( 1 ) S E N DC T R L l 为“1 ”、S E N DC T R L 0 为“0 ”，则T R l 0 0 0 处于A S K 发射状态； ( 2 ) S E N DC T R L l 为“0 “ 、S E N DC T R L 0 为“0 ”，则T R l 0 0 0 处于睡眠状态； ( 3 ) R E C EC T R L l 为“1 “ 、R E C EC T R L 0 为“l ，则T R l 0 0 0 处于A S K 接收状态： ( 4 ) R E C EC T R L l 为“0 ”、R E C EC T R L 0 为“0 ”，则T R l 0 0 0 处于睡眠状态。 引脚R X D A T A 和T X M O D 分别为微控制器的基带数据输出和数据输入引 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 脚，是A T 8 9 S 5 2 和T R l 0 0 0 进行通信的通道，其中发光二极管D 1 ，D 2 和报警 器用来指示读卡器工作状态。 3 2 2 通信接口模块设计 R S 2 3 2 标准是美国电子工业协会E I A ( E l e c t r o n i cI n d u s t r i e sA s s o c i a t i o n ) 与 B E L L 等公司一起开发的通信协议。它适合于数据传输率在0 - - 一2 0 k b p s 范围内 的通信。是目前P C 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，也被定义为 一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。在本文的设计中采用 R S 2 3 2 串行接1 ：3 进行数据传输，通过它与P C 机实现数据通信【2 。 由于R S 2 3 2 的高电平规定为+ 5 + 1 5 V ，负电平规定为1 5 5 V ，因此在 与T r L 电路连接时必须经过电平转换。电平转换的方法很多，比如：三极管和 其他分离元件搭成。也可以直接用电平转换芯片，用芯片，有它的好处，体积 小，连接方便，而且抗静电能力强。本系统采用M A X 2 3 2 作为电平转换芯片， R S 2 3 2 串行通讯接口电路如图3 5 所示。 图3 5 中的T X D 和R X D 与单片机串行发送口和串行接收口相连，R X 和 T X 通过连接器连到P C 机C O M 口的R X D 和T X D 端。 G b l Dl n I F 图3 - 5R S 2 3 2 接口电路原理图 武汉莲大学顼士学惫论文 3 2 。3 毫滚及稳压照路设计 电源转换：出于系统设计中A T 8 9 S 5 2 单片机和串口电平转换芯片M A X 2 3 2 王作所需兹邀莲筠5 V ，蘑菇频收发芯片T R i 0 0 0 戆电压凳3 。3 V ，这就要求对毫 源进行5 V 到3 3 V 的转换。 逛蘧转换电黪翔蕊3 - 6 爨示。 图3 - 6 电压转换电路 在这里选用的芯片为A S l l l 7 ，3 3 ，电压转换电路如下：当接通电压把5 V 电 遂姨l 罄输入对，发邃二摄营D l 开始发光，瑟获3 瓣输出熬逛题帮秀射频芯 片工作时所需要的3 3 V 电压。 半导体器件A S I 重l 了是一个低功耗芷电逛管理芯片，它熊输逛电流为 8 0 0 m A 。找个器件在电淹电源使用串是一个非常好鹩选择，可以僚为S C S I 总线 和笔记本的主要终端，A S ll1 7 可以转换输出的分别为2 8 5 V 、3 V 、3 3 V 和5 V ， 本设计串主要餍它输察3 3 V 照蹑供给射频蔷片T R l 0 0 0 工豫。 3 3 高频搂嗣模块设计 超离频频段瓣频读写模块麓开发一般可以慕臻耩糟方案：一是聚潮搭建射 频电路实现的方法。用搭建的硬件电路实现射频信号的调制发送与解调接收。 二是采用通用无线射频模块来完成射频信号的调制解调，这种芯片将振荡器， 混频器，滤波器，功率教大器等辩频魄鼹集成在一款芯片中，其功能与搭建麓 射频电路相巍，使用射频芯片可以简化开发过程，节省开发时间，所以本文主 要采霞第二耪设计方法来实瑗赛砉频信号静发送帮接受王捧；数据蔷意经高频羧 武汉理工大学硕士学位论文 口模块发送和接受的过程见图3 7 。 发送的数据调制后经过功率放大器放大，然后再通过上变频器，这时从上 变频器出来两个频率的信号，经过带通滤波器滤波后得到适合的频率信号。是 后，信号进入天线之前通过高功率放大器再次放大信号，然后发出射频信号。 接收数据时，信号由于路径损耗和吸收变弱，所以需要将信号进行放大。 信号通过低噪声放大器后，然后在经过滤波器滤走通过天线进入的不需要的信 号( 噪声) 。再经过下变频器和低通滤波器后，得到符合要求的频率信号。最后 将信号放大，解调后送入微处理器进行处理。 由于在通信过程中，电子标签所使用的能量是由读卡器连续发射的载波提供 的，而且读卡器发射出的信号载波频率和电子标签返回读卡器的信号载波频率相 同，又加上读卡器高频接口收发两个信道共用一个天线，所以高频接口为了将自身 的发射信号与微弱的电子标签反向散射信号区分开，要在接收机和发射机之间连接 环形器，其主要作用是隔离发射机的发射信号与电子标签的反向散射信号 z 3 - 2 4 l 。 发射模块 一- - J 接收模块 图3 7 高频接口模块收发数据流程 本文所设计的射频收发模块主要包括两部分： ( 1 ) O O K 射频发射电路： I S O I E C l 8 0 0 0 6 T y p eB 协议规定由读卡器到电子标签的射频调制方式为调 制深度为9 9 的A S K 调制，也就是可以近似看做为O O K 调制。本文设计了以 T