（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的远距离双频读卡器系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 车识别与跟踪系统、联运集装箱识别系统、物品识别与追踪系统、访问安全与 控制系统等众多领域的广泛应用，该技术将得到进一步的发展。 关键词：射频识别，远距离，双频，无源，a r m 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f d u a l - - f r e q u e n c yl o n g - - d i s t a n c er e a d e r s y s t e mb a s e do na r m p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e re l e c t r i c a ld v e g r a d u a t e ：w a n g g u a n g q is u p e r v i s o r ：l u s h u n c h a n g r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) i so n et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n ，w h i c hi su s e dw i t ht h ec o u p l i n go fr a d i om a g n e t i cf i l e dt or e a l i z e c o n t a c t l e s sc o m m u n i c a t i o na n di d e n t i f yt h ei t e m s a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no fr a d i of i e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yg r o w i n ga r e a s ，h a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di ni n d u s t r y 、t r a n s p o r ta n d d a i l yl i f e ，a n dm a n yo t h e ra s p e c t s p a p e r ss u b j e c tw i t ht h es u p p o r to fs c h o o l sa n dt e a c h e r s ，i n t ot h et s i n g h u a m i c r o e l e c t r o n i c s 、e c o r e t e c hc o l t d “t h el f & h fb a n d s r e m o t ed u a l b a n d p a s s i v er f i ds y s t e m r e s e a r c hw o r k w ed e s i g n e dt h es y s t e m u s e sl o w f r e q u e n c y ( l f ，m a i nf r e q u e n c yo f12 5 k h z ) c a r r i e ra sr e m o t ed u a l - b a n dp a s s i v ec a r do fe n e r g y s u p p l y u s e sh i g h f r e q u e n c y ( h em a i nf r e q u e n c yo f 13 5 6 m h z ) c a r r i e ra sad u a l b a n d c a r dr e a d e rt os e n da n dr e c e i v es i g n a l s p a p e r so l lt h ed u a l - b a n dc a r dr e a d e rt h eb a s i c w o r k i n gp r i n c i p l ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y s i so ft h ea r mm i c r o p r o c e s s o r - b a s e d h a r d w a r ep l a t f o r md e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ，a l s od i s c u s s e dt h e r e s e a r c hi nt h eu s eo ft h ea n t e n n at e c h n o l o g y 、d a t at r a n s f o r m a t i o na n dt h eb a s i c c o d i n gt e c h n o l o g y p a p e r sf i o mt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n td i s c u s s e dt h e l o n g d i s t a n c ec o n t a c t - l e s sd u a l f r e q u e n c yr e a d e rd e s i g np r i n c i p l e 、s y s t e ms o l u t i o n s a n dt e c h n i c a li m p l e m e n t a t i o nd e t a i l s r e s e a r c ho nt h eu s eo fe m 4 0 9 4 c h i pa sah i g h f r e q u e n c y p o w e rs i g n a l t r a n s f e rt h e b a s i ce l e c t r o n i cc i r c u i tm o d u l e ，s u p p o r t e d b y d i f i e r e n te x t e m a l c i r c u i ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ，s y s t e mt 0 m e e tt h en e e d so t d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s a se q u i p m e n td e s i g ns m a l l a n dl o wp o w e rr e q u i r e m e n t s ， d r o m d tu st oe x p l o r ea r m t e c h n o l o g yt om a x i m i z e t h ea d v a n t a g e so fr e a l - t i m ea n d l h - - i 曲一1 s p e e d ，r e s e a r c hr e s u l t s “l o n g d i s t a n c ed u a l f r e q u e n c y r e a d e rs y s t e m b e t t e rt 0 c o m p l e t et h ep r o j e c t st e c h n i c a li n d i c a t o r s 一 w i t hm i s 删- b a s e dm i c r o p r o c e s s o r s ，s u c h a sd u a l - f r e q u e n c yr e a d e rm t h e e l e c 仃0 n i c 锨s y s t e m 、 b u si d e n t i f i c a t i o na n dt r a c k i n gs y s t e m 、 i 1 1 t e 皿o d a lc o 栅e r i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m 、g o o d s i d e n t i f i c a t i o na n dt r a c k i n gs y s t e m 、s e c u n 锣a n d a c c e s s c o n t r o ls v s t e 1 s ，a n do t h e ra r e a so f t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n ，t h et e c h n o l o g yw i l l b e f u r t h e rd e v e l o p e d k e vw o r d s ：r f i d ，l o n g - d i s t a n c er a n g e ，d u a l _ f r e q u e n c y ，p a s s i v e , 删 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注的和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华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己在论 文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果属西华大学所有，特此声明。 7 l 作者签名：王插腑月9 日 雨月争日 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 现代社会，信息技术的发展一日千里，以信息的采集、利用为特征的信息 技术革命正席卷全球，高效快速的获取信息成为人们的共识，射频识别技术的 出现正是顺应了这一要求。 射频识别r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术是从2 0 世纪8 0 年代发 展起来的一项自动识别技术。它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还包 括通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科 1 2 1 。它是利 用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标并获取数据。不同于传 统的磁卡和i c 卡，r f i d 技术解决了无源和免接触两大问题，同时它可实现运 动目标识别、多目标识别，能够广泛应用于各类场合。其突出优点是环境适应 性强，能够穿透非金属材质，数据存储量大，抗干扰能力强。r f i d 在交通运 输、门禁安全、身份识别、货物管理、自动控制、防盗防伪等方面广泛应用。 美国、欧洲、日本等国对r f i d 技术研究起步较早，目前已达到相当高的水平。 而我国虽然起步相对较晚，但目前的发展速度较快。许多城市逐渐推广和普及 预付电子车票系统、电子门禁系统、预付费电子饭票等r f i d 系统。基于r f i d 的第二代身份证在许多地区也己经开始使用。 论文从硬件设计和软件开发两个方面介绍了远距离非接触式双频读卡器 的设计原理、系统方案和技术实施细节。研究中采用e m 公司的e m 4 0 9 4 芯片 做为高频“功率信号”传输的基本电子电路模块，配以不同的外围电路以及 相应的软件，系统功能可满足不同的应用需要。由于仪器设计的小型化和低功 耗等要求，促使我们最大限度发掘a r m 技术实时高速的优点，研究成果“远 距离双频读卡器系统 较好地完成了项目的各项技术指标。 随着这种基于a r m 微处理器的双频读卡器在诸如电子征税系统、公共汽 车识别与跟踪系统、联运集装箱识别系统、物品识别与追踪系统、访问安全与 控制系统等众多领域的广泛应用，该技术将得到进一步的发展。 西华大学硕士学位论文 1 2 射频识别系统发展概况 1 2 1 国外发展观状 目前国外进行r f i d 技术研究或设计的公司有上百家，推出的r f i d 芯片 类型也各有差别。从有源的到无源的，从低频( l f ) 到高频( 耶) 到超高频 ( u 伍) 直至微波频段( m i c r o w a v e ) 都有公司进行研究。 r f i d 技术成为众多公司竞相研究的技术，是与其广阔的应用前景分不开 的。在2 0 0 2 年度，r f i d 已经成为很多应用场合的首选方案。电子收费机、访 问控制以及车辆管理等系统，如果没有r f i d 技术的融入，将不可能变得如此 有效【1 4 1 。 目前的r f i d 成本比较高，为了达到大规模的应用，对r f i d 研究的主要 方向是降低应用成本。随着r f i d 成本的下降，其应用场景将更加广阔，应用 的最终目标是替代目前用于库存控制和智能后勤系统中的磁条。另外，r f i d 还将在运输、安全系统、制造业、建筑业甚至运动领域和g p s 系统中得 到广泛的应用。按照市场研究机构a b i 公司提供的数字，到2 0 0 7 年全球此类 应用的市场份额高达每年1 0 亿美元。 据市场调研公司a b ir e s e a r c h 日前公布的报告，2 0 0 5 年全球r f i d 阅读器 和阅读器模块市场出货量超过了3 5 ，5 0 0 个。此外，报告还显示2 0 0 6 年第一季 度r f i d 阅读器出货量比2 0 0 5 年第一季度增长近1 4 。a b ir e s e a r c h 最近推出 了r f i d 阅读器市场规模数据库存( r f dr e a d e rm a r k e ts i z i n gd a t a b a s e ) ，这是 它与全球主要r f i d 设备制造商合作编撰的。 1 2 2 我国r f i d 发展概况 近几年，随着r f i d 技术的推广应用，中国r f i d 的市场规模也在快速增 长。c c i d ( ( 2 0 0 5 年中国r f i d 市场研究报告的数据显示，2 0 0 5 年中国中低 频r f i d 市场规模达4 5 5 亿美元( 折合人民币3 6 9 亿元) ，同比增长1 2 3 6 。 2 两华大学硕卜学位论文 2 0 。32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 f 1 5 0 1 0 f i g u r e1 1i n2 0 0 3 2 0 0 6 c h i n a sl o w f r e q u e n c yr f i dm a r k e tg r o w t h 图1 12 0 0 3 2 0 0 6 年中国巾低频r f i d 市场规模增长 c c i d 分析主要原因在于中国第二代身份证发行1 1 亿张，在中国中 低频r f i d 整体应用市场中占据了8 0 的市场份额。在2 0 0 5 年中国中低 频r f i d 市场规模中，电子标签、读写器、软件与服务分别占市场份额的 6 7 8 、1 9 8 和1 2 4 。 f i g u r e1 2i n2 0 0 5c h i n ar f i dm a r k e tp r o d u c t si nt h el o w - f r e q u e n c ys t r u c t u r e 图i 22 0 0 5 年中国巾低频r f i d 巾| 场产品结构 中国的r f i d 应用主要集中在中低频领域( 工作频率小于3 0 m h z ) ，如 身份识别、安全门禁、电子购票、交通等领域。由于标准不统一、价格偏 高等原因，中国高频r f i d ( 工作频率大于4 0 0 m h z ) ，| 立用整体规模不大【3 。 由于2 0 0 6 2 0 0 7 年中国迎来第二代身份证换发的高峰，受此影响，2 0 0 6 年中国中低频r f i d 的市场规模将会达到7 4 6 亿美元( 折合人民币5 9 7 亿 西华大学硕_ ：学何论文 元) ，同比增长6 3 6 。r f i d 产品进口额将从2 0 0 5 年的1 亿美元增长到 1 8 亿美元( 折合人民币1 4 4 亿元) 。 f i g u r e1 32 0 0 3 - 2 0 0 6c h i n ar f i dp r o d u c t si m p o r t st r e n d 图1 32 0 0 3 2 0 0 6 中国r f i d 产品进口额趋势 2 0 0 5 年1 1 月中国r f i d 联盟在北京宣告成立。4 0 0 余家中外企业申请加入 该组织，其中包括世界5 0 0 强中的2 0 个跨国i t 企业。作为国家金卡工程2 0 0 5 年的一项重要成果，中国r f i d 联盟将联合国内致力于射频识别与电子标签产 业发展与应用推广，以及新型信，皂、服务业建设的企事业单位及个人，在平等互 利、优势互补、资源共享、合作共赢的原则下，积极推动r f i d 技术与电子标 签产品的自主创新与科学发展： 0 7 年6 月初，在北京举办的”第九届国际智能卡博览会”上，r f i d 技术已 成为市场关注的热点；由科技部牵头、1 5 个部委联合制定的中国r f i d 技术 政策白皮书于6 月9 日公布：中国的r f i d 频率规划方案即将发布；中国政 府将在上海建立一个r f i d 研发基地，拟在两年内制定出中国的r f i d 产品技 术标准。这一系列举措不仅表明了中国政府大力发展r f i d 技术的决心，也是 中国r f i d 技术应用即将步入快车道的先兆。 预计在2 0 0 8 年前后，物流、供应链管理将会成为r f i d 的重要发展领 域，整个高频r f i d 市场将得到有力推动；2 0 0 8 年奥运会、2 0 1 0 年世博会 等大型活动将进一步扩大r f i d 的市场需求，中国r f i d 产业有望迎来发 展高峰。 4 西华大学硕士学位论文 1 3 论文创新内容与主要研究工作 本课题是北京华清益康科技有限公司与清华微电子所合作研发的项目 “l f & m 叫丞距离双频无源r f i d 系统”。该项目尝试采用低频和高频相结合 的识别技术，既具有低频系统对可导媒介( 如液体、高湿、碳介质等) 较强的 穿透性的特点，又具有高频系统识别速度快、可以防冲突的特点。利用低频系统 给t a 黟供屯而让信道保持在高频1 3 5 6 m h z 处，这样就摆脱了i s o 标准对高频 发送功率的限制。 本文主要研究工作如下： ( 1 ) 采用低频1 2 5 k h z 的基波作为远距离双频无源卡的能量供应部分 ( 2 ) 绕制低频1 2 5 k h z 发送天线 ( 3 ) 采用a r m 处理器做为双频卡读卡器的主控制器 ( 4 ) 采用近距离1 3 5 6 m h z 的a s i c 构成远距离双频读卡器的射频前端 ( 5 ) 使用射频功放进行射频信号的放大设计 ( 6 ) 远距离读写器的接收电路设计。由于发射一接收共用一副天线，而双频 卡返回的信号，在幅度上与发射信号相比低得多。因此，需要把天线接收的信 号在进入a s i c 解调前先经过处理，使得该接收信号满足上行射频信号( 双频卡 _ 读卡器) 要求。 ( 7 ) 开发读写器底层软件协议，包括读写器与卡的通信协议和p c 机的通信协 议，最终实现双频卡的读写操作 1 4 本文各章节主要内容概述 第一章：绪论主要阐述了课题研究背景及意义以及r f i d 技术国内外研 究现状和发展趋势，论述了课题的研究内容和主要工作。 第二章：射频识别系统的基本原理主要介绍射频识别技术的系统组成和 工作原理，以及所用到的编码和调制技术 第三章：远距离双频读卡器系统方案设计本章对读卡器进行模块划分， 并详细介绍了远距离双频读卡器的微处理器模块和串行通讯模块的电路设计。 两华大学硕士学位论文 第四章：远距离双频读卡器的射频部分硬件设计本章分模块讲解了射频 部分发送和接收硬件电路设计。 第五章：读写器软件设计主要介绍了系统的软件设计，并做出了相关函 数说明。 第六章：对设计进行总结，并提出今后要继续研究和优化的方面。 6 西华大学硕士学位论文 第二章射频识别系统的基本原理 2 1 射频识别系统的工作原理 最基本的射频识别系统由三部分组成【12 j 【1 4 】【3 3 】( 见图2 1 ) ( 1 ) 电子标签( r f i dt a g ，或称射频标签、应答器) ：由芯片及内置天线组 成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射 频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。 ( 2 ) 阅读器( r f i dr e a d e r ) ：读取或读写电子标签信息的设备，主要任务是 控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信 息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。 ( 3 ) 天线( a n t e n n a ) ：标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。 固 c o u p li n ge le m e n t ( c o ilm ic r o w a v ea n te n n a ) f i g u r e2 1b a s i cm o d e lo f t h er p i ds y s t e m 图2 1r f i d 系统基本模型图 r f i d 的工作原理是：电子标签进入天线磁场后，如果接收到阅读器发出的 特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信 息( 无源标签) ，或者主动发送某一频率的信号( 有源标签) ，阅读器读取信息并解 码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 l l 警 西华大学硕士学位论文 2 2 射频标签的分类n 4 悃儿删 射频标签由于应用场合的差别，按照不用的分类方式，可以分为多种类型， 如表2 1 所示。 表2 1 射频标签的分类 t a b l e2 1r ft a g sc a t e g o r y 划分依据 标签类型工作特性 用自身的射频能量主动地发射数据 主动式 给读写器。 按照标签的工作方式 由读写器发出查询信号触发之后才 被动式 进入通信状态。 只读型( r e a d - o n l y ) 标签内容只能读出不可写入 按照标签的读写方式 可读写型( r e a d - w r i t e )标签内容可读出也可写入 低频标签工作频率在5 0 0 1 d - l z 以下 按照标签的工作频率高频标签工作频率在5 0 0 k h z 1 g h z 微波标签工作频率在i g h z 以上 无源标签( p a s s i v e ) 标签自身不带电池 按照标签的供电方式 有源标签( a c t i v e ) 标签自身带有电池 远程标签工作距离大于10 0 c m 按照标签的工作距离 近程标签工作距离在1 0 e m 1 0 0 e r a 之间 超近程标签工作距离在0 2 c m - 1 0 e m 之间 2 3 射频识别系统的耦合方式 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种 3 3 】： ( 1 ) 电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的 是电磁感应定律，如图2 2 所示。 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 电磁反向散射耦合。雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标 后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，如图2 3 所 不o f i g u r e2 2i n d u c t i v e l yc o u p l e df i g u r e2 3c o u p l i n ge l e c t r o m a g n e t i cb a c k s c a t t e r 图2 2 电感耦合图2 3 电磁反向散射耦合 2 4 射频识别系统的分类 射频识别系统中标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的 一个重要指标。通常，这种作用距离也就是指标签与阅读器之间能可靠交换数 据的距离。根据作用距离，标签天线和读写器之间的耦合可以分为三类：密耦 合系统、遥耦合系统和远距离系统【12 】【1 3 】【1 4 1 。 ( 1 ) 密耦合系统。 密耦合系统的典型作用距离是卜1 c m 。实际应用中，必须把标签插入阅 读器中或者放置到阅读器的天线表面。密耦合系统的标签与阅读器之间是电感 耦合。其工作频率一般在3 0 m h z 以下。密耦合系统适合于安全要求较高，但 不要求作用距离的应用系统，如电子门锁等。 化) 遥耦合系统 遥耦合系统的典型作用距离可以达到l m 。遥耦合系统又可以细分为近耦合 系统和疏耦合系统，前者的典型作用距离为1 5 c m ，后者为h n 。所有遥耦合系 统在阅读器和标签之间都是电感耦合。遥耦合系统的典型工作频率为 1 3 5 6 m h z ，也有其他频率，如6 7 5 m h z ，2 7 1 2 5 m h z 或者1 3 5 k h z 以下。 ( 3 ) 远距离系统 9 两华大学硕士学位论文 远距离系统的典型作用距离是1 1 0 m ，个别系统也有更远的作用距离所 有的远距离系统的阅读器和标签之间都是电磁反向散射耦合，远距离系统都是 在微波范围内用电磁波工作的，发送频率通常为2 4 5 g h z ，也有系统使用频率 为5 8 g h z 和2 4 1 2 5 g h z 。 远距离无源双频卡工作距离在l m 以上，采用的是电感耦合方式工作，因 此接下来将着重讲述电感耦合方式的能量和数据传送。 2 5 能量和数据传送 2 5 1 能量传送 r f i d 卡卡内无电源，供芯片运行所需要的全部能量必须要由阅读器传送。 阅读器和r f i d 卡之间能量的传递基于耦合变压器原理，参见图2 4 所示。阅 读器终端天线产生强大的高频磁场以便传送能量，最常用的频率有1 2 5 k h z 和 1 3 5 6 m h z 。如果一个r f i d 卡被放到阅读器天线附近，阅读器天线的磁场的一 部分就会穿过卡的线圈，在卡的线圈里产生感应电压r ? 这个电压被整流后就用 来对芯片供电。由于阅读器天线与卡片线圈的耦合非常弱，因此需要使天线线 圈里的电流量增大，以便达到必要的磁场强度，这通过给线圈厂，并联一个电 容r ，来实现。电容的值要经过选择，以使其和天线的并联谐振频率与所传递 的信号频率相匹配。 、 f i g u r e2 4i n d u c t i v e l yc o u p l e dw a y t os u p p l yr f i dc a r d s 图2 4 电感耦合方式给r f i d 卡供电 l o 西华大学硕士学位论文 2 5 2 信号调制 从阅读器到r f i d 卡的数据传送，可以使用所有己知的数字调制技术。常 用的技术有振幅键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，a s k ) 、频移键控( f r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ，f s k ) 和相移键控( p h a s es h i f tk e y i n g ，p s k ) ，是对电磁波的三个参数 电压、频率和相位分别行调制的方法。由于容易解调，a s k 和p s k 更为 常用。 从r f i d 卡到阅读器，使用的是幅度调制方式a s k ，用数据信号来对卡里 的负载进行数字调节( 负载调谐) 。如果把一个调谐为终端谐振频率的r f i d 卡放 到阅读器附近的磁场中，它就从磁场中汲取能量。这将引起阅读器感应线圈里 的电流7 r 。增加，可以通过跨内部电阻r ；所增加的压降把它检测出来( 参见图 2 5 ) 。r f i d 卡可以通过改变其线圈的负载( 在电路中把负载电阻刀，接入和断开) 来改变终端的电压 厂。( 振幅调制) 。如果电阻r ，的开关是由数据信号控制， 那么数据在阅读器里就可以被检测和计算出来。 f i g u r e2 5r f i dc a r dd a t at r a n s m i s s i o nc i r c u i tp r i n c i p l e 图2 5r f i d 卡传送数据的i l l 路原理 由于阅读器和卡的线圈间的耦合度较低，所以在阅读器里由负载调制所感 应的电压变化也是非常小的。在实践中，可用的信号幅度只有几毫伏，被阅读 器传输的强大信号( 大约8 0 d b ) n 覆盖，只能用精密的电路才能检测出来【3 l 】。因 此，一般采用一个频率为f 片的辅助载波频率，在阅读器上要接收的数据信号 曲华大学硕j 二学位论文 就出现在频率为f r f 的两个边带上，如图2 6 所示。使用带通滤波器将这 些数据信号从非常强的阅读器发送信号中滤出来并放大。这样，这些信号就很 容易被解调。 ：j | 瓴壤毒 。3 0 。i bj i b ，- f ；m 1 3 璺酶黪酶 簖喜酶敲娩藏 1 3 、5 , 6 m t q z t 磊 ，五五 谓嗣边带终螭俄渡侑号谭 i i ! 边苟 f i g u r e2 6 u s el o a dc a r r i e rf r e q u e n c ym o d u l a t i o np r o d u c e dt w os i d e b a n d 图2 6 用辅助载频进行负载调制产生两个边带 就r f i d 系统而言，用副载波的调制法主要用在频率范围为6 7 8 m h z 、 1 3 5 7 m h z 、或2 7 1 2 5 m h z 的电感耦合系统中，而且是从应答器到阅读器的数 据传输：电感耦合的射频识别系统的负载调制有着与阅读器天线的高频电压的 振幅键控( a s k ) 调制相似的效果，代替在基带编码的信号节拍中对负载电阻 的切换。用基带编码的数据信号首先调制低频率的副载波。可以选择振幅键控 ( a s k ) 、频移键控( f s k ) 或相移键控( p s k ) 调制作为对副载波调制的方法。 副载波频率本身常是通过对操作频率的二进制分频产生的。对13 5 6 m h z 的系 统来说，大多使用的副载波频率为8 4 7 k h z ( 1 3 5 6 m h z 1 6 ) 、 4 2 4 k h z ( 1 3 5 6 m h 衫3 2 ) 或2 1 2 k h z ( 1 3 5 6 忸z 6 4 ) 己调的副载波信号则用于切换负 载电阻旧( 见图2 7 ) 。 西华大学硕士学位论文 删l 舢砌删卜一 础 嘲l _ 埘i 雕1 4 i 雕l | | | 4 i l 硼瓣| | 蕾朝嘲| | | | | | | l | | | i | 蚓呻咖 f i g u r e2 7w i t hl o a dm o d u l a t i o na m p l i t u d es h i f tk e y i n g ( a s k ) s u b - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，a m u l t i - p h a s em o d u l a t i o n 图2 7 用负载调制的振幅键控( a s k ) 的副载波调制，多重调制的逐步产生 2 5 3 编码方式 在r f i d 系统中，基带中的编码( 数字调制) 常使用的编码方法有以下几种： m 屹( 反向不归零) 编码、曼彻斯特o 儿n c h e s n 习p 编码、单极归零制衄i p 0 1 a u r r z ) 编码、差动双相编码( d b p ) ，m i l l e r 编码、差动编码和脉冲间歇( p p ) 编码 3 3 】【3 5 】( 见图2 8 ) 。 西华大学硕上学位论文 黼z 麓铀 曼粥麟髓鬃硝 鳓磁懿零翻壤识 整动双随黢鹤 獭勒雅砭 袋辫密勒瓣鹤 凌溺躺谒 2 5 4 数据的完整性 f i g u r e2 8r f i d i ns o m ec o m m o l l c o d i n g 图2 8r f i dr f l 几种常见的编码方式 使用射频技术传输数据时，很容易遇到干扰或蓄意的篡改和破坏，从而使 传输的数据发生改变而导致传输出现错误。 校验法，可用来识别传输错误，并启动校正措施，例如重新传输有错误的 数据块。下面就几种常见的校验法作一简单介绍 1 2 】 1 3 【1 4 。 ( 1 )奇偶检验码 奇偶校验是一种比较简单的校验方法。这种方法是把一个奇偶校验位组合 到每一字节中，并和数据位一起传输，即每字节发送九位。奇校验时，若每字 节的数据为奇数时，则奇偶校验位之值为0 ，反之，则为1 ；偶校验时，则当每 字节的数据位中1 的个数为偶数时，则奇偶校验位之值为0 ，反之，则为l 。这 是一种数据位的水平校验，偶校验的奇偶校验发生器可以通过对字节内所有数 据位的x o r 逻辑来实现，x o r 的操作川页序是任意的。对奇校验来说，奇偶校 1 4 西华大学硕士学位论文 验发生器的输出是反向的。 这种方法虽然简单，但识别错误的能力低。奇数位的改变能够检验出来， 而对偶数位的改变，错误位互相抵消了，而奇偶位看来似乎是正确的。 ( 2 ) 循环冗余检验码 循环冗余校验( c r c ) 法，它能以很大的可靠性识别传输错误，但是不能 校正错误。 c r c 法的计算是一个循环过程。就是在一个p 位二进制数据序列d 后附 加一个r 位的二进制检验码序列r ，从而构成一个长为n = p + r 位的二进制序列 m 。附加的数据序列r 就是校验码。它和c r c 的算法以及数据序列有着特定 的关系，如果因为干扰使数据在传输中的某一位或某些位发生错误，这种特定 的关系就会被破坏，因此通过检查这种特定关系就可以实现对数据正确性的检 验。c r c 的计算包括了要计算其c r c 值的数据字节以及所有前面的数据字节 的c r c 值，数据块中的每一个被校验过的数据字节都用来计算整个数据块的 c r c 。 检验序列r 是对数据序列d 进行二进制模2 除法并取余得到的，它除以一 个称为生成多项式的( 什1 ) 位二进制序列g = 【g ，g ，一。g ，g 。 ， 用多项式表示为 高g 竿x = 吣，+ 器g( ) ( 工) ( 2 1 ) 其中，x 7d ( z ) 表示将数据序列d 左移r 位( 及在d 的末尾增加r 个0 位) ， q ( x ) 代表这一除法所得的商，r 伍) 为余式。而进行校验的过程则是对序列m 直接进行除法并取余计算 等删+ 器泣2 ，g ( x ) 。、7 g ( x ) 石7 西华大学硕士学位论文 得到的余式剐x ) 为0 表示数据正确，否则认为数据发生错误。当然并不是 任何一个多项式都可以作为生成多项式。从检错和纠错的要求出发，生成多项 式应能满足下列要求： 任何一位发生错误都应使余数不为0 。 不同位发生错误应使余数不同。 对余数连续做模2 运算，应使余数循环。 循环冗余校验法的优点是识别错误的可靠性，即使在有多重错误时，也只 需少量的操作就可以识别。1 6 位的c r c 就能够校验4 千字长的数据块的数据 完整性。在射频识别系统中传输的数据块都比4 千字节短，因此1 6 位的c r c 对射频识别系统来说己经是足够了。c r c 算法可以用后向耦合移位寄存器x o r 门组成的c r c 处理器来简单的实现。 以下选取几个生成多项式举例 c r c 1 2 ： c i 己c 一1 6 ： c r c c c i t t ： x 1 2 + x 1 1 + x 3 + x 2 + x 1 + 1 x 1 6 + x 1 5 + x 2 + l x n + x + x s “ 1 6 西华大学硕士学位论文 第三章远距离双频读卡器系统方案设计 3 1 引言 本章讲述远距离双频读卡器的系统方案设计。本系统中的控制单元主要是 与p c 机通信并执行p c 机发来的命令，控制与双频卡的通信过程，信号的编 码与解码等，这些复杂的任务需要控制单元拥有一个核心的微处理器。比较了 现有的微处理器和控制器，为系统选择适合高速处理数据的a r m 微处理器， 并从硬件方面详细介绍了a r m 处理器的最小系统的设计以及与p c 机串行通 信的实现。 3 2 系统方案设计 远距离双频读卡器系统方案设计包括能量发送模块、射频读写模块、微处 理器模块、串行通讯模块，设计的系统方案如图3 1 所示。 f i g u r e3 1r e a d e rs y s t e md e s i g n 图3 1 读卡器系统设计方案 射频模块部分发送指令给双频卡时，发射通道将射频a s i c 信号进行功率 西华大学硕士学位论文 放大，通过与天线匹配电路达到最大功率输出，实现信息的发送传输。接收电 路部分通过天线接收双频卡回送信号，经滤波放大处理后，利用微处理器进行 解码工作。串行通讯模块使用u s b 口与计算机通信，执行应用软件指令。 3 3 微处理器模块设计 3 3 1 微处理器的选择 在微处理器开发方面，以架构而言，可分为两大主流r i s c 与c i s c t l 】【5 】。 c i s c 结构通常称为冯诺依曼结构。具有这类结构的单片机在同一存储 空间取指令和致据。片内只有一种总线，因此它不能同时对程序存储器和数据 存储器进行访问。具有这种结构的单片机只能先取出指令，再执行指令，等待 这条指令执行完毕，再取出另一条指令，继续执行下一条。这种采用c i s c 结 构的单片机数据线和指令线分时复用，它的指令丰富、功能较强，但取指令和 取数据不能同时进行。速度受限，价格亦高。 r i s c 结构又称为哈佛结构，采用r i s c 结构的单片机数据线和指令线分离。 取指令和取数据可同时进行，一般指令线宽于数据线，使其指令较同类c i s c 单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单 片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率高，有利于实现超小型化。 a r m 处理器是典型的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集 计算机) 处理器。r i s c 体系结构的目的就是使用很少的指令高效地完成所有工 作。r i s c 指令集能使流水线处理器更有效地执行，还能使编译器生成更优化 的代码。在所有a r m 处理器系列中，a r m 7 t d m i 系列应用最广，采用a r m 7 处理器作为内核生产芯片的公司最多。如a t m e l 公司的a t 9 1 ，a t 7 5 系列芯片 和p h i l i p s 公司的l p c 2 2 0 0 系列芯片，其内核都是a r m 7 t d m i n 。 在本系统所用的读卡器本地晶振频率为1 3 5 6 m h z ，接收信号速率为 2 6 4 8 k b i t s s ( f c 5 1 2 ) ，副载波频率为4 2 3 7 5 k h z ，为实现正确的软件解调，高的 指令处理速度是必不可缺的，设计中选用l p c 2 2 1 4 作为整个系统的微处理器。 l p c 2 2 1 4 微处理器是p h i l i p s 公司出品的基于a r m 7 t d m i 处理器核3 2 西华大学硕士学位论文 位微处理器大家族中的一个分支。该系列处理器采用高性能的3 2 位r i s c 结构， 具有高密度的1 6 位指令集和低功耗的特点。此外，1 6 k b 的片内s r a m 和大 量的寄存器组并带有2 5 6 k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器使得它可以更快地进行 异常处理，是实时控制应用的理想选择【5 】。 3 3 2 最小系统 一个嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给它供电、加上时钟信号、 提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后 嵌入式处理器芯片才可能工作。这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电 路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。而大多数基于 a r m 7 处理器核的微控制器都有调试接口，这部分在芯片实际工作时不是必需 的，但因为这部分在开发时很重要，所以也把这部分也归入最小系统中【l 】。 3 3 3 电源 f i g u r e3 2m i l l i n l u l i ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 图3 2 最小系统框图 对于l p c 2 2 0 0 系列微控制器，它有4 组电源输入。理想情况下需要提供4 组独立的电源，它们需要单点接地或大面积接地。甚至还有为系统中其它的部 1 9 西华大学硕上学位论文 件提供更多种类的电源。但如果没有使用l p c 2 0 0 0 内部的a d 功能，或对a d 的要求不高，模拟电源和数字电源可以不分开供电。这样l p c 2 2 0 0 和l p c 2 1 0 x 都只需要两组电源。 l p c 2 0 0 0 系列微控制1 8 v 消耗电流的极限值为7 0 m a 。为了保证可靠性并 为以后升级留下余量，则电源系统1 8 v 能够提供的电流应当大于3 0 0 m a 。 整个系统在3 3 v 上消耗的电流与外部条件有很大的关系，这里假设电流 不超过2 0 0 m a ，这样，电源系统3 3 v 能够提供6 0 0 m a 电流即可。 因为系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用 开关电源，应当用低压差模拟电源( l d o ) 。合乎技术参数的l d o 芯片很多， s i p e x 半导体s p x l 11 7 是一个较好的选择，它的性价比较好，且有一些产品可 以与它直接替换，减少采购风险。见图3 3 = f 气f ! f f i g u r e3 3l p c 2 2 1 4p o w e r