（电路与系统专业论文）基于arm的非接触式ic卡读卡器设计.pdf

硕士论文 基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器设计 摘要 非接触式i c 卡是i c 卡领域的一项新兴的技术，它是射频识别技术和i c 卡技术相 结合的产物。由于非接触式i c 卡具有操作快捷、抗干扰性强、工作距离远、安全性高、 便于一卡多用等优点，在自动收费、身份识别和电子钱包等领域具有接触式所无法比拟 的优越性，具有广阔的市场前景。非接触式i c 卡读卡器是非接触式i c 卡应用系统的关 键设备之一。基于实际项目的需要，本课题开发了一种读写距离在1 0 e m 左右的非接触 式i c 卡读卡器，它可以应用于电子消费场合，如公交和地铁电子售票，食堂售饭等场 厶 口。 本文首先研究了用于本系统的基本理论，包括射频识别技术、a r m 处理器体系结 构和嵌入式系统，然后基于这些理论，给出了非接触式i c 卡读卡器的设计方案。系统 由三个部分组成：第一部分是读卡器的收发模块，选用p h i l i p s 公司的高集成度非接触 式读写芯片m fr c 5 0 0 设计射频收发模块，对射频芯片接口电路设计做了详细的论述； 第二部分是核心控制模块，以p h i l i p s 公司的a r m 7 芯片l p c 2 2 9 2 为核心，对电源供应 电路、存储器电路、通信接口电路、l e d 显示电路等设计做了一定的描述，并给出了 电路。第三部分是系统的程序设计，采用移植嵌入式系统并添加任务的模式来实现读卡 器的各功能。通过对软硬件的调试实现了非接触式i c 卡读卡器的硬件与软件平台的构 建。 关键字：非接触式i c 卡，读卡器，嵌入式系统 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t c o n t a c t l e s si n t e g r a t e dc i r c u i tc a r di san e wt e c h n o l o g yi ni cf i e l d ，i ti st h er e s u l to f c o m b i n i n gr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o na n di cc a r dt e c h n o l o g y i ti s c h a r a c t e r i s t i co ff a s t o p e r a t i o n ，s t r o n ga n t i - j a m m i n g ，w o r k i n gm e t h o do fc o n t a c t l e s s ，h i g hs e c u r i t y , v a r i o u s a p p l i c a t i o n s n o w c o n t a c t l e s s i n t e g r a t e d c a r d sh a v eaw i d em a r k e ta n da b s o l u t e p r e d o m i n a n c ei na r e a so fa u t o m a t i cc h a r g i n g ，i d e n t i f i c a t i o na n de l e c t r i c a lp u r s e c a r dr e a d e r s o fc o n t a c t l e s si n t e g r a t e dc a r da r et h ep i v o t a ld e v i c ei na p p l i c a t i o ns y s t e m so fc o n t a c t l e s si c i nt h i sa r t i c l e ，w ed e s i g n e dac a r dr e a d e ro fc o n t a c t l e s si cw h o s es e n s i t i v ei s10 c m i tc a nb e u s e di nl e c t r i c a lc o n s u m p t i o n ，s u c ha st h es a l e si ne a t e r y , e l e c t r i c a lt i c k e t si nt r a n s p o r ta n d u n d e r g r o u n dr a i l w a y t h i sp a p e rf i r s ts t u d i e st h eb a s i ct h e o r i e su s e di nt h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h et h e o r i e so f r f i dt e c h n o l o g y , a r mp r o c e s s o ra r c h i t e c t u r ea n de m b e d d e ds y s t e m t h e nt h ed e s i g no f c o n t a c t l e s si cc a r dr e a d e ri sp r o v i d e db a s e do nt h e s et h e o r i e s i ti ss e p a r a t e di n t ot h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h ec a r dr e a d e r , t r a n s c e i v e rm o d u l eo fp h i l i p sh i g hi n t e g r a t i o n c o n t a c t l e s sc h i p sm fr c 5 0 0a n dt h ed e s i g n i n gr ft r a n s c e i v e rm o d u l e ，i n t e r f a c ec i r c u i t d e s i g nf o rr fc h i pt od oad e t a i l e dd i s c u s s i o n t h es e c o n dp a r ti n t r o d u c e st h ec o r ec o n t r o l m o d u l e ，w h i c hu s e sp h i l i p sc o m p a n yl p c 2 2 9 2a r m 7c h i p sf o rc o r e ，t h ep o w e rs u p p l y c i r c u i t ，t h em e m o r yo ft h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ，t h el e dd i s p l a yc i r c u i t t h e s e d e s i g n sa r ed e s c r i b e da n dt h es c h e m a t i cd i a g r a mi sg i v e n t h et h i r dp a r ti n c l u d e st h es y s t e r n v s p r o g r a m m e r , a n di tt a k e st r a n s p l a n te m b e d d e ds y s t e ma n dt h r o u g ht h em o d e lo fa d d i n gt a s k t oa c h i e v et h ef u n c t i o n so fr e a d e r c o n s t r u c t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h e c o n t a c t l e s si cc a r dr e a d e ri si m p l e m e n t e dv i ad e b u g g i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d ：c o n t a c t l e s si n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ，c a r dr e a d e r , e m b e d d e ds y s t e m i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 叫年月堋 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 扣o q 年6 月楣 硕士论文基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器设计 1 绪论 1 1 非接触式i c 卡发展历程【1 】【2 】 非接触式i c 卡( c i c c - - - c o n t a c t l e s si n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 也称为无触点集成电路 卡、射频卡或非接触式智能卡。早在1 9 6 8 年，德国的j u r g e nd e t h l o f f 和h e l m u tg r o t r u p p 就提出将集成电路装入身份识别卡中的想法，并于同年获得专利授权。1 9 6 9 年1 2 月， 日本的k u n i t a k aa r i m u r a 提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于19 7 0 年获得专利 授权，当时被称为识别卡或d 卡( i d e n t i f i c a t i o nc a r d ) 。然而，在当时，他们仅仅是提 出把集成电路芯片装入卡中，并没有具体给出完整的应用方案。直至1 9 7 4 年，法国的 罗兰莫雷诺( r o l a n dm o r e n o ) 的工程师提出了将一个集成电路芯片嵌装于一块塑料基片 上构成一张存储卡的想法，并按此方法做出了一张卡片，这是世界上第一张i c 卡。1 9 7 7 年6 月，c i i - h o n e y w e l lb u l l 公司将4 k b i t 的m o s 存储器引入芯片，形成了存储型i c 卡的雏形。1 9 7 8 年，第一张采用s i e m e n ss i k a r t 集成电路芯片的i c 卡身份识别及交 易卡( i d e n t i f i c a t i o na n dt r a n s a c t i o nc a r d ) 诞生了。1 9 7 8 年，四家法国银行向c i i h o n e y w e l l b u l l 公司提出了一份有关对存储型i c 卡需求的简报，并希望他们能够制造出符合商务 交易需求的i c 卡。1 9 8 0 年3 月，法国存储卡研究组织( m e m o r yc a r dg r o u p ) 正式成立。 同年7 月份，存储卡研究组织正式接收c i i h o n e y w e l lb u l l 、f l o n i c s c h l u m b e r g e r 、p h i l , s 三家公司为i c 卡制造商。1 9 8 0 年1 1 月，第一张装有c p u 的i c 卡( c a r d i a cp a c e m a k e ru s e r i d e n t i t yc a r d ) 诞生，卡中装有c p 8 微处理器，由c i i h o n e y w d lb u l l 公司制造。1 9 8 4 年法国的p p t ( p o s t s ，t e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e s ) 将i c 卡用于电话卡，由于i c 卡具有良好 的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织( i s o ，i n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n f o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 与国际电工技术委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 的联合技术委员会为i c 卡及相关技术指定了一系列的国 际标准和规范，极大地推动了i c 卡的发展历程。 早期的i c 卡为接触式卡( c o n t a c tc a r d ) ，即：卡片与读写器闻的信息和能量传递 只能通过机械式电触点进行。随着应用规模的扩大和范围的拓展，卡片与读写器双方这 些裸露且存在互相位移的机械式电触点的易受污染、腐蚀和磨损等不良因素既影响工作 可靠性、又增大维护难度的缺陷日益明显；而卡片的插拔的方向性要求和耗时，更大的 制约了其使用的方便快捷性，尤其对于老人、小孩和残疾人，甚至限制阻碍了其在环境 恶劣、流动性大，但对使用的快捷便利性要求较高的公共交通和通道控制等诸多领域的 应用。而另一方面，这些深入人类生活各个方面的非金融应用市场，却呈现出越来越诱 人的灿烂前景，于是，寻求解决上述难题的途径和办法，成为世界各大电子公司竞相追 逐的目标。以致从2 0 世纪9 0 年代中期开始，建立于现代微电子技术和8 0 年代已经蓬 l 1 绪论 硕士论文 勃发展的射频识别( 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 ) 技术之上的各种非接触式i c 卡( c i c 叫o n t a c t l e s si n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 应运而生。 当前，世界上生产i c 卡的企业主要有s i e m e n s 、a t m e l 、m o t o r o l a 、b u l l ( 法国布尔 公司) 、s c h l u m b e r g e r ( 法国斯伦贝谢公司) 、i s s i 、s t m i c o r o e l e c t r o n i c s ( 意法半导体有 限公司) s a m s u n g 、p h i l i p s 、t o s h i b a 、h i t a c h i 等公司。国内i c 卡及相关产品的生产企 业主要有上海复旦微电子股份有限公司、深圳市明华澳汉科技有限公司、北京握奇智能 科技有限公司、北京航天金卡电子工程公司、北京大唐微电子技术有限公司、上海贝岭 股份有限公司、上海华虹集团有限公司等。中国i c 卡产业起步虽晚，但发展迅猛，通 过引进先进的i c 卡封装生产线，在短短的几年间，整体生产能力达到2 亿张左右。全 国i c 卡应用装置的开发和系统集成厂商也达到5 0 0 多家左右。 金卡工程作为中国信息化建设的起步工程之一，于1 9 9 3 年启动实施。随着金卡工 程建设的不断深入发展，i c 卡的应用领域不断的扩展，目前己经建立起一条完整的i c 卡产业链，各类i c 卡，i c 卡读写器等产品已经占据了国内市场8 0 以上的份额，新兴 的i c 卡产业已经成为国民经济新的持续增长点。 1 2 非接触式i c 卡的主要特点 由于非接触式i c 卡与读写器间的通信是借助“空间媒介电磁波进行，不存在机 械运动机构和电触点。因此，在保留接触式i c 卡原有的优点的同时，又具备如下诸多 优点【3 1 。 ( 1 ) 操作便利快捷 无需拔插卡，将卡片靠近或掠过读写器表面，即完成操作，使用及其方便。 ( 2 ) 可靠性高，寿命长 卡片与读写器间无机械接触和位移，故不存在接触式读写器可能出现的各种机械故 障；卡与读写器均无裸电触点，无需担心触点损坏和脱落所致之卡片失效；卡与读写器 均为全封闭防水、防尘结构，既避免了静电、尘污和水汽等对卡和读写器的影响，可以 防止粗暴插卡，异物插入读写器插槽以及因读写器“吃卡”而致使用户恼怒之极对之报 以拳脚等认为破坏现象。这些都将大大提高卡片乃至机具的可靠性和使用寿命。 ( 3 ) 防伪性好 卡上拥有一由制造商在产品出厂前固化于芯片的3 2 1 5 2 位字长序列号，一旦写入 即永远不可以更改，且世界唯一。 ( 4 ) 安全性好 卡与读写器可采用3 次相互确认的双向验证机制，在读写器验证卡的合法性的同 时，卡也对读写器的合法性进行检验。通信数据可加密，以防止型号截取。卡内各存储 区可拥有自己的操作密码和访问条件，以防止未授权非法访问，并实现芯片传输密码保 2 硕士论文基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器设计 护。 ( 5 ) 抗干扰能力强 可建立防冲突( 反碰撞，a n t i c o l l i s i o n ) 机制，同一时间“同时”处理多张卡，且 不出现相互间的数据干扰。 ( 6 ) 一卡多用 用户根据自己自身需求、灵活定义个存储区的密码和访问条件，以便互不影响地分 别满足不同场合、不同用途的需求。 ( 7 ) 隐蔽性 必要时可将读写器安装于非金属的建筑物体内，以防止人为攻击和环境损坏，又可 以兼备安全防卫和管理控制等所需要的隐蔽性。 1 3 非接触式i c 卡读写器国内外现状 目前国内非接触式i c 卡读卡器按照应用的场合不同出现全面发展的趋势，有读写 器模块、便携式读写器、超高频读写器、高频读写器、双频标签读写器、微波读写器、 低频读写器等各种各样的产品供应。这些产品有适合近距离读写、有适合远距离读写的。 他们都有一个共同的特点，同质化严重，各种产品之间的差别不大，性能也相似，基本 上都采用读卡器芯片加单片机的结构，而核心技术并不在自己手上，缺乏成套系统的自 主知识产权。 读卡器的核心部件读卡器芯片的控制权掌握在国外公司手中，整个读卡器市场的利 润的最大一块也被国外公司如t i 、n x p 等芯片厂商拿走。而且随着市场的发展，这些 国外公司在加强对整个非接触式i c 卡系统的控制，而且不断的有新的实力雄厚的公司 加入这一行，如s t ( 意法半导体) 等觊觎这一发展迅速的市场。t i 公司提供从读卡芯片、 读卡模块、读卡器、电子标签、系统应用等一整套设备及服务。n x p 提供读卡芯片、 电子标签等核心部分给下游厂商，牢牢控制着市场的主动权。不过欣慰的是，我国在非 接触式i c 卡技术的研究方面发展很快，在非接触式i c 卡技术研究及产品开发方面国内 已具有了自主开发低频、高频与微波的电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。 目前国产核心芯片，电子标签芯片也出现在了市场上与国外巨头争夺市场。复旦微电子 研制的f m l 7 x x 系列读卡器专用芯片可以和n x p 公司的m f r c 5 0 0 、m f r c 5 3 1 、 m f r c 6 3 2 管脚兼容，f m l1 r f 系列非接触i c 卡芯片容量从5 1 2 位到3 2 k 位，适合大 部分应用场合【4 】【5 】。 随着技术的进步，读卡器会朝着多功能如条码识别、无线数据传输、以太网传输等 方向发展，读卡器的成本也会越来越低，同时阅读器将实现多制式多频段兼容、多功能、 多制式、小型化、模块化、嵌入式方向是读卡器发展的趋势。本文中的读卡器是符合这 一发展方向的尝试，具有多接口，可扩展的特点 6 】。 3 1 绪论 硕士论文 1 4 选题背景及课题任务 本课题的背景是校园一卡通系统收费终端的应用，随着科学技术的飞快发展，社会 的日益信息化，技术的不断革新，要求的不断提高，需要设计出一个扩展功能丰富，性 能更加稳定的，具有友好人机界面的嵌入式智能终端，来取代现在市场上的基于51 单 片机的收费终端。本读卡器必须简单易用，为了实现网络数据的传输，必须具有相应的 接口。因此对本读卡器的要求是人机交流界面友好，具有扩展接口可实现网络接口功能。 1 5 本文的结构安排 本文研究和设计的主要对象是基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器。 第1 章绪论 主要是介绍课题的意义，非接触式i c 卡及非接触式i c 卡读卡器在国内外应用与发 展的一些情况。 第2 章射频识别技术及理论 主要对射频识别技术的发展情况和系统的组成分类作了进一步的阐述，较全面地概 括了射频识别系统的基本概况。 第3 章a r m 处理器体系结构 主要对a r m 处理器作了简要概述，从a r m 技术的发展历程来对a r m 处理器做 了阐述，然后简要叙述了下a r m 的体系结构，指令系统，最后从实际的应用选型角度 考虑，分析如何选择基于a r m 核的芯片组建嵌入式硬件系统。 第4 章读卡器硬件电路设计 这一章是本文的核心章节，重点介绍了读卡器的硬件电路设计。包括m c u 模块、 射频芯片模块、天线、通信模块、电源模块等硬件电路设计。 第5 章读卡器系统软件设计 在读卡器硬件基础上，对系统的软件框架作了分析。然后对读卡器所使用的i 上c o s i i 操作系统作了简单的介绍，并详细叙述了i 上c o s i i 的移植。重点介绍了射频芯片 r c 5 0 0 的指令系统，部分程序设计以及软件流程。 第6 章总结 总结全文并进行展望，归纳了课题研究过程中的成果与不足。 4 硕士论文 基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器设计 2r f i d 技术及理论 r f i d 的全文是“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 ，直译成中文是“无线射频识别系 统，还有其他很多的称呼像是“无线i c 标签 、“射频识别标签技术 、“电子标签 、 “感应卡 等等，是一种透过无线电波来做到非接触的资料存取( a c c e s s ) 的技术，通过 无线通讯( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 结合资料存取技术( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) ，再连结 背后的资料库系统，形成一个庞大且串连在一起的系统。 正是射频识别技术的大力发展，使之能够与i c 芯片的发展相结合，将很多技术应 用到i c 芯片中，促进了非接触式i c 卡的产生及迅猛发展。正是非接触式i c 卡的大量 运用，因此有时射频识别技术就是指非接触式i c 卡的应用系统，因此本章将简略介绍 一些射频识别技术的相关知识，以利用进一步了解非接触式i c 卡的原理和应用系统结 构。 2 1r f i d 系统的结构 r f i d 技术是指一种非接触式的自动识别技术，基本原理是利用无线射频识别信号 的空间耦合( 电磁感应或者是电磁传播) 的传输特性，实现对被识别对象的自动识别。 r f i d 系统通常由电子标签、读写器、计算机通信网络三部分组成的，图2 1 是r f i d 系 统( 射频识别系统) 的结构框图【刀。 射频读卡器 射频识别标签 电源卜 能量 射 时钟 控 存 天频制 储 线模 数据 模 时钟卜 块 檠冬 块 器 射 频天 读 模线 块 一 写 模 一 一 块 数据 输出 - ( 1 ) 电子标签 图2 1r f i d 系统的结构框图 5 2 r f i d 技术及理论 硕士论文 电子标签存储着需要被识别物品的信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所存 储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式读写获取。 ( 2 ) 读写器 读写器是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备。读写器读出的电子标签信 息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。 ( 3 ) 计算机通信网络 在射频识别系统中，计算机通信网络通常用于对数据进行管理，完成通信传输功能。 读写器可以通过标准的接口与计算机通信网络连接，以便实现通信和数据传输功能。 2 2r f i d 系统的电子标签读卡器间能量传输 载频1 3 5 6 m h z 的标准r f i d 系统属于近场识别范畴，此时之电子标签一读卡器 通信可简单的归纳为两种类型信号传输：能量传输和信息( 即数据) 传输。前者是单向 的，传输方向只能是“读写器一电子标签”；后者是双向的，存在由读卡器至电子标签 的“写”和由电子标签到读卡器的“读 两个方向的操作。此节先介绍前者 1 】。 鉴于非接触式i c 卡系统选取1 3 5 6 m h z 载波的波长为( 3 x 1 0 8 m ) ( 1 3 5 6 x 1 0 6 ) 2 2 m ， 较电子标签与读写器天线间的距离大许多倍，则可将电子标签和读卡器间的电磁场视为 简单交变磁场，电子标签和读卡器间的耦合关系理解为以读写器天线为初级线圈、电子 标签天线为次级线圈的变压器耦合。正是这种耦合，确定了电子标签和读卡器双方特有 的结构形式，因此，对耦合方式的了解是理解r f i d 系统原理和结构的前提，该部分的 内容实际上也是相关国际标准的主要内涵。 i s 0 7 8 1 0 国际标准的i d 1 规范对于电子标签的厚度的限制和超薄电池的实用化还 有待时日的现状，使得当今所有标准非接触式i c 卡都只能是无源式电子数据载体，芯 片所需要能量都必须经天线耦合，由读卡器的交变磁场即射频( r f ) 能量场“感应 获取，如图2 2 所示。 6 图2 2 以电感耦合方式给非接触i c 卡供电 读写器的天线线圈l 1 与电容c i 组成的l c 并联谐振回路，其谐振频率与工作( 即 硕士论文基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器设计 发射) 频率相符，以增大读写器天线电流，提高磁场强度，改善电子标签和读卡器间耦 合效果。 电子标签的天线线圈l 2 与电容c l 组成具有相同谐振频率的振荡回路，此谐振也 有利于改善耦合效果即能量传输效率。 从理论上讲，电子标签谐振频率与读写器谐振频率的精确一致，是提高耦合效果的 最佳选择，他们之间的任何差异都将降低系统性能，严重时甚至可能发生“零调制”( 电 子标签和读卡器间谐振频率的失配将导致读写器载波信号与电子标签返回的调制信号 问的相移，当此相移达到9 0 0 时，两信号将相互抵消，调制信号丢失) ，导致电子标签 电源电压减小，信号丢失；但实践中并非总是如此，原因如下所述。 ( 1 ) l c 元件制造和安装精度的有限性将导致实际l c 参数乃至二谐振频率的偏差和 差异。为此，部分芯片制造商在电子标签芯片中附加了微调电容器，以便在生产时通过 对这些电容器的针对性接通和断开，调整电子标签谐振频率，减小次偏差，实现电子标 签和读卡器间的谐振频率的匹配。该手段也可用于读写器的l c 振荡回路，通过增加或 减少附件电容的方法，实现读写器谐振频率的最佳化。而另一些电子标签芯片( 如a t m d 公司的t e m i e 系列r f i d 中的e 5 5 6 0 5 5 6 1 加密读写应答器) 则具备自适应调谐功能：芯 片每次进入r f 场( 即上电复位) 时，均可自动转接与其l c 振荡电路并联的片上电容， 将自己的谐振频率调整至读写器的谐振频率，则即便读写器谐振频率稍有变化或者同一 电子标签用于谐振频率有异的多个读写器，电子标签芯片也能自动选取最佳的谐振频 率。 ( 2 ) 技术的原因要求人为使电子标签谐振频率稍高于读写器谐振频率。譬如，鉴于 同时出现在同一磁场且相互靠近的两个电子标签的共同谐振频率，总是低于单个电子标 签的谐振频率。因此，在具备反碰撞功能要求的1 3 5 6 m h z 系统，常常将电子标签谐振 频率提高几个百分点为1 5 1 8 m h z ，以减小这类影响。 电子标签和读卡器间的能量传输效果不仅受肘子读写器的场频、天线线圈匝数和环 绕面积，且与线圈电流有关( 与调制方式等也有关) 。因此，在降低天线驱动级功耗的 同时，适当提升其电源电压和输出功率，常常是增加场强，扩大能量和数据传输距离的 有效途径。 2 3r f i d 系统的电子标签读卡器间信息传输 读写器与电子标签间的信息传输是一种建立在已有数字通信理论和技术基础之上 的电感耦合式半双工数字通信。图2 3 即为数字通信的系统模型，其中： 7 2 r f i d 技术及理论 硕士论文 发送端接收端 图2 3 数字通信系统模型 信源是拟传输的原始信息( 数据) ，即基带信号；信宿为信息传输的终点，与信源 对应。在非接触式i c 卡应用系统，他们即为电子标签和读卡器双方的存储区。 信道是信息传输的路径和空间，对标准非接触i c 卡系统，只能是以电磁波为媒介 的无线信道。 信源编码又称压缩编码，其作用是使模拟信号数字化和以相应形式编码表示二进制 数“1 和“0 。对其基本要求是：在保证一定传输质量的前提下，用尽可能少的数字 脉冲表示信源的基带信号，以提高信号传输有效性。 信道编码又称纠错编码，其作用是在信源编码输出信号中，按相应的规则增添若干 位纠检错信息，形成对应至信息编码输出，以便接收端可按此发现和纠正信号在信道传 输中出现的错误，保证通信的可靠性。 调制的作用是鉴于将基带信号直接送至信道的基带传输只能使用有限信道，且传输 距离有限，因此，将基带信号调制到高频载波信号上形成频带信号后，再送人有线或无 线信道，已实现信号的远距离频带传输。 接收端的信源解码，信道解码和解调是分别与发送端信源编码，信道编码和调制相 对应的反变换。 2 3 1 编码类型 数字通信系统有信源编码和信道编码两类编码。前者以提高信息传输的有效性为目 标，即力求在保证一定的传输质量的前提下，尽可能减少传输信息冗余度( r e d u n d a n c y ) ； 后者的作用则在于降低误码率，提高可靠性。由发送端在拟传输信息序列加入与之存在 某种约束关系的若干位监督码( 纠检错信息) ，接收方则根据接收信息中这种关系被破 坏与否来检查传输错误乃至纠错。显然，由于其增大了传输信息的冗余度，因此其提高 可靠性的代价是牺牲传输有效性。 现在对二类编码分别介绍如下 8 】。 2 3 1 1 信源编码 数字通信系统所需要的所有传输信息都是以二进制数“0 和“1 ”表示的脉冲序列， r 硕士论文基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器设计 在送入信道发送前，往往要先对之进行信源编码，以形成相应的传输码。由于传输信道 的特性差异和不同场合对传输指标的不同需求，这类编码即“0 ”和“1 ”的表示形式常 常也不同。常用的数字信号编码有不归零( n r z ) 编码、曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码 和差、曼彻斯特( d i f f e r e n t i a lm a n c h e s t e r ) 编码、米勒编码。 ( 1 ) n r z 编码 n r z 编码是基带信号的最简单表示形式，在这类编码的每个码元周期中，信号电 平均保持不变。其包含单极性n r z 码和双极性n r z 码两种形式： 单极性n r z 码用信号波形的零电平和正( 或负) 电平分别表示逻辑“0 和“1 。 特点是脉冲极性单一，脉冲宽度与码元宽度等同，传输信道中有较大直流分量。 双极性n r z 码则用脉冲的正负极性表示逻辑“o 和“l 。特点是脉冲宽度与码元 宽度等同。当“0 和“l 的出现概率相同时，无直流分量，抗干扰能力强。 ( 2 ) 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码亦称为裂相编码或双向码。每一码元均被分成互补的两半部分：单前 一半为高电平时，后一半必须为低电平，表示逻辑“1 ；当前一半为低电平时，后一 半必须为高电平，表示逻辑“0 。特点是每个码元的中心均存在电平跳变，若无跳变 则视为异常。在i s o i e c l 4 4 4 3 中的t y p ea 类型非接触i c 卡的反碰撞检测中，正是利 用此特性，且其传输中无直流分量。缺陷是频带占用为原二进制码的两倍。 ( 3 ) 差分曼彻斯特 差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一种修改格式。其不同之处在于：每位的中间 跳变只用于同步时钟信号；而0 或1 的取值判断是用位的起始处有无跳变来表示( 若有 跳变则为o ，若无跳变则为1 ) 。这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表 示，因而始终能保持直流的平衡。 ( 4 ) 米勒编码 米勒编码又称为延迟调制码。在码元中点的电平正和负跳变均表示逻辑“1 ，无 跳变表示逻辑“0 ，前后码元交界处的电平正和负跳变则表示连续的“0 。特点是频 带占用窄。 r f i d 有关的信源编码方式还有变形米勒编码，差分编码，脉冲间隔编码脉冲位置 调制编码等，就不作详述了。 2 3 1 2 信道编码 信道编码又称差错控制编码、抗干扰码和纠错码，是数字通信差错控制理论和技术 的核心；用于克服信息传输过程中，由于系统特性不理想和信道噪声干扰引起的错误。 相对于接触式i c 卡，非接触式i c 卡的卡机通信环境要恶劣很多，其传输信道 电磁波极易成为各种噪声的耦合途径，因此对通信的差错控制常常有较高的要求，以致 不得不大量借助通信领域的已有技术和成就。此处仅围绕非接触i c 卡这个主题，首先 9 2 r f i d 技术及理论硕士论文 对数据传输的错误类型和数字通信差错控制的分类方式做简要概述，然后再介绍3 种出 现较早，且在非接触i c 卡系统得以大量应用的差错控制编码方式【9 】。 1 数据传输错误类型和差错控制方式分类 数据传输错误可分两种形式：随机错误和突发错误。其中，随机错误又称独立错误， 各出错码元的错误相互独立，互无关联，一般不会成片出现，对应信道称为无记忆信道 或随机信道；而突发错误的前一码元错误则可能影响后续码元的准确性，导致误码的成 片密集出现，对应的信道称之为记忆信道或突发信道。不过，由于实际信道的复杂性， 这两种错误往往并存同一信道，只不过有得信道以其中一种错误为主罢了。数字通信系 统的差错控制方式有图2 4 所示之四种类型。 一f e c 二幽o - - - - # q l 笔罢一 一吨 兰兰= 罢姆 哺票- - - - - - - - o 图2 4 差错控制基本类型( 有斜线的方框表示在该端检出错误) ( 1 ) 检错重发( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q 又称判别反馈和反馈纠错。发送端对数据分组编码，使所有编码具备一定的检错能 力。接收端进行无错判别，并通过反馈信道将判别结果送至发送端。发送端则将接收端 认为出错的的信息再次重发，直至接收端确认无误。优点，所需要额外码元少，即信息 冗余度小，设备复杂性和成本低，因此在非接触式i c 卡系统有较多应用；缺点：需要 反馈信道，强干扰场合的通信效率低，由于反馈的重复的随机性，不适宜实时通信。 ( 2 ) 前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i n g ，f e c ) 发送端对数据编码，使所得编码具备一定纠错能力。接收端按编码规则自动检测出 错位置并纠正。优点：无须反馈信道，解码延时小且固定，适宜实时通信；缺点：所需 额外码元多即信息冗余度大，传输效率低，解码设备复杂。 ( 3 ) 混合差错控制( h y b r i de r r o rc o n t r o l ，h e c ) 为a r q 和f e c 方式的综合。发送端发送的码同时具备纠错和检错功能，如果传输 错误未超出码的纠错能力，接收端自动纠错，若错误超出码的纠错能力，按a r q 方式 l o 硕士论文 基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器设计 请求重发。该方式是保证通信实时性且适当降低解码设备复杂性和成本的一种折中选 择。 ( 4 ) 信息反馈( i n f o r m a t i o nr e p e a tr e q u e s t , m q ) 也称回程校验，是一种与信道编码无关的差错控制方式。接收端将收到的数据序列 通过反馈信道全部送回发送端，由发送端进行发出数据和反馈数据的比较，以确定出错 与否，并重发被认定出错数据，直至不再发现错误。优点：无须进行纠、检错的编码 解码，设备简单；缺点：数据的来回传输导致延时大，实时性差，受扰出错的可能性增 大，甚至出现发送数据无错却因反馈数据出错而导致误判重发。因此，仅适宜传输速率 和信道差错率均较低的系统。 上述方式除m q 外，前三种差错控制方式均需要采用相应之差错控制编码即信道 编码，以实现传输错误的检测和纠正。下面，介绍3 种应用最普遍的差错控制编码。 2 奇偶校验码 奇偶校验码( p a r i t yc h e c kc o d e ) 是一种最简单，应用也最广泛的检错码，其编码和 校验规则为：发送端首先将欲传输数据序列分组，然后在等长的每个数据组后增加一位 校验位。譬如，将i c 卡系统的每个字节( 8 位) 作为一组，为之生成为一校验位并附 于该字节后并发送( 每字节实际发送9 位) 。 校验位的取值规则为：在奇校验时，若数据组含“1 个数为奇数，则校验位取 “0 ”；否则取“1 。在偶校验时，若数据组含“1 个数为奇数，则校验位取“1 ； 否则取“o 。即使包括校验位在内的各分组含“1 个数在奇校验时始终为奇数，在偶 校验时始终为偶数。 这种方法的优点是简单易实现；缺点是只能检测奇数个错误，对偶数个错误无效， 且不能确定出错位位置，以致只能检错不能纠错。由于奇数个随机错误的出现概率远大 于偶数个随机错，则该方法在以随机错为主的计算机通信系统有较多应用，但在突发错 误较多的信道中，不宜单独使用。 3 纵向冗余校验 纵向冗余校验( l o n g i t u d i n a lr e d u n d a n c yc h e c k ，l r c ) 亦称x o r ( l o g i c a l e x c l u s i v e o ro p e r a t i o n s ) 校验或者累加和校验，是一种主要用于数据传输的差错检测 编码。操作过程为：发送端对拟传输的所有数据字节进行按位逻辑异或( x o r ) 计算， 所得校验和附于传输数据后一并发送；接收端对接收信息序列所有字节( 包括数据及校 验和) 进行相同之逻辑异或计算。如果传输无误，所得新校验和应为o o h ；若其不为 o o h ，则表示存在传输错误。该方法的优点是算法简单，仅用微控制器的最常见“x o r 命令即可简单快速的实现；缺点是对传输序列中的字节交换错误无效。且不能检出偶数 个字节的同一位错误。 4 循环码 2 r f i d 技术及理论 硕士论文 循环码( c y c l i cc o d e s ) 又称c r c 码，即循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c r c ) 码的简称，是建立在现代代数理论基础之上的一种线性分组码。在数据发送端， 根据c r c 算法原理、计算得到发送时的c r c 值，将该值填充到数据帧的c r c 字段： 在接收端，根据接收到的数据帧计算c r c 的值，并将计算得到的值与接收到来自发送 端的c r c 值进行比较。如果两个值一样，则数据准确；如果数据不一样，则数据出错。 这样，通过采用c r c 就可以实现差错检验。循环码的纠错能力强，但算法却相对简单， 因此较适宜存储空间有限的非接触式i c 卡采用。但是最大的缺点是计算缓慢。该算法 最初是为硬件实现所设计，采用软件实施时，将因该计算所需之逐位移位，而使耗时过 长。 2 3 2 数字信号的调制与解调 电磁波的三个特征是幅度、频率、相位，这三个特征都可以被改变从而产生各种不 同的信号波形，这就是调制过程。未被改变的电磁波称为载波，顾名思义就是可以加载 信号的电磁波。由于电磁波有三个特征，于是改变幅度的调制方法称为振幅调制简称调 幅；改变频率的调制方式称为频率调制简称调频；改变相位的调制方式称为相位调制简 称调相。还有其他的一些调制方法由这三种基本调制方法衍生出来，有的同时调制其中 两个特征。r f i d 系统采用的调制方法是a s k ( 振幅键控) 、f s k ( 频移键控) 和p s k ( 相移 键控) ，其中a s k 的使用最广，本读卡器既是采用这种调制方式【8 】 1 0 】 1 1 1 。 ( 1 ) 振幅键控( a s k ) 振幅键控( a s k ) 调制方式实现起来比较简单，当需要表示二进制1 时，使载波的 幅值为1 ，当需要调制出二进制数0 时就改变载波的幅值为0 ，这样一串二进制编码就 对应为载波幅值的对应1 或0 ，如下图2 5 所示： 八八八八八八。 v ，vv。 l v 。vu 7 图2 5 典型a s k 脉冲信号 ( 2 ) 频移键控( f s k ) 这种按照编码o 或1 的不同规定两个频率给他们如规定0 的频率为f ，1 的频率为 2 f 的话，一串编码经过调制后就变成频率交替变化的波形信号，这种方式特点是抗干扰 性好，但是占用的带宽较a s k 要多。波形变化如下图2 6 所示： 1 2 硕士论文 基于a r m 的非接触式i c 卡读卡器设计 l 八 八八八八八八n 。 。l 。u 。u 州7 图2 6 典型f s k 调制信号 ( 3 ) 相移键控( p s k ) 相移键控按照数据编码的值调制载波信号的相位，如可以规定移动相位1 8 0 度表示 1 ，而不移动相位表示0 ，这样编码经过调制后就成为一串相位随着数据值变化的波形 信号。下图2 7 给出示意图形： l 八八m 。 。w 。mi 。v i 7 图2 7 相移键控的调制信号 2 3 3 读写器_ 电子标签信息传输 一个射频识别系统要完成数据的传送有两个部分：( 1 ) 阅读器中的数据信号需要进行 编码，编码后经过调制由天线转换成载有数据的载波信号发送出去。( 2 ) 电子标签接收 到载波信号后对信号进行解调，得到编码的数据，然后再通过译码过程得到传输的原始 数据。简单来说就是信号的解码调制与解调译码过程，数据通过这个过程后就传送给了