（测试计量技术及仪器专业论文）远距离rfid读卡器设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 射频识别( r f i d ) 技术是一项利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实 现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。近些年来，射频识别系统 的应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的很多方面。 本论文源自与上海贝岭股份有限公司的合作项目，设计出一款远距离r f i d 读卡器， 该读卡器要求可以实现对t a g i t 和i - c o d e l 两种射频标签进行操作。根据项目参数要 求，在硬件方面，进行了射频读写模块电路设计、微控制单元电路设计( 微控制器选用 w 7 8 e 5 8 b ) 、串行通信电路设计、射频输出功放电路设计、射频输入信号处理电路设计 和天线设计。其中功放电路和天线为硬件电路设计的关键部分。功放部分设计了a b 类 两级功率放大电路，实现对两种射频标签的通信射频信号进行功率放大，并且设计出合 理的阻抗匹配网络来保证功率三极管获得稳定的工作状态。设计中使用的两种射频标签 均为无源标签，读卡器需要通过天线实现与标签之间的通信，而且必须通过天线为射频 标签提供电源。论文中根据变压器耦合原理设计出一款小型环形天线，该天线不但实现 了单天线收、发数据的功能，而且具有较高的发射效率以保证标签正常工作所需的电源。 对于天线接收到的标签响应信号，设计中首先使用二极管检波电路解调出副载波调制信 号，然后将副载波调制信号进行放大再调制到1 3 5 6 m - i z 的载波上，从而使处理后信号 的强度和调制度满足射频读写模块的要求。在软件方面，采用了m c s 一5 1 汇编语言进行 射频物理层软件的开发，这部分软件完成的主要功能是通过对射频读写模块的控制实现 了对射频标签的操作。 本设计实现了兼容两种射频标签的指标，对两种标签的操作距离均达到7 0 c m ，并 且实现了单天线完成射频信号收、发的功能。已经交付项目合作方使用，根据合作方的 反馈信息，证明本设计的性能稳定可靠。 关键词：射频识别；读卡器；射频标签；天线 郭帅：远距离r f i d 读卡器设计 t h ed e s i g no fl o n gd i s t a n c er f i dr e a d e r a b s t r a c t 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 d ) i so n et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n ， w h i c hi su s e dw i ma l t e r n a t i v em a g n e t i cf i l e dt or e a l i z ec o n t a c t l e s sc o m m u n i c a t i o n i nt h el a s t s e v e r a ly e a r s ，t h ea p p l i e df i e l do fr f i dt e c h n o l o g yh a sb e e ne x t e n d e ds u r p r i s i n g l y t h ep a p e rh a sd e s i g n e do n ek f i dr e a d e rf o rt a g i t t a ga n di - c o d e lt a g t h ed e s i g n o f h a r d w a r ei n c l u d ed e s i g no f r fr e a d w r i t em o d u l e ，d e s i g no f m c u c i r c u i t ，d e s i g no f s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，d e s i g no fr fp o w e ra m p l i f i e r ( p a ) ，d e s i g no fr fs i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i ta n da n t e n n ad e s i g n d u r i n gt h o s ep a r t s ，t h ed e s i g no fr fp aa n da n t e n n ad e s i g na r e k e yp a r t s t h ep ac i r c u i tw a sa b l et oa m p l i f yt w os i g n a l sw i t hd i f f e r e n tt y p eo fm o d u l a t i o n a s ka n df s k b o t ht a g i tt a ga n di - c o d e lt a ga r ep a s s i v et a g s n o to n l yt h ea n t e n n ao f r e a d e rh a st os e n d r e c e i v er fs i g n a l s ，b u ta l s oh a st os u p p l yt h ep o w e rf o rt a g s b a s e do nt h e p r i n c i p a lo ft r a n s f o r m e r ，o n ea n t e n n aw a sd e s i g n e d t h er e a d e rr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fu s i n g o n ea n t e n n at os e n da n dr e c e i v er fs i g n a l s a sf o rt h es i g n a lr e c e i v e db yt h ea n t e n n a , d e m o d u l a t o rw a sd e s i g n e dt od e m o d u l a t et h es i g n a lm o d u l a t e db ys u b c a r r i e r t os a t i s f yt h e r f 刚wm o d u l e sd e m a n d sf o ri n p u ts i g n a l s s t r e n g t ha n dm o d u l a t i o nd e p t h t h es i g n a l s m o d u l a t e db yt h es u b c a r r i e rw a sm o d u l a t e dt oc a r r i e ro f1 3 5 6 m h z t h ed e s i g no fs o f t w a r e r e a l i z e dt h ef i m c t i o no f c o n t r o l l i n gt h er fr ，、vm o d u l et oo p e r a t ew i t ht h et a g s t h er e a d e rr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fo p e r a t i n gw i t hb o t ht a g i tt a ga n dl c o d e l t a g t h eo p e r a t i n gd i s t a n c ew a sa b o u t7 0 c m t h es t a b i l i t yo ft h er e f e rw a sp r o v e db yt h ea c t u a l a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：r f i d ；r e a d e r ；t a g ：a n t e n n a 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：趔：堕至q 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 勃帅 丝年监月丑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 射频识别技术概述 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 简称r f i d ) 技术是9 0 年代兴起的自动识 别技术。它是一项利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信息传 递并通过所传递的信息达到识别目的的技术【1 2 。 同传统的接触式识别技术和光学识别技术相比，射频识别技术不但可以使射频标签 和读卡器之间实现无接触，而且可以实现多个标签的防冲突操作，从而可以解决很多传 统识别技术的缺陷。例如r f i d 技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、读取 距离大、数据加密、存储数据容量更大、存储信息更改简单等特点。正是由于射频识别 技术的这些独特的优势，它正逐渐的被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输 控制管理等领域。另外随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，应用 射频识别技术的产品成本将不断降低，其应用将越来越广泛。 1 2 国内外发展及现状 1 2 1 国内外发展 r f i d 技术的发展可按1 0 年期划分如下【1 】： 1 9 4 1 1 9 5 0 年。雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术的 理论基础。 1 9 5 1 1 9 6 0 年。早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1 9 6 1 1 9 7 0 年。r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 1 1 9 8 0 年。r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试 得到加速。出现了一些最早的r f i d 应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年。p f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。 1 9 9 1 2 0 0 0 年。r f i d 技术标准化问题日趋得到重视，r f i d 产品得到广泛采用， r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 1 年至今，标准化问题日趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源电子 标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用 行业扩大。r f i d 技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无 线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的r f i d 正在成为现实。 r f i d 技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、 郭帅：远距离r f i d 读卡器设计 日本、南非目前均有较为成熟且先进的r f i d 系统。其中，低频近距离r f i d 系统主要 集中在1 2 5 k i - i z 系统；高频远距离r f i d 系统主要集中在u 讧频段1 3 5 6 m h z 、9 1 5 m h z 、 2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。u h f 频段的远距离r f i d 系统在北美得到了很好的发展；在欧洲， 有源2 4 5 g i - i z 系统得到了较多的应用，而5 8 g h z 系统在日本和欧洲均有较为成熟的有 源r f i d 系统。 我国在r f d 技术的研究方面也发展很快。在r f i d 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r f i d 电子标签与读卡器的技术能力及系统集成 能力。与国外r f i d 先进技术之间的差距主要体现在r f i d 芯片技术方面。尽管如此， 在标签芯片设计及开发方面，国内已有多个成功的低频r f i d 系统标签芯片面市。r f i d 还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但随着r f i d 在全球物流行 业大规模应用的开始，r f i d 标准的统一已经得到业界的广泛认同。 1 2 2 应用现状 r f i d 技术的应用已趋成熟。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部都得到 了相当广泛的应用。 典型的应用领域包括 2 】： ( 1 ) 铁路车号自动识别管理。如：北美铁路、中国铁路、瑞士铁路等。 ( 2 ) 车辆道路交通自动收费管理。如：北美部分收费高速公路的自动收费中国部分 高速公路自动收费管理、东南亚国家部分收费公路的自动收费管理。 ( 3 ) 旅客航空行包的自动识别、分拣、转运管理。如：北美部分机场。 ( 4 ) 车辆出入控制。如：停车场、垃圾场、水泥场车辆出入、称重管理等。 ( 5 ) 校园卡、饭卡、乘车卡、会员卡、驾照卡、健康卡( 医疗卡) 等国内、国外均 有大量应用。 ( 6 ) 生产线产品加工过程自动控制。主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上。 ( 7 ) 动物识别( 养牛、养羊、赛鸽等) 。大型养殖厂、家庭牧场、赛鸽比赛。 ( 8 ) 物流、仓储自动管理。大型物流、仓储企业。 ( 9 ) 贮气容器的自动识别管理。 ( 1 0 ) 汽车遥控门锁、电子门锁等。 目前国内r f i d 成功的行业应用有中国铁路的车号自动识别系统，其影响领域已经 涉及到铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统等。正在计划推广 的应用领域还有电子身份证、电子车牌、铁路行包自动追踪管理等 3 】。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 射频识别技术的发展前景 射频识别( r f d ) 技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面r f d 的成 功应用反过来又极大地促进了应用需求的扩展。从技术角度说，r f i 3 ) 技术的发展体现 在若干关键技术的突破。从应用角度来说，r f d 技术的发展目的在于不断满足日益增 涨的应用需求【3 。 同传统的条形码识别技术相比，射频识别技术的优势主要体现在以下几个方面【2 】： ( 1 ) 快速扫描 条形码技术在同一时间内只能对一个目标进行扫描，而射频识别系统中的k 1 f d 读 卡器可同时读取数个r f d 标签。 ( 2 ) 体积小型化、形状多样化 射频识别技术在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸 张的固定尺寸和印刷品质。此外，r f i d 标签更可往小型化与形状多样化发展，以应用 于不同产品。 ( 3 ) 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但射频标签通过采用先进的封装技 术可以对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或 外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；r f d 标签是将数据存在芯片中，因此可以免 受污损。 ( 4 ) 可重复使用 条形码在印刷之后内容就无法更改，而r f d 标签则可以重复地新增、修改、删除 内部储存的数据，从而实现了多次使用，间接降低了自身的成本。 f 5 ) 穿透性和安全性 在被覆盖的情况下，射频识别技术能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的 材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况 下，才可以辨读条形码。由于r f i d 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护， 使其内容不易被伪造及改变。 正是由于r f d 技术的这些优点，可以预计，在未来的几年中，r f i d 技术将持续 保持高速发展的势头。r f d 技术的发展将会在电子标签( 射频标签) 、读写器、系统 种类、标准化等方面取得新的进展。 郭帅：远距离r h d 读卡器设计 1 4 主要工作 本课题源于与上海贝岭股份有限公司合作的射频读卡器开发项目，开发出一款可以 兼容t a g i t 标签和d c o d e l 标签的远距离读卡器。 论文中介绍了该款远距离r f i d 读卡器的设计与实现，本人的主要工作如下： ( 1 ) 设计了射频标签读写模块电路、微控制单元电路和串行通信电路等基本组成部 分，并分析了调试过程中应遵循的一些原则。 ( 2 ) 根据i s o i e c l 5 6 9 3 协议中规定的下行射频信号( 从读卡器发给标签) 所使用的 调制方式，设计出a b 类两级功率放大电路，实现了对射频读写模块输出信号功率的放 大功能。 ( 3 ) 根据变压器耦合原理设计了读卡器天线，实现了单天线完成数据收、发的功能。 ( 4 ) 设计了射频接收电路，对天线接收到的上行射频信号( 从标签发给读卡器) 进 行检波与调制，使处理后的信号满足射频读写模块的要求。 ( 5 ) 开发了射频物理层软件，这部分软件的功能是通过对射频标签读写芯片 r i r 6 c 一0 0 1 a 的控制实现对射频标签的读写操作。 大连理工大学硕士学位论文 2 射频识别系统分析 2 1 射频识别系统原理 从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型( 初级与 次级之间的能量传递及信号传递) ，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型( 雷达 发射的电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机) 。1 9 4 8 年哈里斯托克曼发 表的利用反射功率的通信奠定了射频识别技术的理论基础口 。 射频标签与读卡器之间的电磁耦合包含两种情况 3 】：一种情况是电感耦合。在电感 耦合方式中，读卡器的天线相当于变压器的初级线圈，射频标签的天线相当于变压器的 次级，因而也称电感耦合方式为变压器方式。电感耦合方式通过空间磁场实现耦合，耦 合磁场在读卡器线圈( 初级) 与射频标签线圈( 次级) 之间构成闭合回路。电感耦合方 式是低频段近距离无接触射频识别系统的耦合方式。另一种情况是电磁耦合方式。在电 磁耦合方式中，读卡器的天线将读卡器产生的射频信号以电磁波的方式定向发送到空间 范围内，形成读卡器的有效阅读区域，位于读卡器有效阅读区域中的射频标签从读卡器 天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频标签的内部电路及标签天线将标签内存 的数据信息传送到读卡器。电磁耦合与电感耦合的差别在于电磁耦合方式中读卡器将射 频信号以电磁波的形式发送出去；在电感耦合方式中，读卡器将射频信号束缚在读卡器 电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通读卡器天线与射频标签天线之间的射 频通道，而没有向空间辐射电磁能量。 论文中研究的r f i d 读写器中心频率工作在1 3 5 6 m h z ，所操作的标签属于无源标 签。读卡器产生的射频信号通过天线辐射出电磁场，这种磁场穿过天线横界面和周围的 空间。当标签处于磁场中的时候，通过电感耦合，标签的天线线圈上产生一个电压，从 而使得标签获得了工作电源。论文中研究的r f i d 系统属于“一问一答”系统，即只有 在接收到读卡器发出的命令以后，标签才给出响应。 2 2 射频识别系统组成 射频识别系统一般由以下三部分组成p j ： ( 1 ) 读写器( r e a d e r ) 一台典型的读写器应包含射频信号发射单元器、高频接收单元和控制单元。此外， 许多读写器还都有附加的接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、u s b ) ，以便将所获的数据传输给另 外的系统作进一步的处理或存储。 ( 2 ) 标签( t a g ) 郭帅：远距离r f i d 读卡器设计 r f i d 标签是一种以无线方式传送数据的信息载体形式，它具有数据处理及安全认证 等特有的优点。r f i d 标签是射频识别系统真正的数据载体，主要由天线、谐振电容以及 i c 芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。 射频标签与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证射频标签的合法性，同时 射频标签也验证读写器的合法性；处理前，标签要与读写器进行三次相互认证，而且在 通讯过程中所有数据都加密。此外，标签中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。 ( 3 ) 天线( a n t e n n a ) 射频识别系统中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向无源标签提供能量并在读 写器和标签之间传送信息。 系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标 签进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频标签获得能量被激活；射频标签将自身 编码等信息通过标签内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频标签发送来的 载波信号传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行 相关处理；主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理 和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 在耦合方式( 电感一电磁) 、通信流程( f d x 、h i ) x 、s e q ) 、从射频标签到读写 器的数据传输方法( 负载调制、反向散射、高次谐波) 以及频率范围等方面，不同的非 接触传输方法有根本的区别，但所有的读写器在功能原理上，以及由此决定的设计构造 上都很相似，所有读写器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块( 3 。高频接口包 含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频标签并提供能量；对发 射信号进行调制，用于将数据传送给射频标签；接收并解调来自射频标签的高频信号。 读写器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发 来的命令：控制与射频标签的通信过程( 主一从原则) ；信号的编解码。对一些特殊的 系统还有执行反碰撞算法，对射频标签与读写器间要传送的数据进行加密和解密，以及 进行射频标签和读写器间的身份验证等附加功能。 射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。影响射频标签读写距离的因素包括 天线工作频率、读写器的r f 输出功率、读写器的接收灵敏度、射频标签的功耗、天线 及谐振电路的0 值、天线方向、读写器和射频标签的耦合度，以及射频标签本身获得的 能量及发射信号的强度等，大多数射频识别系统的写入距离约是读取距离的4 0 8 0 。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 射频识别系统分类 2 3 1 按工作频率分类 按照工作频率可以将射频识别系统划分为低频、中频、高频三个频段，按照频率的 不同，各个国家均制定有相应的管理规定。而工作频段的不同，也直接影响着该频段的 应用领域。在本论文中所使用的频率为1 3 5 6 m h z 即属于中频频段，目前在这个频段的 应用领域比较广泛，相应的国际标准也比较丰富( 如i s o i e c l 5 6 9 3 协议) 在协议中规 定了相应的射频标签的通信协议和通信方式，论文中研究的两种射频标签均是基于 1 5 6 9 3 协议的。在表2 1 中将各个频段的应用领域和产品特点列了出来。 表2 1 各个频段的应用领域和产品特点 t a b 2 1t h ea p p h e dr e a l ma n dt h ep r o d u c t sc h a r a c t e ro f d i f f e r e n t 丹e q e n c y 郭帅：远距离r f i d 读卡器设计 2 3 2 按工作距离分类 除了按照工作频段将射频识别系统进行分类以外，人们还经常按照读写器和标签的 耦合距离将射频识别系统分为密耦合、遥耦合和远耦合三种。这三种分类的标准如下： 密耦合：读写距离处于0 l c m 之间。 遥耦合：读写距离处于i 1 0 0 c m 之间。 远距离：读写距离在l m 以上。 本论文所研究的读写器读写距离要求在7 0 c m 左右，从严格意义上来说应该属于遥 耦合的范畴，但是由于使用的两种标签( t a g i t 、i c o d e l ) 所遵循的1 5 6 9 3 协议中定义 的操作距离可以达到l m 以上，所以在给本论文所研究的射频识别系统归类的时候我们 将它归在远距离这一类中。 2 4 射频标签介绍 2 4 1 射频标签种类 r f i d 标签依据发送射频信号的方式不同，分为有源标签( a c t i v et a g ) 和无源标 签( p a s s i v et a g ) 两种。有源标签主动向读写器发送射频信号，通常由内置电池供电； 无源标签不带电池，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自读卡器产生的电磁 波。无源标签在接收到读写器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作 的能量。表2 2 是主动式和被动式两种标签特性的比较。其中主动式标签通常具有更远 的通信距离，其价格相对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。被动式标 签具有价格便宜的优势，但其工作距离、存储容量等受到能量来源的限制。关于两种标 签的性能在表2 2 中进行了详细的对比。在本设计中使用的t a g i t 标签与i - c o d e l 标 签均为无源标签。 表2 2 有源标签和无源标签性能 t a b 2 2t h ec h a r a c t e ro f a c t i v et a ga n dp a s s i v et a g 大连理工大学硕士学位论文 2 4 2t a 6 i t 标签 t a g i t 标签符合i s o i e c l 5 6 9 3 标准。标签内部共有2 k 位的存储单元，分为6 4 块 数据【4 】。每个t a g i t 标签有一个6 4 位长唯一的号码，这个号码可以是出厂就固化在标 签中，也可以使由用户在使用时锁定的，锁定后就无法更改，从而避免了数据被非法修 改。t a g i t 标签采用f s k 调制，双副载波带宽约为1 m h z 。遵循i s o i e c l 5 6 9 3 的防碰撞 功能，可以实现多卡操作。t a g i t 标签具有一定的安全性能，存储器允许无限制读操作， 对块数据的写操作由该块的锁存位决定，块锁存位可由用户一次锁定。 射频识别应用系统由射频标签、读写器和天线组成。能量和数据的传输通过无线方 式传输。标签和读卡器天线的典型距离可达到1 2 0 c m 。r f 的通信接口允许2 6 k b i t s 的速 度交换数据，高数据传输速率科缩短操作时间。 智能的防碰撞功能使场内有多张标签的隋况下正常工作。防碰撞算法每次选择一张 标签，确保只针对一张选定的标签进行的操作正常执行，而不受其他的标签的影响。 对t a g i t 标签进行操作，读写器发送的指令在射频层使用的调制方式为调幅，这种 调制方式可以在读写器发送命令的同时为标签提供电源；标签对读写器发送数据所使用 的调制方式为双副载波调制的两级调制，电路实现为负载调制，标签数据编码形式为曼 彻斯特编码，在这种编码方式中包含有时钟信息。所谓负载调制就是把读卡器天线和标 签之间看作是变压器耦合，标签根据数据编码信号有规律地改变对读卡器天线的阻抗， 进而可以改变读卡器天线( 也即变压器原边) 上的电压，读写器检测该电压的变化就能 恢复芯片发出的数据。具体的一些特性在表2 3 中列出。 表2 3t a g i t 标签特性 t a b 2 3t h ec h a r a c t e ro ft a g i tt a g 支持标准 工作频率 调制频率 进行读操作所需场强( 2 5 ) 进行写操作所需场强( 2 5 ) 典型读写次数 数据保持时间 多卡冲突识别数量 i s o i e c1 5 6 9 3 1 3 6 6 z 双副载波：4 2 3 7 5 k h z 、4 8 4 2 9 k h z 9 4 d b u a m 9 7 d b u a m 1 0 0 ，0 0 0 次 t o 年 最多5 0 张秒( 依赖于读写器和天线的质量) 郭帅：远距离r f i d 读卡器设计 2 4 3i 0 0 d e l 标签 i - c o d e l 标签内部共有5 1 2 位e 2 p r o m ，分为1 6 个块，每块包含4 个字节。每个 字节的第零位是l s b ，而第七位是m s b ”。每个标签的号码共6 4 位，存储在第零块和 第一块内，这个号码可以是出厂就固化在标签中的，也可以由用户在使用时锁定，锁定 后就无法更改，从而避免了数据被非法修改。其次两个数据块是用作特殊用途的、存储 有控制字节的数据块，高地址的1 2 个数据块是用户数据区，可写可读，可以由用户任 意控制。在控制数据块中，用户可以通过修改其中的部分内容，来改变用户数据区的属 性，使其中一部分或全部内容被锁定。 关于i c o d e l 标签的数据块内容的锁定过程大致如下：在第二个数据块，存储标志 所有1 6 个数据块写保护属性的信息，3 2 b i t s 刚好把所有数据块的写保护属性都包括进 去。按照i s o ! e c l 5 6 9 3 协议规定的射频接口协议对标签进行操作，可以对这3 2 位的值 进行改写。若某一数据块所对应的两位全为二进制l ，则该数据块可读可写，若全为0 ， 则具有写保护，只能进行读操作。在这两位中的值不允许出现不相同的情况。存储有射 频标签序列号的两个数据块所对应的4 位，其值全部为0 ，不能改写，也就是说序列号 永远是只读的。对于控制第二个数据块读写属性的两位，改写时要特别小心，因为对这 两位的改写是一次性的，这两位的默认值是1 ，意即可以改写第二个数据块的值。一旦 改写了这两位的值，就意味着全部数据块的写保护属性是固定的，这种情况一般出现在 对射频标签中的内容一次写入后，以后将不再对其中的内容进行更改的应用场合。 对i c o d e l 标签进行操作，下行信号( 读写器到标签) 采用“1o u to f 2 5 6 ”编码方 式，调制方式为1 0 a s k ，这种调制方式可以在读写器发送命令的同时为标签提供电源， 传输速率2 6 5 k b i t s ( 快速模式) 或1 6 6 k b i r i s ( 标准模式) ；上行信号( 标签到读写器) 采用m a n c h e s t e r 编码的单副载波的负载调制吼 大连理工大学硕士学位论文 3 远距离r f l d 读卡器硬件设计 本设计中的硬件结构主要可以分为控制单元电路、串行通信电路和射频电路，其具 体结构如图3 1 所示。 由 微 射 吲检波电路怿 l 行 控 频 0 二j 信号调制 通 l j 制 读 信 厂 堕 l 写 天 电 元 模 线 路 电 块 刮引一印 路 电 路 图3 1 硬件结构框图 f i g 3 1d i a g r a mo f h a r d w a r es t r u c t u r e 3 1 射频读写模块电路设计 设计中要求可以对符合1 5 6 9 3 协议的t a g i t 和i - c o d e l 两种标签进行操作，选用 了美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t ) 公司生产的射频标签专用读写芯片r i - r 6 c 一0 0 1 a ， 具体电路如图3 2 所示。 ? 图3 2 射频读写模块电路 f i g32 c i r c u i to f r fr e a d i w r i t em o d u l e 图3 2 中的u 3 单元即为r i r 6 c 一0 0 1 a ，其标准工作频率为1 3 5 6 m h z ，时钟由一只 郭帅：远距离r f i d 读卡器设计 1 3 5 6 m h z 石英晶体y 2 提供。该芯片通过s c l o c k 、me r r 、d i n 、d o u t 共4 条数 据线与微控制单元电路进行通信。由于该芯片支持多种工作模式，所以可实现对两种射 频标签( t a g i t 标签、i - c o d e l 标签) 的一系列操作。该芯片的r e g i s t e r m o d e 模式可 以支持直接读取t i 公司生产的t a g i t 标签；另外芯片还具有d i r e c tm o d e 模式，在这 种工作模式下可以实现间接读取p h m 口s 公司的i c o d e l 射频标签。具体过程是微控 制单元电路通过直接操作d i n 线对1 3 5 6 m h z 载波进行调幅( a s k ) ，芯片同时可对收 到的a s k 信号解调，得到的信号从d o u t 线输出给电路的微控制单元，输入输出信号 均为曼彻斯特编码的基带信号【1 。 图3 2 电路中共有输出和输入两路射频信号分别与功率放大电路和调制电路相连 接。r i r 6 c 一0 0 1 a 产生的射频读写命令信号由第二脚输出，经滤波匹配网络在r f o u t 进入后面的功率放大电路。天线接收到的标签响应信号由r f i n 进入r i r 6 c 一0 0 1 a 的第 二十脚。电路中的l 1 9 和c 9 9 组成并联谐振网络，谐振频率为1 3 5 6 m h z ，对r i r 6 c 一0 0 1 a 产生的射频读写命令信号起到选频滤波的作用。c l o o 为o 1 u f 的高频耦合瓷片电容，用 于隔离漏极l c 回路的直流电压并传递交流能量到下一级电路。l 1 4 、l 1 5 、l 1 6 和c 1 0 1 组成t 型滤波匹配网络，实现r i r 6 c 0 0 1 a 芯片第二脚的开漏输出与后面电路的5 0 f l 接口阻抗相匹配。c 9 6 与c 2 0 分别为去藕电容和旁路电容。r 4 7 为r i r 6 c 0 0 1 a 射频 信号调制度设定电阻，其阻值直接影响到输出射频信号的调制深度，在这里采用1 8 f l 电 阻，调制度为2 0 。r 1 7 和c 1 0 2 为滤波电路，可以滤出标签响应信号中的一些杂波分 量。上面这些元器件的具体参数如表3 1 中所示。 表3 1 射频读写模块电路元件参数 t a b 3 11 1 1 ep a r a m e t e ro f r fr wc ：i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 这部分电路中用到了两套电源分别用标号5 v 和5 vd 表示，这是因为r i r 6 c 0 0 1 a 作为一款对数字信号和射频信号进行混合处理的芯片，其与微控制单元电路接口的部分 为数字部分，可以与微控制单元电路使用同一组5 v 电源，而r i r 6 c 一0 0 1 a 射频部分电 路如果与数字部分使用同一组电源的话，射频信号将会通过电源对微控制单元电路产生 干扰。 3 2 微控制单元电路设计 3 2 1 微控制器电路设计 本设计中的射频信号工作频率为1 3 5 6 m h z ，系统输出功率在l o w 左右，射频部分 电路对微控制单元电路会产生比较严重的干扰，所以本系统对微控制单元电路的稳定性 要求较高。另外由于在使用微控制器对r i - r 6 c 一0 0 1 a 实现射频命令调制的过程中，需要 微控制器输出9 4 4 u s 的持续信号，要求微控制器的机器周期可以在o 4 4 u s 附近，而不 至于产生较大的累计误差。具体电路如图3 3 所示。 p 0v c c p1p 00 p2p 0 1 p3p o2 i 。悖i 裂静 p4p o 3 p5 ( m 。s dp 04 蚓隳感鹾，。兰on p6 ( m s 0 ) p 05 p7 ( s c k )i 0 6 p 3 二( r x d ) e a v p p 目蹦1 ) w 啪o zf t - 6 爵v l u u 雩k x t lt f u p 31 f i x d )a l f 押r o g p 32 f 咖1p s e n p 33 ( n , r r l 、 p 27 p 34 ( 1 0 1p 26 川白旨莲 p 35(n】p2 5 p 36(wr)p24 p 37 (rd)p2 3 x n 皿p 22 x t a l lp 2 l 。i i l 一口一卜 g n dp 20 图3 3 微控制器电路 f i g 3 3c i r c u i to f m i c r o c o n t r o l l e r 图3 3 所示电路中采用了w 7 8 e 5 8 b - - 4 0 ( u 1 ) 作为微控制器，同时为了增加系统 稳定性使用了看门狗m a x 8 1 3 l ( u 9 ) 。w 7 8 e 5 8 b 最高工作频率可以达到4 0 m h z ，在 本电路中工作于2 4 m h z 时钟频率，最小指令周期为o 5 9 s ，在编程时通过对指令的仔细 校对可以较为准确的组合出射频标签读写时序。在本设计中采用w 7 8 e 5 8 b 4 0 ，其主要 郭帅：远距离r f i d 读卡器设计 优点还在于这是一款8 位通用型5 l 单片机，而且与标准8 0 5 2 单片机完全兼容。另外 该款微控制器具有3 2 k 多次可编程( m t p ) 程序r o m ，5 1 2 字节片上s r a m ( 2 5 6 字 节直接间接寻址+ 2 5 6 字节m o v xr a m ) 。w 7 8 e 5 8 b 独具特色之处在于其另外具有 4 k 字节的辅助程序存储器( a u xr o m ) ，使该单片机具有在系统编程( i s p ) 能力， 通过合理设计硬件电路和配套的固件，就可以在系统对4 k 或者3 2 k 程序存储器进行 编程，达到在线升级或更新固件的目的。正是由于w 7 8 e 5 8 b 的这些优点可以为本设计 的软硬件开发和后续二次开发提供很大的灵活性。 3 2 2 微控制器电路调试 本设计对微控制器的时钟精度有较高的要求，所以在硬件电路搭建的时候需要对微 控制器电路进行调试。本射频读写器采用读取t a g i t 标签的专用芯片r i - r 6 c 一0 0 1 a ， 兼容读取i - c o d e l 标签。r h 强c 0 0 1 a 芯片可直接支持读写t a g i t 标签，读写操作 的定时和采样工作由1 3 5 6m i - i z 时钟驱动在芯片内部精确完成，不需要用户干预，微 控制器时钟精度对读写t a g i t 标签并无明显影响。当对i 。c o d e l 标签进行兼容读取时， 要采用r i - r 6 c 0 0 1 a 芯片的d i r e c t 模式，也就是由微控制器直接操作芯片的数据引脚对 射频载波进行调制发送和接收，这时r i - r 6 c 0 0 1 a 芯片用于处理射频信号，而基带信号 的定时和采样工作要全部由单片机完成。该模式对单片机时钟的稳定性和精度有非常高 的要求，因为当单片机程序编写完成后，以单片机时钟为基本单位的采样位置就固定下 来，如果时钟频率发生偏移，采样的位置就发生偏移。在一次连续数据读写的过程中， 如果数据量较小( 例如1 5 字节以下) 时，时钟偏移造成的影响并不明显：然而，当连 续读写的数据量较大( 例如3 0 字节以上) 时，几百个时钟周期累计的误差就可能造成 采样位置完全错误，导致一定条件下的数据读写失败。实际测试发现，当石英晶体y 1 实 际振荡频率比标称值2 4 m h z 偏差超过1 1 k h z 时，检测标签返回较长数据的操作就会发 生错误。综上所述，为兼容i - c o d e l 标签操作，必须采用频率精确的时钟。 c 6 2 3 0 p 圈34 时钟调节电路 f i g 3 4a d j u s t i n gc i r c u i to f c l o c k 大连理工大学硕士学位论文 时钟调节电路如图3 4 所示，在c 6 3 上并接3 2 5 p f 可调电容c t ，使用频率计测 量微控制器w 7 8 e 5 8 b 的a l e 引脚( 第3 0 脚) ，在无外部存储器访问时，该引脚输出 信号频率应该是微控制器第1 8 引脚( x t a l 2 ) 频率的1 6 ，即4 m h z 左右。调节可变电 容c t 使频率计计数范围处于4 m h z 土1 0 0 h z ，测出c 6 3 与c t 总容量，用一只合适的固 定电容代替c 6 3 与c t 即可。除此之外，在搭建硬件的电路的时候，将石英晶体的外壳 进行接地处理，也有利于得到稳定的时钟频率。 3 3 串行通信电路设计 本设计中，为了提高系统的可扩展性，提供了两种串行通信接口形式：u s b 和 r s 4 8 5 。在只使用一台读写器与计算机连接时，可以使用u s b 接口，如果多台读写器互 连成网络的时候，可以使用r s 4 8 5 接口。由于设计中采用了只有一个u a r t 接口的微 控制器w 7 8 e 5 8 b ，所咀，两种串行接口不可以同时使用，采用了跳线的形式对采用何 种接口进行选择。 3 3 1u s b 接口电路设计 本设计中采用了u s b 接口，主要是考虑到这种通信接口在微型计算机的应用越来 越广泛。u s b 是 u n i v e r s a ls e r i a l b u s ”的缩写，意思是“通用串行总线”。但这并不是一种 新的总线标准，而是电脑系统接驳外围设备( 如键盘、鼠标、打印机等) 的输入，输出接口 标准。现在电脑系统对外围设备的接口并无统一的标准，如键盘的插口是圆的、连接打 印机要用9 针或2 5 针的并行接口、鼠标则要用9 针或2 5 针的串行接口。u s b 把这些不 同的接口统一起来，使用一个4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链 形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。也就是说，u s b 将取代当前p c 上的串口和并口。 为了方便得实现微控制器w 7 8 e 5 8 b 的u a r t 接口与u s b 接口的转化，设计采用 了s i l i c o nl a b o r a t o r i e s ( 原c y g n a l ) 公