基于射频卡的信号采集与通信设计与实现士学位论文.docx

理工大学学士学位论文摘 要射频识别技术是最近几年发展起来的一项新技术，利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，达到识别目的的技术，现己涉及到人们生活的方方面面，有着广阔的应用前景。经过九十年代的快速发展，目前，国内的射频卡制卡技术及其相应的读写设备内核技术，仍处于落后状态，这极大地制约了我国射频识别技术的发展。因此，对射频卡及其读写设备内核技术的研究是一件十分有意义的事情。本文给出了一套射频卡读写设备的详细设计方案。设计内容包括硬件和软件两大部分，硬件具体的设计内容包括：低功耗射频读卡器供电电路设计、射频读写核心模块设计、微控制单元电路设计、串行通信电路设计、实时时钟电路设计、液晶屏显示电路设计和天线及其匹配网络设计；软件具体的设计内容包括：上位机对射频卡各种功能操作的程序设计和下位机对微控制器MSP430的单片机程序设计。关键字：射频识别，读卡器，射频卡，天线AbstractRF identification technology is a kind of technology of using RF signal through space coupling in order to non-contact information transmission， and through thetransmission of information to identify. After the rapid development of the 1990s， RF identification technology now has involved many aspects of peoples daily lives， and with wide application prospects. At present， making card technology for domestic RF card and the corresponding core technology of literacy equipment are still backward，which have greatly restricted RF card technology development in our country.Therefore， the research about the RF card and reading equipment core technology is avery meaningful thing.In todays world， the mainstream of RF card is the MIFARE technology in Philips company， which has been developed to international standards： ISO/IEC14443 TYPE A standards. Thus in this paper the smart RF card （MIFARE cards in Philips company） and the core technology of reading equipment core modules weredeeply studied. In this paper， the overall design of the RF card reading equipment has no specific application context. Both hardware and software systems were module designed. Compared other reading equipment， there are many characteristics asfollowing：1、To achieve the low-consumption solution specific devices， such as the public telephone in feeder lines， portable card readers， and requiring low-consumption occasions and so on.2、Providing a wide variety of serial communications interface forms：RS232、RS485 and USB interfaces. Different communications applications occasions can compatible with single and mufti-machine communications.By reading this paper， I hope readers can grasp the ideological basis of this design， for different applications background， developing numerous occasions applied products， such as door access system， non-stop highway toll system， banking services，one-card system， and so on.Key Words： RFID， Reader， Radio Frequency Card， Antenna目 录第1章 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 射频识别技术国内外发展现状11.2.1 国外RFID现状11.2.2 国内RFID现状21.3 本文的研究内容及章节安排3第2章 射频识别系统分析42.1 射频卡特点42.2 射频识别系统原理42.3 射频识别系统组成52.3.1 Mifare1卡存储结构62.3.2 Mifare 1卡的读写控制72.4 射频识别系统分类72.5 射频识别系统中信号的编码与调制92.5.1 基带编码92.5.2 数字调制技术102.5.3 射频识别系统的副载波调制102.6 射频识别系统数据传输的完整性112.6.1 奇偶校验112.6.2 纵向冗余校验法（LRC）122.6.3 循环冗余码校验法（CRC）122.7 防碰撞技术133.7.1 防碰撞技术的基本原理133.7.2 防碰撞算法13第3章 射频读卡器硬件电路设计153.1 供电电路设计153.1.1 电路分析与计算163.1.2 电路性能评估173.2 核心模块电路设计173.2.1 振荡器电路设计173.2.2 微处理器接口电路设计183.2.3 外围匹配电路设计183.3 微控制器电路设计193.3.1 MSP430单片机的特点203.3.2 具体硬件电路设计213.4 串行通信电路设计213.4.1 RS232接口电路设计223.4.2 RS485接口电路设计233.4.3 USB接口电路设计243.5 串行日历时钟电路设计263.6 液晶屏显示电路设计263.7 天线及其匹配网络设计283.7.1 天线工作原理283.7.2 天线设计293.7.3 天线匹配网络设计31第4章 射频读卡器软件设计324.1 上位机软件设计方案324.1.1 通信控件MSCOMM的应用324.1.2 串口通信协议344.2 下位机软件设计方案374.2.1 串口通信程序设计374.2.2 射频卡读写程序设计37第5章 系统测试405.1 硬件测试405.2 软件测试405.3 本章小节42第6章 结 论43致 谢44参考文献45附录A 英文原文47附录B 汉语翻译55V第1章 绪论1.1 课题研究背景和意义射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种非接触方式的自动识别技术，该技术主要是利用射频信号通过空间耦合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。射频识别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目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，能够实现识别自动化且不易损坏，可识别高速运动并可同时识别多个射频标签，操作快捷方便；安全防冲突，射频卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可更改，世界上没有任何两张卡的序列号相同；射频标签不怕油渍、灰尘污染等恶劣环境，且可以穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强。射频识别技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等特点。由于射频卡具有以上无可比拟的优点，所以被广泛地应用到公共交通收费、物流、考勤、安防和一卡通等领域。RFID技术已在世界各地得到广泛的应用，以美国、日本和欧洲的发达国家对该技术应用研究已达到相当高的水平，而我国处于起步状态，大多采用了引进的技术成果。所以研究该技术已成为我国当今社会发展的必然趋势。另外RFID技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且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。因此对RFID技术的认识和应用研究具有深远的理论意义。1.2 射频识别技术国内外发展现状RFID被列为21世纪十大重要技术之一，世界各国都在大力发展RFID技术。在过去10年中，关于RFID技术的专利申请已经有6000多件。1.2.1 国外RFID现状射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多，应用广泛。从全球的范围看，美国已经在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准。在射频识别技术的应用方面，欧洲与美国基本处于同一阶段。日本虽然己经提出UID标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。RFID技术的重要性在韩国得到了加强，政府给予了高度重视。 当今世界上非接触式智能卡主流产品是荷兰Philips公司的Mifare技术，Philips半导体公司的MIFARE非接触式智能卡技术诞生于1990年，到1994年这项技术被推向全球市场，1995年，第一个利用MIFARE技术生产的装置开始应用在英国、法国、加拿大、澳大利亚、芬兰及捷克等国的公共交通系统上。该年十月第一个停车场收费系统在马来西亚被投入使用。从那以后，Philips半导体公司不断地开发、改进MIFARE结构平台。至今，已经拥有了许多系列的智能卡集成电路、读卡机集成电路。Philips半导体公司的MIFARE非接触智能卡在非接触卡应用领域占有全球80%的市场份额，是目前非接触智能卡的工业标准，广泛应用于公共交通、路桥收费、电子机票、身份证、付费电话、付费电视等领域。1.2.2 国内RFID现状 国内由于研究RFID比较晚，因而在该领域落后于发达国家，特别是RFID芯片的设计生产方面还比较落后。我国很多企业对RFID的认识不够充分，基础设施的缺失也为RFID在我国的发展设置了障碍。我国在1993年开始实施金卡工程计划，推动自动识别技术发展和应用，目前我国在射频卡方面得到较好的发展：新军官证、学生证都采用了射频卡技术。目前，清华同方已拥有THR9904和THR10XX两大非接触式IC卡系列产品，其中THR9904已大规模应用于我国第二代居民身份证项目，该项目是我国应用射频卡最大的项目。清华同方开发出的THR10XX系列是一套完整的射频模块解决方案，己在公交、身份识别等多个领域得到了广泛的使用。上海华虹研制出最新的非接触邻近式IC卡SHC1105，它遵循ISO/IEC15693协议，可用于物流、航空行李标签、邮政信函、安全管理等射频识别应用领域。研制出的SHC1507非接触读写芯片，符合IS014443A&ISO14443B的国际标准，工作频率为13.56MHz。它能对华虹SHC110X系列产品进行操作，并能对M1系列卡片进行操作。适用于公交、地铁、校园一卡通、公司一卡通等多种不同应用场合的POS机。复旦微电子股份有限公司设计的FM17XX系列，是基于IS014443标准的系列非接触卡读卡机专用芯片，可分别支持13.56MHz频率下的typeA、typeB、 15693三种非接触通信协议，支持MIFARE和SH标准的加密算法。可兼容Philips的RC500、RC530、RC531及RC632等读卡机芯片。适用于各类计费系统的读卡器的应用。随着RFID技术的重要性日益体现，我国政府也希望在这项技术上有所创新。2004年2月，我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签（RFID ）”国家标准工作组，负责起草、指定我国有关“电子标签”的国家标准。2006年6月中国射频识别（RFID ）技术政策白皮书在北京发布，该白皮书为RFID技术与产业未来几年的发展提供了系统性的指南。2006年10月863计划投入经费一亿两千八百万人民币用于“射频识别技术与应用”。1.3 本文的研究内容及章节安排本文针对PHILIPS公司的智能射频卡MIFARE 1卡及其卡片读写设备核心模块的内核技术进行了细致深入的研究。设计了一个射频卡读写器。本文主要探讨了PHILIPS公司的MIFARE射频卡，射频卡读写器的硬件电路设计和软件程序设计。本文共六章，组织结构如下：第一章是绪论，阐述了本课题的研究背景与意义、国内外研究动态、以及课题研究内容和论文结构。第二章阐述了射频卡相关基本概念及理论并着重介绍了MIFARE射频卡的特点、工作原理、存储结构及存储控制。第三章提出读写器硬件模块的设计，着重介绍了天线匹配网络电路、供电电路微控制器电路、核心模块电路、串行通信电路的设计。第四章给出了非接触式射频卡系统上位机管理软件系统的开发设计过程。第五章对整个课题工作作出总结。第2章 射频识别系统分析2.1 射频卡特点1、操作快捷便利由于采用非接触无线通信，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了插拔卡过程，所以非常方便用户使用。而且射频卡在使用时既没有正反而之分也没有方向性与角度限制，卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需0.1秒，这就大大提高了每次使用的速度。同时，由于卡与读写器进行通讯时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使二者的通信速率很高。2、可靠性高、寿命长卡与读写器之间无机械接触，故不存在接触式IC卡读写时出现的各种故障。卡和读写器均无裸露触点，则无需担心触点损坏或脱落所致的卡片失效及因读写器“吃卡”而使用户的现象。这些都将大大提高了卡和读写器的可靠性与使用寿命。3、抗干扰能力强射频卡有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，当多张卡片同时进入读写器的天线有效范围内时，读写器可一一对卡片进行处理，这就提高了应用的并行性，也无形中提高了系统工作的速度。4、一卡多用用户可以根据需要灵活定义各存储扇区的密码和访问条件，以便互不影响地分别满足不同场合、不同用途的要求。5、高安全性射频卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化于卡内芯片中，不可再更改，使用时射频卡与读写器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有的数据都加密，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。2.2 射频识别系统原理MIFARE射频卡由天线和ASIC（专用集成电路）组成，天线是只有儿组绕线的线圈，卡上的ASIC由一个高速（波特率106kbit/s的RF接口，一个控制单元和一个8K位EEPROM组成。读写器向射频卡发送一组固定频率的电磁载波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发送的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内产生电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。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：1、电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现祸合，依据的是电磁感应定律。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。2.3 射频识别系统组成射频识别系统一般由以下三部分组成：1、读卡器（Reader）一台典型的读卡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，许多读卡器还都有附加的接口（RS232，RS485，USB），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。发送部分和接收部分和起来称为读卡器的高频接口，它负担以下任务：产生高频的发射功率，以启动应答器并为它提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器；接收并解调来自应答器的高频信号。在高频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于往来于应答器的两个方向的数据流。传送到应答器中去的数据通过发送器分支，而来自于应答器的数据通过接收器分支来接收。阅读器的控制单元则担负着以下任务：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；控制与应答器的通信过程（主一从原则）；信号的编码与解码。对于复杂的系统还有下列附加的功能：执行反碰撞算法；对应答器与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密；进行应答器和读取器之间的身份验证。为了完成这些复杂的任务，在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为核心部件。加密逻辑过程，如应答器与阅读器之间的加密、还有信号编码，常常是交由附加的ASIC组件来完成的，以减轻处理器计算密集型过程的负担。出于性能上的原因，对ASIC的访问是通过微处理器总线（面向寄存器的）实现的。应用系统软件与阅读器之间的数据交换是通过RS232或RS485串口来进行的。这里同普通的PC机一样使用的是NRZ编码（8位异步）。作为通信协议使用的是各不相同的、常常是自定义的协议。2、标签（Tag）射频识别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。射频识别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IC芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。射频标签与读卡器之间采用双向验证机制，即读卡器验证射频标签的合法性，同时射频标签也验证读卡器的合法性：处理前，标签要与读卡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（Antenna）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卡器和标签之间传送信息。2.3.1 Mifare1卡存储结构1、M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为063，存贮结构如下图2.1所示：2、第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。3、每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。数据块可作两种应用：（1）用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。（2）用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。4、每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如下： A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 80 69 B1 B2 B3 B4 B5 密码A（6字节） 存取控制（4字节） 密码B（6字节）5、每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。 密码A 存取控制 密码B密码A 存取控制 密码B密码A 存取控制 密码B 块0 数据块 0 扇区1 块1 数据块 1 块2 数据块 2 块 3 数据块 3 块0 数据块 4 块1 数据块 5 扇区2 块 2 数据块 6 块3 数据块 7 0 数据块 60 扇区15 1 数据块 61 2 数据块 62 3 数据块 63 图2.1 扇区结构图2.3.2 Mifare 1卡的读写控制 每个扇区的尾块（16字节）包含了该扇区的两个密码信息以及对本扇区中各块的读写权限信息，是扇区的控制块。控制块使用两个密码，为用户提供多重控制方式。例如，用户可以用一个密码控制对数据块的读操作，用另一个密码控制对数据块的写操作。2.4 射频识别系统分类根据射频识别系统的不同特点，射频识别系统有多种分类方法，根据工作频率划分，有低频、中频、高频；根据存储器是否可写，可分为只读型和可读写型；根据读卡器和应答器谁先发送信息，可分为TTF型和RTF型；另外根据应答器内是否内置电源可分为有源型和无源型。1、按工作频率分类低频射频识别的工作频率主要是125kHz，中频为13.56MHz，而高频有869MHz， 902-928MHz， 2.45GHz， 5.8GHz等，允许的最大发射功率电平和频率分配因国家和地区的不同而有所不同。其中125kHz系统主要应用在动物识别和商品流通等领域。13.56MHz系统一般应用在公共交通和门禁系统等领域，其识别距离一般为几厘米（IS014443标准）到几十厘米（IS015693标准），采用特殊制作的天线最大识别距离为1.5米左右。在UHF频段（869MHz和902-928MHz ），系统的识别距离远，可从几米到几十米。UHF频段的自动识别系统主要应用在高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。2.45GHz被动式系统（无源标签）一般可提供1米左右的识别距离，主动式系统 （有源标签）可以达到十几米的识别距离。5.8GHz系统主要应用在交通领域，目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此频段作为车辆识别的系统标准。2、按读卡器和应答器谁先发送信息分类RTF （Reader Talks First，读卡器先发言）和TTF （Tag Talks First，标签先发言）是两种读卡器抗冲突协议方式。在一般状态下，电子标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态，当电子标签进入读卡器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态，转到“接收”状态，接收读卡器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读卡器。这类只有接收到读卡器特殊命令才发送数据的电子标签被称为RTF（Reader Talk First，即读卡器先发言）方式；与此相反，进入读卡器的能量场即主动发送自身ID号的电子标签被称为TTF（Tag Talk First，即标签先发言）方式。TTF0和RTF协议相比，TTF方式的射频卡具有识别速度快点，适用于需要高速应用的场合；另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合也更为实用。因此，更适于工业环境的跟踪和追踪应用。3、按电子标签的供电方式分类射频识别系统按电子标签的供电方式可分为有源标签和无源标签两类。无源标签所需工作能量需要从读卡器发出的射频波束中获取能量，经过整流、稳压后提供电子标签所需的工作电压。与有源标签相比，具有成本低、不需要维护、使用寿命长等特点。缺点是读卡器要发射更大的射频功率，识别距离相对较近等。然而，目前的集成电路设计技术能使所需工作电压进一步降低至1V甚至0.42V，这使得无源射频识别系统可以达到20米以上的识别距离。这在不同的无线电规则限制情况下，可以满足大部分实际应用系统的需要。有源标签本身带有微型电池，由于不需要射频供电，其识别距离更远，读卡器需要的功率较小。2.5 射频识别系统中信号的编码与调制图2.1是一个典型的数字通信系统模型，与数字通信系统相类似，射频识别系统中阅读器和应答器之间的数据传输，需要三个主要的功能块:按从阅读器到应答器的数据传输方向，它们是阅读器（发送器）中的信号编码（信号处理）和调制器（载波信号处理电路）、传输介质（信道）、以及应答器（接收器）中的解调器（载波回路）和信号译码（信号处理）。 信号编码系统的作用是使传输的信息和它的信号表示尽可能最佳的与传输通道的性能相匹配，也就是将发送的数据信息变换为适合于信道传输特性的频谱结构。这样的处理对信息提供某种程度的保护，以防止信息受干扰或相碰撞，以及对某些信号特性的蓄意改变。 图2.1 数字通信系统中的信号和数据流调制是对信号源的编码信息进行处理，使其转变为适合传输的形式，一般是将基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号。传输介质（信道）把信息传输过一段预定的距离，射频识别系统中采用的传输介质是磁场（电感祸合）或电磁波（微波）。解调是一种另外的调制过程，以再生基带信号。解码的任务也就是从基带编码的接收信号中恢复的原来的信息，并识别和标识出传输错误。2.5.1 基带编码常用的编码有NRZ（反相不归零制）编码、曼彻斯特（Manchester）编码、单极性归零制编码（Unipolar RZ）、差动双相编码（DBP）、米勒（Miller）编码、差动编码。在为射频识别系统挑选合适的信号编码系统时，应当考虑每种编码的边界条件，最重要的是调制后的信号频谱，以及对传输故障的敏感度。另外对于无源应答器来说，不允许由于信号编码与调制方法的不适当的组合而导致能量转化的中断。射频识别系统一般采用曼彻斯特（Manchester）编码和NRZ编码。2.5.2 数字调制技术调制就是用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，这些参量随基带信号的变化而变化。未经过调制的电磁波被称作载波，调制的载波可以分为两大类：用正弦信号作为载波和用脉冲或一组数字信号作为载波。调制在通信系统中具有十分重要的作用，通过调制不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，将调制信号转换成合适信道传输或便于信道多路复用的已调信号。而且调制对系统的传输有效性和传输的可靠性有很大的影响，调制的方式往往决定了一个通信系统的性能。数字信号一般调制方法有三种：对载波振幅调制称为振幅键控（ASK-Amplitude Shift keying），对载波频率调制称为频移键控（FSK-FrequencyShift keying ），对载波相位调制称为相移键控（PSK-Phase Shift Keying）的数字调制法。射频识别系统中常常采用的调制方法也就是这三种。2.5.3 射频识别系统的副载波调制就射频识别系统而言，用副载波的调制法主要用在频率范围6.78MHz、13. 56MHz或27. 125MHz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天线上高频电压振幅键控（ASK）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（ASK ）、频移键控（FSK）或相移键控（PSK）调制作为副载波调制方法。副载波频率本身通常是通过对操作频率的二进制分频产生的。对13. 56MHz的系统来说，大多数使用的副载波频率为847kHz （13.56MHz/16 ）、424kHz （13. 56MHz/32）或212kHz（13.56MHz/64 ），已调的副载波信号则用于切换负载电阻。副载波进行负载调制时，首先在围绕操作频率副载波fH的两侧的距离上产生两条谱线。真实的信息随着基带编码的数据流对副载波的调制被传输到两条副载波谱线的边带中。另一方面，如果采用的是在基带中进行的负载调制时，数据流的边带将直接围绕着工作频率的载波信号。2.6 射频识别系统数据传输的完整性使用非接触技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发生意外的改变从而导致传输错误。此类问题通常是由外界的各种干扰和多个应答器同时占用信道发送数据产生碰撞造成的，针对这两种情况，常用的处理方法是采用校验和法和多路存取法。对于RFID系统，由于信息码元序列是一种随机序列接收端无法预知也无法识别其中有无错码。为了解决这个问题，常常采用在发送端或电子标签的信息、码元中增加一些监督（纠错）码元，这些纠错码元和信息、码元之间有一定的关系，使接收端或阅读器可以利用这些关系由信道解码器来发现或纠正可能存在的错误码元。在信息码元中加入监督码元被称为差错控制编码或纠错编码，不同的编码方法有着不同的检错或纠错能力。在射频识别系统中常用的纠错编码是校验和法，最常用的校验和法是奇偶校验、纵向冗余校验（LRC）法和循环冗余码校验（CRC）法。2.6.1 奇偶校验奇偶校验是一种很简单的而广泛使用的校验和法。这种方法就是在每个字节中加上一个奇偶校验位，并被传输，即每字节发送九位。在数据传输前必须确定是偶校验还是奇校验，以保证发送端和接收端采用相同的校验方法进行校验。如果校验位不符，则认为传输出错。奇校验是在每字节后增加一个附加位，使得“1”的总数为奇数。奇检验时，校验位按如下规则设定：如果每字节的数据位中“1”的个数为奇数，则校验位为“0”；若为偶数，则校验位为“1。奇校验通常用于同步传输。而偶校验是在每字节后增加一个附加位，使得“1”的总数为偶数。偶检验时，校验位按如下规则设定：如果每字节的数据位中“1”的个数为奇数，则校验位为“1；若为偶数，则校验位为“0。偶校验常用于异步传输或低速传输。校验的原理是：如果采用奇校验，发送端发送一个字符编码（含校验位）中，“1”的个数一定为奇数个，在接收端对接受字符二进制位中的“1”的个数进行统计，若统计出“1”的个数为偶数个，则意味着传输过程中有1位（或奇数位）发生差错。事实上，在传输中偶然一位出错的机会最多，故奇偶校验法经常采用。然而，奇偶校验法并不是一种安全的校验方法，其识别错误的能力较低。如果发生错误的位数为奇数，那么错误可以被识别，而当发生错误的位数为偶数时，错误就无法识别了，这是因为错误互相抵消了。它的缺点在于：当某一数据分段中的一位或者多位被破坏时，并且在下一个数据分段中具有相反值的对应位也被破坏，那么这些列的和将不变，因此接收方不可能检测到错误。2.6.2 纵向冗余校验法（LRC）被称作纵向冗余校验的XOR校验和可以既简便而又快速地算出来。把一个数据块的所有数据字节递归经XOR选通后即可产生XOR校验和。字节1用字节2经XOR门选通，结果再用字节3经XOR门选通，如此等等。如果在数据传输时把纵向冗余码校验值LRC附在数据块后面一起传输，那么在接收器中对数据块加LCR字节产生LCR后就可以对传输错误进行简单的校核。其结果总应为零，任何其它结果都表示出现了传输错误。然而LCR并不很可靠，多个错误能相互抵消，在一个数据块内字节顺序的互换根本识别不出来。LCR主要用于快速校验很小的数据块。2.6.3 循环冗余码校验法（CRC）循环冗余码校验法由分组线性码的分支而来，主要应用于二元码组。它是利用除法及余数的原理来作错误侦测的。CRC法的工作原理:循环冗余码校验法是一种复杂的校验方法，它不产生奇偶校验码，而是将整个数据块当成一个连续的二进制数据M（x），在发送时将多项式M（x）用另一个多项式（被称为生成多项式G（x）来除，然后利用余数进行校验。从代数的角度可将M（x）看成是一个多项式，即M（x）可被看做系数是0或1的多项式，一个长度为m的数据块可以看成是xm-1，到x0的。次多项式的系数序列。例如一个8位二进制数10110101可以表示为:1x7+ 0x6+1x5+ lx4+0x3+1x2+0x+1。实际应用时，发送装置计算出CRG校验码。并将CRC校验码附加在二进制数据M（x）后面一起发送给接收装置，接收装置根据接收到的数据重新计算CRC校验码，并将计算出的CRC校验码与收到的CRC校验码进行比较。若两个CRC校验码不同，则说明通信过程出现错误，要求发送装置从新发送数据。2.7 防碰撞技术在射频识别技术的发展过程中，防碰撞技术是信号识别与处理的关键技术之一。当在读写器的天线区域中有多个射频卡到达时，因为它们可能同时发送信号，将会产生信道争用的问题，信号互相干扰，即发生了碰撞。为了解决信号之间相互干扰的问题，产生了防碰撞技术。3.7.1 防碰撞技术的基本原理由于射频卡含有可被识别的唯一信息（序列号），RFID系统的目的就是要读出这些信息。如果只有一个射频卡位于读写器的可读范围内，则无需其他的命令形式即可直接进行读写。如果有多个射频卡同时位于一个读写器的可读范围内，在信道共用、信号频率相同的情况下，多个射频卡同时将信号送入一个读写器的读通道会产生信道争用，各信号之间互相干扰，产生数据碰撞，从而造成读写器和射频卡之间的通信失败。为了防止这些冲突的产生，RFID系统中需要设置一定的相关命令，以解决冲突问题，这些命令被称为“防冲突命令或算法”。3.7.2 防碰撞算法读写器应该能够顺利地完成在读写器作用范围内的射频卡的识别，数据信息的读写操作。目前在射频通信系统中，主要是采用时分多路法的原理，使每个射频卡在单独的某个时隙内占用信道与读写器进行通信，防止碰撞产生。目前的算法基本上分为两种不确定性和确定性算法，分别是基于ALOHA算法和二进制搜索算法。下面将对这两种算法及由其发展起来的算法进行介绍。纯ALOHA算法ALOHA算法是一种随机接入算法，它基于TDMA的思想，采取“射频卡先发言”的方式，即射频卡一进入读写器的作用区域就自动向读写器发送其自身的信息，对同一个射频卡来说它的发送数据帧的时间也是随机的。这种算法很简单，只要保证读取时间足够长，总可以识别到作用范围内的所有射频卡。时隙ALOHA算法 时隙ALOHA算法是ALOHA算法的改进，它在ALOHA算法的基础上把时间分成多个离散时隙，并且每个时隙长度要大于射频卡回复的数据长度，射频卡只能在每个时隙内发送数据，每个时隙存在下面3种情况 1、无射频卡响应:在此时隙内没有射频卡发送。 2、一个射频卡响应:在此时隙内只有1个射频卡发送，射频卡能被正确识别。 3、多个射频卡响应:在此时隙内多个射频卡发送，产生冲突。当一个分组在某个时隙到达后，等待传输直到下一个时隙开始，并期望不与其他站点发生冲突，如果一个时隙内只有一个站点到达，则该分组会传输成功，如果有多于一个的分组到达，将会发生碰撞。这样射频卡或成功发送或完全冲突，避免了ALOHA法的部分冲突，使冲突周期减半为T0。但它的缺点是需要同步时钟，且射频卡能够计算时隙。帧时隙ALOHA算法帧时隙ALOHA算法在时间域上进一步离散，它是在时隙的基础上把N个时隙组成一帧，射频卡在每个帧内随机选择一个时隙发送数据。这种算法适于传输信息量较大的场合，与时隙ALOHA算法相同，帧时隙ALOHA算法也需要一个同步开销。一个帧包含多个时隙，每个时隙的长度要足够让一个射频卡回答完，具体时间由读写器定义。在读写器发送读取命令后，要等待一定时间等待射频卡的回答。在一个时隙中只有一个射频卡回答时，读写器可以分辨出射频卡;在一个时隙中没有射频卡回答时，跳过此时隙;当在一个时隙中有多个射频卡回答时，发生冲突，需要重新开始读取过程。 二进制搜索算法二进制搜索算法的基本思想是：将处于冲突的射频卡分成左右两个子集0和1先查询子集0，若没有冲突，则正确识别射频卡；若仍有冲突则再分裂，把子集0分成00和01两个子集，依次类推，直到识别出子集0中的所有射频卡，再按步骤查询子集。动态二进制搜索算法动态二进制搜索算法是基于二进制搜索算法的一种算法。通过观察可知： 命令中（x1）0各位不包含标签的信息（x为碰撞位），不需要传输。射频卡应答的序列号Nx各位也不包括给读写器的补充信息，也不需要传输。读写器在REQUEST命令中只发送要搜索的序列号的（Nx）位，所有射频卡的（Nx）位与搜索条件相符的射频卡，则传输它的（x1）0位作为应答。第3章 射频读卡器硬件电路设计本设计中的硬件结构主要可以分为供电电 路、微控制器电路、串行通信电路、RC531核心模块电路、天线、时钟电路和液晶屏显示电路等几个模块单元。其具体结构如图3.1所示。 图3.1 射频读卡器硬件结构图3.1 供电电路设计在许多实际应用场合，需要使用低功耗的射频读卡器，如用馈线供电的公用电话机、便携式读卡器等。这就对射频读卡器的整机功耗和供电电路的设计提出了更高的要求，本设计在供电电路设计上就考虑了这一点，实现了读卡器的低功耗解决方案。 设计供电电路首先要考虑射频模块的功耗问题，射频模块工作时需要的电流比较大（约200mA ），显然在真正的低功耗应用中以这样大的电流长时间工作是不符合要求的。幸好实际使用中，射频模块工作的时间很短（设定为40mS ），瞬间的大电流可通过超级电容来进行缓冲以确保总电流不会大幅度增加。利用超级电容存储能量，在需要时瞬间提供大电流，就是本设计低功耗解决方案的思路。读卡器供电电路原理图如图3.2图中两个三极管（Ql，Q2）左边部分为20mA限流电路。当充电电流大于20mA时，限流电阻（RS）上的压降大于0.1 V基准电压，充电电路断开，不给超级电容充电。另外还有一个回差比较器，当超级电容上的电压在4.6V到4.8V时，给单片机的VRFOK信号正常可以对射频模块进行操作。当射频模块不使用时，可以将其关掉。图3.2 读卡器供电电路原理图3.1. 1 电路分析与计算超级电容充放电时间和电流的计算。基本公式为：t=V*C/I，通过这个基本公式，我们可以计算如充放电性能指标：1、初始时超级电容从0V充电到5V，以100mA电流充电时间为： t=V*C/I=0.33*5/0.1=16.5s （3.1） 以20mA电流充电时间为：t=V*C/I=0.33*5/0.02=82.5s （3.2）2、放电时间计算假设超级电容有效工作电压范围为：4.6V到4.8V（电压范围是0.2V ），放电电流为200mA，放电时间计算公式如下：t=V*C/I以200mA电流放电，放电时间为： t=V*C/I=0.33*0.2/0.2=0.33s （3.3）3、从4.6V到4.8V充电时间计算公式与3.2相同，如果以100mA充电，充电时间为： t=V*C/I=0.33*0.2/0.1=0.66s （3.4）如果以20 mA充电，充电时间为： t=V*C/I=0.33*0.2/0.02=3.3s （3.5）根据设计要求，需要在40mS时间内提供200mA电流，提供能量的功率为：P=IU=0.2*5=1W；释放的电荷总量为：电荷=TI=0.04*2=8mQ（mQ为毫库仑）；总能量为：QV=0.008*5=40mJ（mJ为毫焦耳）。3.1.2 电路性能评估通过上面的电路分析与计算，我们能够从理论上对该电路的性能进行一个评估：1、从完全无电到+5V，以20mA充电，耗时82.5s； 2、不使用时比较器及基准电压电路耗电约50uA左右，经200s之后，需充一次电就可保证VRFOK=1； 3、读卡时以20mA充电，约3.3S后，从4.6V到4.8V，可保证射频模块以200mA工作50mS（射频模块的工作状态为：以200mA工作15mS、以30mA工作35mS ）。3.2 核心模块电路设计本设计射频读写核心模块选取的是PHILIPS公司生产的高集成度射频芯片RC531。该芯片是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。具体电路设计如下图3.3所示。3.2.1 振荡器电路设计振荡器产生的时钟信号用于在同步时序电路中，提供给RC531的时钟作为编码和解码的时基。因此，稳定的时钟频率对与正常的工作至关重要。可以选择内部时钟振荡器和外部时钟源两种方式。如果使用外部时钟源，时钟信号必须加到OSCIN管脚，在这种情况下，必须注意时钟的占空比以及抖动，时钟信号的品质必须得到保证。本设计我们我们直接使用内部时钟振荡器，只需外接一个13.56MHz的晶振和两个15pF的电容即可。图3.3 RC531外围电路设计3.2.2 微处理器接口电路设计RC531提供了SPI、并口等多种对外接口模式，通过在每一次上电或硬件复位后，检测控制管脚上的电平来侦测当前的微处理器接口模式。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，本设计中我们采用的就是并行接口方式。我们选择选择独立的读/写选通模式，且复用地址/数据总线方式，具体的接法如图所示，D0D7