第6章-RFID读写器.ppt

1 第6章RFID读写器6 1读写器的组成与设计要求6 2低频读写器6 3高频读写器6 4微波读写器6 5读写器的发展趋势 2 第6章RFID读写器 6 1读写器的组成与设计要求6 1 1读写器的组成1 读写器的软件读写器的所有行为均由软件控制完成 软件向读写器发出读写命令 作为响应 读写器与电子标签之间就会建立起特定的通信 读写器的软件已经由生产厂家在产品出厂时固化在读写器中 软件负责对读写器接收到的指令进行响应 并对电子标签发出相应的动作指令 软件负责系统的控制和通信 包括控制天线发射的开关 控制读写器的工作模式 控制数据传输和控制命令交换 3 2 读写器的硬件读写器的硬件一般由天线 射频模块 控制模块和接口组成 控制模块是读写器的核心 一般由ASIC组件和微处理器组成 控制模块处理的信号通过射频模块传送给读写器天线 由读写器天线发射出去 控制模块与应用软件之间的数据交换 主要通过读写器的接口来完成 4 1 控制模块 控制模块由ASIC组件和微处理器组成 微处理器是控制模块的核心部件 ASIC组件主要用来完成逻辑加密的过程 如对读写器与电子标签之问的数据流进行加密 以减轻微处理器计算过于密集的负担 对ASIC的存取 是通过面向寄存器的微处理器总线实现的 5 2 射频模块 射频前端主要由发送电路和接收电路构成 用以产生高频发射功率 并接收和解调来自电子标签的射频信号 3 读写器的接口 读写器控制模块与应用软件之间的数据交换 主要通过读写器的接口来实现 接口可以采用RS 232 RS 485 RJ 45 USB2 0或WLAN接口 4 天线 6 6 1 2读写器的设计要求读写器在设计时需要考虑许多因素 包括基本功能 应用环境 电器性能和电路设计等 读写器在设计时需要考虑的主要因素如下 1 读写器的基本功能和应用环境2 读写器的电气性能3 读写器的电路设计 7 6 2低频读写器 射频识别技术首先在低频得到应用和推广 低频读写器主要工作在125kHz 可以用于门禁考勤 汽车防盗和动物识别等方面 6 2 1基于U2270B芯片的读写器U2270B芯片是ATMEL公司生产的基站芯片 该基站可以对一个非接触式的IC卡进行读写操作 U2270B基站的射频频率工作在100 150kHz的范围内 在频率为125kHz的标准情况下 数据传输速率可以达到5000b s 8 9 由U2270B构成的读写器模块 关键部分是天线 射频读写基站芯片U2270B和微处理器 工作时 基站芯片U2270B通过天线以约125kHz的调制射频信号为RFID卡提供能量 电源 同时接收来自RFID卡的信息 并以曼彻斯特编码输出 10 数据和同步时钟统一编码 曼彻斯特码中含有丰富的时钟信号 直流分量基本为零 接收器能够较容易恢复同步时钟 并同步解调出数据 具有很好的抗干扰性能 这使它更适合于信道传输 11 U2270B芯片的内部由振荡器 天线驱动器 电源供给电路 频率调节电路 低通滤波电路 高通滤波电路 输出控制电路等部分组成 其内部结构如图6 6所示 12 13 6 2 2考勤系统的读写器由U2270B构成的读写器 可以用于学生考勤系统 其中 标签由卡片构成 读卡器由基站芯片U2270B及其支撑电路 主控芯片MCU及其支撑电路 外围接口电路 键盘 液晶 时钟和串口模块 构成 学生考勤系统的工作原理如下 平时 MCU工作于低功耗状态 标签因为没有能量而处于休眠状态 当按下键盘上的工作按钮时 MCU被换醒 同时激活U2270B开始工作 U2270B的两个天线端子通过线圈将能量传输给外界 当有标签靠近读写器的线圈时 标签获得能量开始工作 并将其内部存储的信息发送到U2270B的输入端 U2270B经过转换后再将信息发送给MCU MCU接收到信息后将其转换成可识别的数据 再将其送至液晶屏幕显示 14 6 2 3汽车防盗系统的读写器汽车防盗装置应具有无接触 工作距离大 精度高 信息收集处理快捷 环境适应性好等特点 以便加速信息的采集和处理 射频识别以非接触 无视觉 高可靠的方式传递特定的识别信息 适合用于汽车防盗装置 能够有效地达到汽车防盗的目的 1 防盗系统的工作原理汽车防盗装置的基本原理是将汽车启动的机械钥匙与电子标签相结合 即将小型电子标签直接装入到钥匙把手内 当一个具有正确识别码的钥匙插入点火开关后 汽车才能用正确的方式进行启动 该装置能够提供输出信号控制点火系统 即使有人以破坏的方式进入汽车内部 也不能通过配制钥匙启动汽车达到盗窃汽车的目的 车门 15 16 一个典型的汽车防盗系统由电子标签和读写器两部分组成 电子标签是信息的载体 应置于要识别的物体上或由个人携带 读写器可以具有读或读写的功能 这取决于系统所用电子标签的性能 2 防盗系统的组成本系统中的硬件电路主要选择了电子标签 读写电路 采用芯片U2270B 单片机 AT89S51 语音报警电路 电源监控电路 存储接口电路和汽车发动机电子点火系统 17 3 硬件电路设计系统中的硬件电路主要选择了射频识别基站芯片U2270B 单片机AT89S51 语音合成芯片ISD2560和双RS232发送 接收器MAX232等 U2270B是非接触识别系统中一种典型的低频读写基站芯片 是电子标签和单片机之间的接口 U2270B一方面向电子标签传输能量 交换数据 另一方面负责电子标签与单片机之间的的数据通信 18 4 软件系统设计软件系统设计包括读卡软件设计 写卡软件设计 语音报警程序设计和串行通信程序设计等 IC卡发射的数据由基站天线接收后 由U2270B处理后经基站的Output脚把得到的数据流发给微处理器AT89S51的输入口 这里基站只完成信号的接收和整流的工作 而信号解码的工作要由微处理器来完成 微处理器要根据输入信号在高电平 低电平的持续时间来模拟时序进行解码操作 19 6 3高频读写器 6 3 1MFRC500芯片Philips公司的MFRC500芯片主要应用于13 56MHz 是非接触 高集成的IC读卡芯片 该IC读卡芯片利用先进的调制和解调概念 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 MFRC500支持ISO IEC14443A所有的层 MFRC500还支持快速CRYPTOI加密算法 用于验证MIFARE系列产品 MFRC500的并行接口可直接连接到任何8位微处理器 给读卡器的设计提供了极大的灵活性 20 1 MFRC500芯片的特性 21 2 MFRC500芯片引脚的功能 22 6 3 2基于MFRC500芯片的读写器1 基于AT89S51和MFRC500的读写器系统根据RFID原理和MFRC500的特性 可设计基于AT89S51和MFRC500的RFID读写器系统 23 1 系统硬件设计 系统主要由AT89S51 MFRC500 时钟电路 看门狗 MAX232和矩阵键盘等组成 系统先由MCU控制MFRC500 驱动天线对MIFARE卡 也即电子标签 进行读写操作 然后与PC通信 把数据传给上位机 2 系统天线设计 为了驱动天线 MFRC500通过TX1和TX2提供13 56MHz的载波 根据寄存器的设定MFRC500对发送数据进行调制来得到发送的信号 天线接收的信号经过天线匹配电路送到MFRC500的RX脚 MFRC500的内部接收器对信号进行检测和解调 并根据寄存器的设定进行处理 然后将数据发送到并行接口 由微控制器进行读取 24 3 系统工作流程 对MFRC500绝大多数的控制是通过读写MFRC500的寄存器实现的 MFRC500共有64个寄存器 分为8个寄存器页 每页8个 每个寄存器都是8位 单片机将这些寄存器作为片外RAM进行操作 要实现某个操作 只需将该操作对应的代码写入对应的地址即可 当对应的电子标签进入读写器的有效范围时 电子标签耦合出自身工作的能量 并与读写器建立通信 25 2 基于P89C58BP和MFRC500的读写器系统根据RFID原理和MFRC500的特性 可以设计基于P89C58BP和MFRC500的RFID读写器系统 该系统由MIFARE卡 发卡器 读卡器和PC管理机组成 其中 MIFARE卡存放身份号 PIN 等相关数据 由发卡器将密码和数据一次性写入 26 1 发卡器和读卡器 发卡器实际上是一种通用写卡器 直接与PC的RS 232串行口相连 或经过RS 485网络间接与PC相连 与读卡器不同 发卡器往往处于被动地位 不主动读写进入射频能量范围内的射频卡 而是必须接收PC的命令才操作 即必须联机才能工作 读卡器是主动操作的 读卡器往往可以脱离PC工作 只要有非接触式IC卡进入读卡器天线的能量范围 读卡器便可读写卡中相关指定扇区的数据 2 读卡器硬件系统 发卡器与读卡器在硬件设计上大同小异 都是由单片机控制专用读写芯片 MFRC500 再加上一些必要的外围器件组成 27 28 6 4微波读写器 微波RFID系统是目前射频识别系统研发的核心 是物联网的关键技术 微波RFID常见的工作频率是433MHz 860 960MHz 2 45GHz和5 8GHz等 该系统可以同时对多个电子标签进行操作 主要应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合 本节主要介绍一种基于ISO18000 6B的远距离RFID读写器的设计 29 6 4 1系统构成和工作原理读写器的组成原理如图6 17所示 整个读写器的硬件包括基带处理电路 射频发射电路和射频接收电路3个部分 30 6 4 2系统硬件设计与实现1 射频发射电路射频发射电路完成载波以及调制信号的发射 调制方式为ASK 调制深度选用100 发射信号的输出衰减数字可控 使用FPGA进行配置 2 射频接收电路射频接收电路主要实现标签返回信号的解调 为降低后端DSP的处理难度 采用I Q两路直接下变频的方式进行解调 如图6 18所示 读写器工作过程中存在的一个主要问题是载波泄漏干扰 可以从以下两方面解决该问题 首先 采用ldB截止点较高的无源混频器进行混频 其次 采用移相反馈回路抵消或减弱泄漏的载波信号 31 32 3 基带处理电路基带处理电路是整个电路的控制中心 提供整个读写器硬件电路的控制信号 根据上位机的命令控制读写器的工作 包括编码 解码 CRC校验和防碰撞处理等 为了保证电路的处理速度和可扩展性 在设计中采用了DSP芯片和FPGA芯片相结合的方式 33 6 4 3通信链路信号分析1 前向信号编码与调制读写器发送到标签的信号称为前向信号 前向信号的编码方式为曼彻斯特编码 调制方式为ASK 调制深度为100 位速率为40kb s 本系统采用DSP芯片内部的通用I O口直接输出高低电平来控制射频发射电路载波的发送和停止 以实现前向信号的编码 调制 其中 高低电平由曼彻斯特编码序列决定 时间由DSP定时器控制 34 2 后向信号的解调与解码标签到读写器的信号称为后向信号 后向信号的编码方式为FM0编码 速率为40kb s FM0编码又称为差动双向码 是在一个位窗口内采用电平变化表示逻辑1和逻辑0的 如果电平只在位窗口的起始处翻转则表示逻辑1 如果电平除了在位窗口的起始处翻转外 还在位窗口的中间翻转则表示逻辑0 用位窗口内的双位逻辑表示 11或00表示逻辑1 10或01表示逻辑0 FM0编码与前一位数据逻辑有关 根据前一位数据逻辑的不同 数据A3有两种不同的FM0编码 可以通过判断双位逻辑及前一位数据逻辑进行解码 35 6 4 4程序设计与实现1 FPGA程序本设计中 FPGA主要提供系统时钟 RAM的读写控制逻辑以及调试过程中后向信号的逻辑仿真 内置PLL产生的稳定时钟供DSP使用 根据DSP读写逻辑及RAM的操作产生RAM的读写时序逻辑 根据应用环境的要求产生控制发射电路输出衰减的逻辑信号 另一方面 用FPGA生成调试过程中需要的标签返回的后向信号波形 以便于调试2 DSP程序DSP主程序通过串口和上位机通信 接收并解析上位机指令 编码后发送给射频发射电路 从射频接收电路输出的I Q两路信号 经A D模块采样后 合成一路信号 主程序对此信号进行同步 FM0解码 CRC校验 得到最终数据 并将正确的数据上传到上位机中 如果FM0解码错误或CRC校验错误 则进行防碰撞处理 36 37 3 防碰撞机制分析与实现ISO18000 6B协议中使用的是一种类二进制树形的防碰撞算法 通过标签内随机产生0 1及内置计数器实现标签的防碰撞 标签在工作过程中共有 掉电 准备 识别 和 数据交互 4个状态 其状态转换如图6 23所示 标签进入读写器的工作范围时 从离场 掉电 状态进入 准备 状态 读写器通过选择指令让处于 准备 状态的所有或部分标签进入 识别 状态 当进入 识别 状态的标签多于一张时 就要通过碰撞仲裁实现标签的有效识别 38 39 6 4 5测试结果与分析根据设计方案实现的读写器实际测试结果如表6 3所示 可以看出 在单张标签情况下 标签与天线距离8 5m以内 读写器识别正确率为100 在多张标签情况下 标签与天线距离3m时 读写器识别正确率为100 读写器工作稳定 可靠 40 实现的读写器