开题报告--基于U2270B基站芯片的中低距离低频RFID阅读器

中原工学院毕业设计（开题报告）1 综述1.1 课题简介及意义RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。它是一种非接触式的、利用射频信号对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种自动识别技术。与接触式IC卡和条形码识别等系统比较，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。能实现对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理，达到高效快捷运作的目的，特别是在物流、交通航运、自动收费、服务领域等方面有着广泛的应用前景。1根据RFID系统的工作频率不同，RFID产品分为低频、中频、高频、超高频和微波等频段产品，不同频段的产品适用于不同的领域。低频系统产品具有不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境的特点，主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、动物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。2 利用低频的RFID技术对农产品和畜牧业的产品进行标记、跟踪动物，可以有效控制和治理动物疾病的传播；也可以对野生动物和动物园动物进行标识、管理。此外，随着城市中宠物的增加，利用低频RFID产品对宠物的管理也有着重要意义。由于低频RFID技术信噪比较低，其识读距离受到很大限制。我国的中远距离低频阅读器的研究仍处于初级水平。我国是世界第三大国，也是农业大国，农业、畜牧业在国民生产中占有极其重要的位置，因此，研究低频中远距离的RFID系统对我国来说是十分有必要的。此课题正是研究低频（134.2KHz）的中远距离阅读器，用于动物的身份识别。1.2 文献综述1.2.1 RFID系统的基本组成标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，如图1-1所示。图1-1 RFID电子标签RFID标签分为被动标签(Passive tags)和主动标签(Active tags)两种。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远同时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签。被动标签由阅读器产生的磁场中获得工作所需的能量，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式，如图1-2所示。图1-2 RFID阅读器根据阅读器对标签的阅读距离可分为近距离阅读器，中距离阅读器和远距离阅读器。天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号，如图3所示。图1-3 RFID天线天线是以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。按工作频段可分为长波、短波、超短波以及微波天线等；按方向性可分为全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。1.2.2 RFID系统的结构和工作原理射频识别系统一般由阅读器和应答器两部分组成。应答器放置在要识别的物体上。阅读器可以是读活写/读装置，取决于所使用的结构和技术。一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)，控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，许多阅读器带有附加的接口（RS232，RS485等），以便将获得的数据进一步传输给另外的系统（个人计算机，机器人控制装置等）。应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件以及微电子芯片组成。RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。通常，应答器没有自己的供电电源。只有应答器在阅读器的响应范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需要的能量，如同脉冲和数据一样，是通过耦合单元（非接触的）传输给应答器的，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行相关处理。31.2.3射频接口电路设计与实现Atmel 公司的 U2270B 基站芯片是一种低成本结构的非接触读写处理芯片，用于对它的 Temic 系列 RFID 应答即电子标签进行读写，是当今世界低频、低成本和低档次 RFID应用的较有代表性的产品。4本课题采用RFID专用无线基站芯片U2270B设计电子标签与识读终端主控模块之间的射频接口电路。U2270B的原理框图如图1-4所示。图1-4 U2270B功能图微控制器负责接收由U2270B解调的编码数据。采用AT89C52作为微控制器，其内部集成了8KB的Flash程序存贮器，256B的RAM，具有低功耗工作模式。U2270B的OUTPUT端接P1.4，U2270B的CFE接P1.3。AT89C52从电子标签读取来的编码数据存贮在AT89C52的内部数据存储器中。可通过 MAX232进行电平转换，实现了与上位机的通信。识读终端U2270B的典型应用原理图如图1-5所示。图1-5 识读终端硬件原理图系统上电后U2270B和AT89C52开始工作，若有效作用范围内有电子标签。电子标签接收U2270B发射的射频信号能量后，发送经过调制的编码信号，AT89C52通过监测P1.4的状态的变化，判断是否收到射频接口解调输出的数据，由软件完成数据的接收及后续的处理任务。52 方案论证2.1硬件结构方案本系统由单片机（CPU）、射频接口电路、串口通信、等外围电路组成。由单片机控制协调个部分电路工作，结构图如图2-1所示。串口通信RS232微控制器AT89S52射频接口U2270B图2-1 控制主结构图2.1.1 CPU模块由于本系统包含射频接口电路、串口通信等外围电路组成。程序结构比较复杂，程序代码比较多，所以，CPU芯片要具有足够多的I/O端口和程序存储器，同时为了便于程序的下载与系统调试，最好可以在线编程。AT89S52是一款与MCS-51系列单片机完全兼容的微控制器，其主要特点为：8KB可在线编程的Flash程序存储器，可擦写1000次；2568bit内部RAM;32个可编程I/O口;3个16位定时、计数器；8个中断源；支持全双工串行通信。6同时，AT89S52价格比较便宜，其功能参数对此题目比较实用，所以选择AT89S52单片机作为整个系统的控制器。2.1.2 射频模块方案一:ATMEL公司的U2270B是射频识别技术（RFID）读写终端的一款低频射频基站芯片，发射频率在100KHz150KHz之间，可用其对电子表签进行读写操作，是当今世界低频、低成本和低档次 RFID应用的较有代表性的产品。其应用电路技术成熟，容易实现。7方案二：EM公司的EM4095是射频识别技术（RFID）读写终端的一款低频射频基站芯片，发射频率在00KHz150KHz之间，可用其对电子表签进行读写操作，数据传送采用条幅调制，无需外部晶振，外围电路比较简单，8如图2-2所示。图2-2 EM4095与只读模式电路由于中远距离的阅读器的阅读距离比较远，所以要求线圈的发射功率也比较大，图1所示的发射电路无法达到所需功率，因此，线圈输出部分要进行功率放大，以提高发射功率，增加阅读距离9。但这部分电路对参数要求较高，不利于短期设计与调试。通过比较，选取第一种方案，选用ATMEL公司的U2270B基站芯片作为射频模块进行本RFID阅读器的研究与开发。2.2通信模块阅读器的通信主要是与上位机和射频读头模块之间的通信，通讯距离不是很远，所以，选用最常用的RS232通信接口。2.3电源模块读头模块的供电电源与控制器部分的电源正好匹配，所以要对电源部分只要一个稳定的5V直流电源。手持式阅读器的特点是可以随时，随地，不受地点限制的读取标签，因此不能用外接电源供电，而只能用5V电池供电。10由于电源电压的大小直接影响阅读器读取距离的远近，所以，对电源电压进行检测，在电压较低时作出提醒，以防止由于电池电压降低而使阅读器无法达到要求。选择看门狗芯片MAX813L对电源电压进行检测，使其在输入电压低于设定值时做出响应，进而通过单片机进行相应操作。3 软件设计流程3.1度标签流程图开始 单片机初始化 存储区的初始化，准备基本读卡参数 初始化记时器Main 循环等待一个稳定的低电平 有跳变吗？ 保存电平状态，开始记时。 Y 有跳变吗？ N Y 停止记时，取记时器记时结果ERRORST =330s？ N Y 保存电平状态，开始记时。 有跳变吗？ N Y 停止记时，取记时器记时结果ERRORST =300s？ N Y 有跳变吗？ N Y 停止记时，取记时器记时结果ERRORST =190s? Y N 开始记时3.2与上位机通讯子流程图4 下期计划01-03周：进行硬件电路设计，完成硬件电路图原理的设计和PCB板的设计。04-06周：完成相关软件流程图及主程序的设计，完成硬件电路的焊接。07-08周：硬件焊接、测试、软件编程；09-12周：进行软、硬件系统调试。13-15周：系统调试，完成论文的修改及后期整理工作，准备毕业设计答辩。参考文献：1.周靖.RFID培训知识.RFID世界网.2005年5月2.TechTagetIT专家网.RFID核心技术解密.RFID世界网.2005年8月3.RFID射频快报整理.RFID基础知识.RFID世界网4.徐精华,张小林,邓洪峰.电子标签识读终端的研究与设计. RFID世界网5 .ATMEL公司.AT89S52技术资料6.梅丽凤，王艳秋，汪毓铎，张军.单片机原理及接口技术（修订本）.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，20067.MAXIM公司.MAX232技术资料8.国际标准化组织(ISO).ISO1178