（合同范本）基于射频识别技术的多协议读写器设计报告

河海大学计算机与信息工程学院(常州)课程设计报告学科专业综合实践报告专业学生编号0862610305学生姓名班级编号271301教师完成时间：2011年12月6日基于射频识别技术的多协议阅读器设计该射频识别阅读器由微控制器、射频读写模块、高频功率放大模块、天线、通信接口、液晶显示模块、射频卡/标签等组成。基于电磁波的能量传输原理，射频识别利用射频卡/标签和读写器内部的天线来激发和形成电磁场。通过电磁波的能量效应和信息效应，构建非接触式信息传输通道来传输信息，实现身份识别和数据交换等一系列交互操作。该装置具有存储容量大、读写能力强、穿透力强、识别距离长、识别速度快、使用寿命长、环境适应性好等特点，在公共交通、物流管理、身份识别等领域有着广泛的应用。在具体方案的实施和执行中，ATmega16控制整个系统，以CLRC632芯片为核心的读写器实现与射频卡/标签的无线通信和命令响应，实现多协议的便捷切换，并成功开发出适用于现有各种主流射频识别协议的非接触式射频卡/标签读写器。关键词：射频识别；电磁波；射频卡/标签摘要射频识别阅读器由微控制单元、射频阅读器模块、高频功率放大器模块、天线、通信接口、液晶模块、射频卡/标签等组成。基于电磁波能量传输的原理，射频识别利用射频卡/标签和内置在阅读器内的天线来刺激电磁场的形成，并通过电磁波建立非接触式信息传输通道来传输信息，从而实现识别、数据交换等一系列交互操作。该装置具有存储容量大、可读写、穿透力强、识别距离长、识别速度快、寿命长、环境适应性好的特点，在公共交通、物流管理和识别领域有着广泛的应用。在具体方案的实施和执行过程中，mega16在设备中完成了整个系统的控制命令和任务，以读卡器为核心的CLRC632芯片和Mifare1读卡器实现了无线通信，命令之间的响应和指令之间的响应实现了多协议切换的便捷性，成功开发出适用于所有主要的射频识别现有协议的非接触式射频卡/标签读卡器。关键词：射频识别；电磁波；射频卡/标签。8/8一、基于射频识别技术的多协议阅读器的设计思想1.多协议阅读器的工作原理射频识别系统是根据电磁波能量耦合原理工作的。读写器向射频卡/标签发射特定频率的无线电电磁波。当射频卡/标签靠近读写器时，它被读写器发射的电磁波激发，卡中的液晶谐振电路谐振并接收电磁波能量。当射频卡/标签接收到足够的能量时，它将以无线电波的形式将卡中存储的识别数据和其他数据传送给读写器，并接受读写器对卡中数据的进一步操作。通过射频卡/标签和读写器之间的无线电磁波完成卡的读写过程。射频卡/标签是一个被动体。当读写器读写卡时，读写器发出的信号由两部分组成：一部分是电源信号。卡接收到信号后，它会与自己的液晶发生共振，并产生瞬时能量来为芯片供电。另一部分与数据信号结合，指示芯片完成数据修改、存储等。并将其返回给读写器以完成读写操作。2.电磁场与电磁波的理论基础2.1电磁场理论每一个移动的电荷或电流都伴随着磁场。为了在电感耦合射频识别系统的写/读设备中产生交变磁场，使用“短圆柱线圈”或导体环作为磁性天线。图1:rHd图1射频识别系统发射天线周围的磁力线研究表明，从线圈半径(或面积)到一定距离的磁场强度几乎是恒定的，然后急剧下降。在自由空间中，磁场强度在线圈近场的衰减约为60dB/10倍频程，而在形成电磁波的远场则相对平缓，为20dB/10倍频程。2.2射频匹配电路设计原则在本设计中，为了提高整个系统的使用范围，芯片选择采用了功能更强大的CLRC632，这也是整个系统的核心部分。CLRC632内置一个振荡器缓冲器，并连接一个外部13.56兆赫应时振荡器晶体，以获得低相位抖动。由于提供给CLRC632的时钟将用作同步系统编码器和解码器的时间基准，因此频率的稳定性是正确执行的重要因素。为了获得最佳性能，时钟抖动应尽可能小。CLRC632根据寄存器的设置对传输缓冲器中的数据进行调制，得到一个传输信号，该信号通过由TX1和TX2引脚驱动的天线以电磁波的形式传输，ic卡通过射频场的负载调制进行响应。天线拾取集成电路卡的响应信号通过天线匹配电路发送到RX引脚，CLRC632的内部接收缓冲器检测和解调该信号，并根据寄存器的设置进行处理。处理后的数据被发送到并行接口，由ATmega16读取。系统工作频率为13.56兆赫。应时晶体振荡器产生一个驱动CLRC632的基频和一个用作驱动天线的13.56兆赫能量载波，后者产生比该频率更高的谐波。因此，必须对输出信号进行适当滤波。低通滤波器元件包括L1和C11。2.3天线和电磁波理论射频识别系统的读取器应该通过天线传输能量，以形成电磁场来识别电子标签。为了驱动天线，CLRC632通过TX1和TX2提供13.56兆赫的能量载波。根据寄存器的设置。集成电路卡响应射频场的负载调制。天线拾取的信号通过天线匹配电路发送到RX引脚。CLRC632内部连接接收器检测和解调信号，并根据寄存器的设置进行处理。然后数据被发送到并行接口，由微控制器读取。天线的方向性图是指辐射场在辐射区的角度分布，因此远场区是天线辐射场区中最重要的一个。对于给定的工作频率，反应性近场区的外部环境基本上由波长决定，并且辐射远场区的内部边界应该满足比反应性近场区的外部环境更大的约束。当天线尺寸(D或L)相当于或大于波长时，辐射近场区大致在R和Rz之间。关于天线场区的划分，一方面，它体现了天线周围场的分布特征，即辐射场的能量以电磁波的形式向外传播，而电抗近场的射频能量以磁场和电场的形式向外转化和传播；另一方面，它显示了天线周围的场强分布图3阅读器天线示意图图2射频卡发射波和反射波的传播天线设计的具体步骤如下：非接触式IC卡天线使用电感耦合来产生磁通量，从而为卡供电并在两者之间传输数据。因此，对读取器天线的结构有几个基本要求：最大化天线线圈的电流以产生最大磁通量；功率匹配，以最大限度地利用产生磁通量的可用能量；足够的带宽来传输无失真的数据调制载波信号。由于CLRC632的频率为13.56MHz，属于短频段，因此可以使用小型环形天线。天线的最大几何尺寸和工作波长之间没有严格的限制，一般定义为：l/1/；在上式中，L是天线的最大尺寸，是工作波长。对于13.6兆赫系统，天线的最大尺寸约为50厘米。在天线设计中，品质因数q是一个非常重要的参数，品质因数的计算公式为：q=(2 f0l)/r其中2f0是工作频率，l是天线的电感，r是天线的电阻值。天线的传输带宽可以很容易地通过品质因数来计算：b=F0/q从公式中可以看出，天线的传输带宽与品质因数成反比。因此，过高的品质因数将导致传输带宽的降低，从而削弱PCD的调制边带，导致PCD无法与卡通信。一般系统的最佳品质因数为10 30，最大值不能超过60。计算待转换阻抗的方法是使用史密斯软件模拟。图4天线线圈匹配电路二。射频识别阅读器的数据传输与通信1.设计目标射频识别是一种综合利用电磁波的能量效应和信息效应的新型识别技术，是当今研究的热点。射频识别行业目前正处于上升期。然而，由于众多的标准，由于不一致的读取器/写入器指令和不同的放置要求，在特定的使用过程中存在许多不便。迫切需要一种具有一定通用性的多协议射频识别读写器设备来满足不同协议射频卡/标签的读写需求。2.总体系统框图图5电磁波识别装置的系统框图3.系统重要功能模块介绍3.1微控制器单元整个读卡器的控制核心采用低功耗、高性能的8位AVR微处理器mega16。采用高性能处理器结构，指令执行时间仅为一个时钟周期，大大降低了功耗和电磁干扰。此外，它集成了许多系统级功能，并使用其丰富的内部资源。与传统的51系列单片机相比，它可以大大减少元器件数量和电路板面积，不仅降低了设计难度，而且提高了系统的可靠性，降低了系统成本。3.2射频读写模块的工作原理读写器向射频卡/标签发送一组固定频率的电磁波。该卡有一个液晶串联谐振电路，其频率与读写器发出的频率相同。在电磁波的激发下，液晶谐振电路发生谐振，从而在电容器中产生电荷。在电容器的另一端，连接一个单向导通的电子泵，将电容器中的电荷输送到另一个电容器储存。当累积电荷达到2V时，电容器可用作电源，为其它电路提供工作电压，以传输卡中的数据或从读写器接收数据。该卡的天线是一个只有几个绕组的线圈，适合封装到IS0卡中。根据寄存器的设置，天线发送调制数据。集成电路卡响应射频场的负载调制，获得接收信号。天线拾取的信号通过天线匹配电路发送到下一个电路进行处理。3.3射频集成电路卡/标签模块读卡器完全支持13.56兆赫的所有类型的非接触式通信模式和协议，适用于基于国际标准化组织/国际电工委员会14443A/B/B和国际标准化组织015693标准的各种应用，要求低成本、小尺寸、高性能和单电源非接触式通信。Can iden射频集成电路卡由集成电路芯片和感应天线组成，封装在标准的聚氯乙烯卡中，没有外露部分。非接触式集成电路卡的读写过程是通过集成电路芯片和读写器之间的电磁波来完成的。非接触式集成电路卡是一个被动体。当读写器读写卡时，读写器发出的信号由两部分组成：一部分是电源信号。卡接收到信号后，它会与自己的液晶发生共振，并产生瞬时能量来为芯片供电。另一部分与数据信号结合，指示芯片完成数据修改、存储等。并将其返回给读写器以完成读写操作。3.4高频功率放大器模块读写器的功率放大部分采用高频功率放大器三极管和液晶选频网络组成C类功率放大电路对信号进行放大。3.5通信接口设计液晶模块的信息通过RS232串口连接。数据通过并行接口