0 引言

　　無線射頻識(shí)別技術(shù)RFID（ radio frequency identifiestion） 是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用其射頻信號(hào)空間禍合的傳輸特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。識(shí)別過程無須物理接觸，無須光學(xué)可視，無須人工管理即可完成信息的錄人和處理。采用RFID技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、多目標(biāo)的識(shí)別。同時(shí)，電子標(biāo)簽可讀寫、能攜帶大量數(shù)據(jù)、保密性強(qiáng)，且具有不怕污漬、灰塵等較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力。正是由于這些其它識(shí)另一方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)，RFID技術(shù)在生產(chǎn)、物流、交通、運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和巨大的發(fā)展前景。在RFID系統(tǒng)中，射頻讀寫器是識(shí)別標(biāo)簽后將采集信息送人后臺(tái)信息處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)保證RFID系統(tǒng)的可靠工作具有重要作用。本文將以Philips公司的MF RC500芯片為設(shè)計(jì)一種以AT-MEGA162 MCU為控制器的RFID射頻讀寫器。它能完成對(duì)Mifare one卡所有讀寫及控制的操作，并且還可以方便地嵌人到其他系統(tǒng)中，成為用戶系統(tǒng)的一部分。

　　射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。   從信息傳遞的基本原理來說，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞），在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的"利用反射功率的通信"奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

　　1 RFID 基本原理及系統(tǒng)組成

　　RFID 系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫器、后臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。電子標(biāo)簽，又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器或數(shù)據(jù)載體；讀寫器又稱為讀頭、通信器或讀出裝置（取決于電子標(biāo)簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)）。電子標(biāo)簽與讀寫器之間，通過禍合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間（無接觸）禍合；在藕合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換，然后由后臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)讀寫器讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以及管理分析等操作trio R FID系統(tǒng)基本組成如圖I所示。

　　基本的RFID系統(tǒng)的三部分：

　　1. 標(biāo)簽（Tag,即射頻卡）：由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信。

　　2. 閱讀器：讀?。ㄔ谧x寫卡中還可以寫入）標(biāo)簽信息的設(shè)備。

　　3. 天線：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。

　　有些系統(tǒng)還通過閱讀器的RS232或RS485接口與外部計(jì)算機(jī)（上位機(jī)主系統(tǒng)）連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

　　RFID 系統(tǒng)基本組成

　　圖1 RFID 系統(tǒng)基本組成

　　系統(tǒng)工時(shí)，讀寫器在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射電磁波（區(qū)域大小取決于工作頻率和天線尺寸），標(biāo)簽內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同。當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過讀寫器電磁波有效區(qū)域時(shí)，在電磁波的激勵(lì)下，標(biāo)簽內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷，累計(jì)到一定程度時(shí)，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)讀寫器接收到卡的數(shù)據(jù)后，解碼并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)來決定數(shù)據(jù)的有效性，然后，通過RS-232,RS- 422,RS-485或無線方式將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　在具有電阻R、電感L和電容C元件的交流電路中，電路兩端的電壓與其中電流位相一般是不同的。調(diào)節(jié)電路元件（L或C）的參數(shù)或電源頻率，可以使它們位相相同，整個(gè)電路呈現(xiàn)為純電阻性。電路達(dá)到這種狀態(tài)稱之為諧振。在諧振狀態(tài)下，電路的總阻抗達(dá)到極值或近似達(dá)到極值。研究諧振的目的就是要認(rèn)識(shí)這種客觀現(xiàn)象，并在科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)上充分利用諧振的特征，同時(shí)又要預(yù)防它所產(chǎn)生的危害。按電路聯(lián)接的不同，有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種。

　　RFID 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和開發(fā)效率的高低是系統(tǒng)能否廣泛應(yīng)用的首要因素。目前，生產(chǎn)RFR〕產(chǎn)品的公司大都采用自己的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，可供電子標(biāo)簽使用的幾種標(biāo)準(zhǔn)有」S010536,5014443, IS015693和L9018000.其中應(yīng)用多的是LSO14443,該標(biāo)準(zhǔn)由物理特性、射頻功率和信號(hào)接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成。由于在Philips的RFID系列芯片中，MF RC500可支持IS014443A所有的層，便于系統(tǒng)開發(fā)，因此，利用MF RC500可以大大提高讀寫器的開發(fā)效率，并形成較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

　　2 讀寫器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　RFID 射頻讀寫器的硬件電路主要包括微處理器AT-MEGA162,MF RC500、天線電路等。其中幾電子標(biāo)簽讀寫芯片MF RC500是整個(gè)讀寫器的，它將完成讀寫電子標(biāo)簽的所有必需功能，包括RF信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全和防碰撞等。微處 理 器 MCU是通過對(duì)MFR C501〕內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來控制MF RC500的。MF RC500實(shí)際上是MCU與電子標(biāo)簽之間進(jìn)行信息交換的媒介。

　　2.1 MF RC500功能特性介紹

　　Philips公司的MF RC500是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。MF RC5 00將先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念完全集成了在13.56 M Hz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。其內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線，可達(dá)100 mm;接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路用于IS014443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)；數(shù)字部分處理IS014443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶和 CRC）。此外，它還具有帶時(shí)鐘頻率監(jiān)視、帶低功耗的硬件復(fù)位、軟件實(shí)現(xiàn)掉電模式、帶有內(nèi)部地址鎖存和IRQ線、自動(dòng)檢測(cè)微處理器并行接口類型以及支持用于驗(yàn)證Ware系列產(chǎn)品的快速CRYPTOI加密算法等特性，這使得MF RC500更適合用于讀寫器的開發(fā)和高安全性的終端。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給讀卡器/終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

　　2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　RFID 射頻讀寫器硬件電路原理如圖2所示。為了驅(qū)動(dòng)天線，MF RC500通過TX,和件2提供13.56 MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)。射頻卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取的信號(hào)經(jīng)過夭線匹配電路送到RX 腳。MF RC500內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。使用內(nèi)部電路產(chǎn)生的VMID電壓作為 RX引腳的輸人電壓。為了提供穩(wěn)定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應(yīng)接入一個(gè)電容，在引腳VMID與RX之間需接人一個(gè)分壓電阻，另外，在天線與分壓電阻之間加人一系列電容也會(huì)提高電路的性能。

　　國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）成立于1906年，至今已有90多年的歷史。它是世界上成立早的國(guó)際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)有關(guān)電氣工程和電子工程領(lǐng)域中的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作。

　　ISO是一個(gè)組織的英語(yǔ)簡(jiǎn)稱。其全稱是International Organization for Standardization,翻譯成中文就是"國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織".成立于1947年2月23日。ISO負(fù)責(zé)除電工、電子領(lǐng)域和、石油、船舶制造之外的很多重要領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。

　　圖2 RFID 射頻讀寫器硬件電路原理圖

　　2.3 MW RC-500與微控制器的并行接口選擇

　　MF RC50 0支持不同的微控制器接口，其自帶的自動(dòng)檢測(cè)邏輯可以自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)總線的并行接口。使用信號(hào)NCS選擇芯片，在上電或硬件復(fù)位后，MF RC500也會(huì)復(fù)位它的并行微控制器接口模式，并檢查當(dāng)前的微控制器接口類型，通過復(fù)位后控制引腳的邏輯電平來識(shí)別微控制器接口。接口類型由一組固定的引腳連接來確定，如表1所示。本文選擇了復(fù)用地址線的接口類型，即地址與數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用Da --D7共8位雙向的數(shù)據(jù)地址總線。

　　微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。

　　表 1 MF RC 500引腳與接口類型

　　2.4 ATMEGA162外圍電路設(shè)計(jì)

　　RFID 讀寫器以AVR系列ATMEGA162單片機(jī)為控制進(jìn)行控制。ATMEGA162單片機(jī)自帶8路外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)/地址線、地址鎖存ALE以及 WR,RD,可以方便地與RC500的ALE,NWR,NRD直接連接。另外，它還帶有3個(gè)外部中斷，2個(gè)串口、SPI接口等，硬件資源豐富，易于對(duì)讀寫器的功能進(jìn)行擴(kuò)展，為讀寫器的多功能集成設(shè)計(jì)留有豐富的空間。ATMEGA162外圍電路原理如圖3所示。

　　AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU） 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 1997年，由Atmel公司挪威設(shè)計(jì)中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR.

　　圖 3 ATMEGA 162 外圍電路原理圖

　　3 讀寫器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)的控制程序主要是對(duì)MFR C500進(jìn)行初始化；對(duì)IC卡讀、寫、密碼驗(yàn)證、擦除等操作；與MF RC-500通信中斷處理等。

　　3.1 關(guān)鍵寄存器的設(shè)置

　　寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部分。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數(shù)據(jù)和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計(jì)數(shù)器（PC）。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。

　　為了使讀寫器能正常工作，完成基本的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收功能，需要涉及的寄存器有：頁(yè)寄存器、命令寄存器、發(fā)送控制寄存器、FlFO數(shù)據(jù)寄存器、中斷允許寄存器、InteruptRq兩寄存器等。命令寄存器的第7位IFDetectBusy是接口類型檢測(cè)狀態(tài)標(biāo)志，為0時(shí)標(biāo)志接口類型檢測(cè)完成。FIFO數(shù)據(jù)寄存器是內(nèi)部64字節(jié)FIFO緩沖器中的數(shù)據(jù)輸人與輸出端口。輸人輸出數(shù)據(jù)流在FIFO緩沖器中完成轉(zhuǎn)換，可以并行輸人輸出。Intetrupt助寄存器是中斷請(qǐng)求標(biāo)志寄存器。當(dāng)中斷產(chǎn)二生時(shí)，需要由該寄存器的相關(guān)標(biāo)志位來判斷中斷的類型。

　　FIFO存儲(chǔ)器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以增加數(shù)據(jù)傳輸率、處理大量數(shù)據(jù)流、匹配具有不同傳輸率的系統(tǒng)為目的而廣泛使用FIFO存儲(chǔ)器，從而提高了系統(tǒng)性能。FIFO存儲(chǔ)器是一個(gè)先入先出的雙口緩沖器，即個(gè)進(jìn)入其內(nèi)的數(shù)據(jù)個(gè)被移出，其中一個(gè)存儲(chǔ)器的輸入口，另一個(gè)口是存儲(chǔ)器的輸出口。對(duì)于單片F(xiàn)IFO來說，主要有兩種結(jié)構(gòu)：觸發(fā)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)。觸發(fā)導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)的FIFO是由寄存器陣列構(gòu)成的，零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)的FIFO是由具有讀和寫地址指針的雙口RAM構(gòu)成。

　　3.1.1 頁(yè)寄存器

　　MF RC50 0共有64個(gè)寄存器，8個(gè)寄存器為一頁(yè)，每頁(yè)的個(gè)寄存器為頁(yè)寄存器，其設(shè)置如圖4所示。其地址分別為 0x00,0",Ox10,Ox18,Ox20,Ox28,Ox30,Ox38o其初始值均為10000000,0x80.頁(yè)寄存器用于選擇寄存器頁(yè)，通過對(duì)該寄存器的設(shè)置可以確定對(duì)本頁(yè)內(nèi)寄存器的尋址方式。

　　圖4 頁(yè)寄存器設(shè)置

　　將 Use PageSelect位置1,則可對(duì)本頁(yè)內(nèi)的寄存器尋址，PageSelect的內(nèi)容作為寄存器地址的A5、A4、A3此3位可以尋址8頁(yè)，每頁(yè)有7個(gè)寄存器，可由A2、A1、Ao來選擇。

　　3.1.2 發(fā)送控制寄存器

　　發(fā)送控制寄存器，其設(shè)置如圖5所示?？刂芃F RC500的兩個(gè)天線引腳TX1,和TX2上輸出信號(hào)的種類，其地址為0x11,初始值為01011000,0x58

　　圖 5 發(fā)送控制寄存器設(shè)置

　　將T X2CW 位置0,TX2引腳上輸出信號(hào)的是13.56M Hz 的調(diào)制載波。將TX2RFEn置1,TX2引腳上輸出調(diào)制有傳送數(shù)據(jù)的13.56 MHZ載波。將TX1RFEn位置1,TX1引腳上輸出調(diào)制有傳送數(shù)據(jù)的13.56 MHz載波。

　　3.1.3 中斷允許寄存器

　　MF RC50 0具有計(jì)時(shí)器中斷、發(fā)送中斷、接收中斷、閑置中斷等6個(gè)中斷源。通過對(duì)中斷允許寄存器的設(shè)置可以使能中斷請(qǐng)求。SetIEn為中斷允許位，將該位置1時(shí)，該寄存器內(nèi)其它的中斷控制位有效。 TimerlEn,TxIEn,Rx lEn分別為計(jì)時(shí)器中斷允許、發(fā)送中斷允許和接收中斷允許控制位，如圖6所示。

　　圖6 中斷允許寄存器設(shè)置

　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)對(duì)以上寄存器的操作，可以得出系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程如圖7所示。依照此流程，讀寫器可以完成對(duì)電子標(biāo)簽的基本的讀寫操作。

　　圖7 軟件流程圖

　　在完成讀寫操作的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行豐富和補(bǔ)充，可使讀寫器在所有處于天線場(chǎng)范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽中，通過防沖突循環(huán)，得到其中一張電子標(biāo)簽的序列號(hào)，選擇此標(biāo)簽進(jìn)行驗(yàn)證，通過后對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作。

　　本文設(shè)計(jì)的RFID射頻讀寫器充分結(jié)合硬件、軟件優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)IS014443A協(xié)議的Mifare one卡的讀寫，讀寫距離可達(dá)6 cm.如果合理地設(shè)計(jì)天線系統(tǒng)并進(jìn)行優(yōu)化，還可以增至9一10 cm.該讀寫器可以方便地與包括PC在內(nèi)的串口設(shè)備連接，易于針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象嵌人到其他各射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)中。由于所選控制器程序存儲(chǔ)單元為 Flash存儲(chǔ)，可重復(fù)編程，升級(jí)方便。該讀寫器具有成本低廉、響應(yīng)速度快、通信穩(wěn)定可靠、操作便利等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊，對(duì)RED的推廣有重要意義。

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