第8章(4学时)-RFID读写器

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
6.4.3通信链路信号分析 1. 前向信号编码与调制
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。
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。
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。
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。
（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。
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．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。
（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（MF RC500），再加 上一些必要的外围器件组成。
1．MF RC500芯片的特性
2．MF RC500芯片引脚的功能
6.3.2 基于MF RC500芯片的读写器 1．基于AT89S51和MF RC500的读写器系统 根据RFID原理和MF RC500的特性，可设计基于AT 89S51和MF RC500的RFID读写器系统
（1）系统硬件设计。 系统主要由AT89S51、MF RC500、时钟电路、看 门狗、MAX232和矩阵键盘等组成。系统先由MCU控 制MF RC500，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，MF RC500通过TX1和TX2提供 13.56MHz的载波。根据寄存器的设定MF RC500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MF RC500的RX脚。 MF RC500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。
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
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5 000b/s。
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。
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。
6.3高频写器
6.3.1 MF RC500芯片
Philips公司的MF RC500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。 MF RC500支持ISO/IEC 14443 A所有的层，MF RC500还支 持快速CRYPTOI加密算法，用于验证MIFARE系列产品。MF RC500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。
2．基于P89C58BP和MF RC500的读写器系
统
根据RFID原理和MF RC500的特性，可以设计基于 P89C58BP和MF RC500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。
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。
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。
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。
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的目的。
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。