基于射频识别技术的多协议读写器设计报告

河海大学计算机及信息工程学院（常州）课程设计报告题目专业综合实习报告专业学号0862610305学生姓名授课班号271301指导教师完成时间2011-12-6基于射频识别技术的多协议读写器设计摘要：该射频识别（RFID）读写器由微控制单元、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/标签等部分组成。

基于电磁波的能量传输原理，RFID利用射频卡/标签和读写器内部自带的天线激发形成电磁场，通过电磁波能量效应和信息效应，构建起非接触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的交互操作。

该装置具有存储量大、可读写、穿透力强、识别距离远、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。

在具体方案实施和执行中，该装置由ATmega16完成整个系统的控制，以CLRC632芯片为核心的读写器实现与射频卡/标签之间的无线通信与指令应答，实现了多协议的方便切换，成功开发出适用于现有各种主流RFID协议的非接触式射频卡/标签的读写器。

关键词：射频识别；电磁波；射频卡/标签AbstractThe radio frequency identification (RFID) reader consists of micro-control unit, radio frequency reader module, high-frequency power amplifier module, antenna, communication interface, LCD modules, radio frequency cards / tags, etc. Based on the principle of electromagnetic wave energy transmission, RFID uses radio frequency cards / tags and the built-in antenna within the reader to stimulate the formation of electromagnetic fields and builds up the non-contact information transmission channels through electromagnetic waves to transmit information which results in a series of interactive operation such as achieving identification, data exchange and so on. The device has features of large memory capacity, being able to read and write, strong penetrating power,long identification distance, fast identification speed, long life and good environmental adaptability, and has a wide range of applications in the filed of public transport, logistics management and identification . In the process of implementation and enforcement of specific programs, mega16 in the device complete the whole system of control orders and tasks,as the core of the reader card the CLRC632 chip and the Mifare1 card reader achieve wireless communication and command between the response and instructions for response to realize the convenience of multi-protocol switching, successfully developed to be applied to all major RFID existing agreements with non-contact RF card / tag reader.Keywords: radio frequency identification; electromagnetic wave; radio frequency cards / tags.一．基于射频识别技术的多协议读写器设计思想1.多协议读写器的工作原理RFID 系统是按电磁波能量耦合原理工作的。

由读写器向射频卡/标签发射特定频率的无线电磁波。

当射频卡/标签靠近读写器时，受读写器发射的电磁波激励，卡片内的 LC 谐振电路产生共振并且接收电磁波能量。

当射频卡/标签接收到足够的能量时，就将卡内存储的识别资料以及其他数据以无线电波的方式输到读写器并且接受读写器对卡内数据的进一步操作。

该卡的读写过程是由射频卡/标签与读写器之间通过无线电磁波来完成读写操作。

射频卡/标签是一种无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的 LC 产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。

另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据的修改、存储等，并返回给读写器，完成一次读写操作。

2．电磁场与电磁波理论基础2.1 电磁场理论每个运动的电荷或者说电流，都伴随有磁场，为了在电感耦合式RFID 系统的写/读设备中产生交变磁场，采用了“短圆柱形线圈”或用导体回路来做磁性天线。

如图1：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不变的，而后则急剧下降，在自由空间，线圈的近场中磁场强度的衰减大约为60dB/10倍频程，在形成电磁波的远场中变得比较平缓，为20dB/10倍频程。

2.2 射频匹配电路设计原理在本设计中，为提高整个系统的使用范围，在芯片选择上使用功能更加强大的 CLRC632，这也是整个系统的核心部分。

CLRC632 内部集成了振荡器缓冲，连接外部的 d H r13.56MHz 的石英震荡晶体，以获取低相位抖动。

由于提供给CLRC632 的时钟要作为同步系统的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一个重要因素，为了获得最佳性能，时钟抖动应该尽可能小。

CLRC632 根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，通过由TX1、TX2 引脚驱动的天线以电磁波的形式发出去，IC 卡采用RF场的负载调制进行响应。

天线拾取IC 卡的响应信号经过天线匹配电路送到RX 引脚，CLRC632 内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。

处理后的数据发送到并行接口由ATmega16读取。

该系统在13.56MHz 频率下操作，石英晶振产生用于驱动CLRC632 以及作为驱动天线的13.56MHz 能量载波的基频，会产生比该频率更高的谐波，因此对输出信号必须进行适当的滤波，低通滤波器元件包括L1 和C11。

2.3 天线与电磁波理论射频识别系统的阅读器要通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场来对电子标签进行识别。

为了驱动天线,CLRC632 通过TX1 和TX2 提供13.56MHz 的能量载波。

根据寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号。

IC 卡采用RF 场的负载调制进行响应。

天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX 脚。

CLRC632 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。

然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。

天线的方向性图即指该辐射区域中辐射场的角度分布，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，无功近场区的外界基本上由波长决定，辐射远场区的内界应满足大于无功近场区外界的约束.当天线尺寸(D或L)与波长可比或大于波长时，其辐射近场区域大致在R,与Rz之间.有关天线场区的划分，一方面表示了天线周围场的分布特点，即辐射场中的能量以电磁波的形式向外传播，无功近场中的射频能量以磁场、电场的形式相互转换并向外传播;另一方面表示了天线周围场强的分布情况，距离天线走近，场强越强。

读写器天线线圈的电流I 产生一个磁通量的部分穿过卡的线圈在卡的线圈感应出一个电压。

电压被整流当工作电压到达后卡的IC 被激活感应电压会随着读卡器天线和射频卡/标签的距离不同而变化。

由于电压会变化工作距离受到传输的功率限制。

图3 读写器天线原理图图2 发射波与射频卡反射波的传播天线设计具体步骤为：非接触式IC 卡天线利用电感耦合产生磁通，磁通用来向卡提供电源，并且在两者间传输数据。

因此对读写器天线的构造有以下几个基本要求：使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量Φ；功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；足够的带宽以无失真地传送数据调制的载波信号。

由于CLRC632 的频率是13.56MHz，属于短波段，因此可以采用小环天线。

天线的最大几何尺寸与工作波长之间没有严格的界限，一般定义为：L ／λ≤1／π；上式中，L 是天线的最大尺寸，λ是工作波长。

对于13.6MHz 的系统来说，天线的最大尺寸在 50厘米左右。

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=(2πf 0·L)／R式中2πf 0是工作频率，L 是天线的电感量，R 是天线的电阻值。

通过品质因数可以很容易计算出天线的传输带宽：B=f 0／Q从式中可以看出，天线的传输带宽与品质因数成反比关系。

因此，过高的品质因数会导致传输带宽缩小，从而减弱 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。

计算需要转换的阻抗的方法是使用smith 软件仿真。

图4 天线线圈匹配电路二．射频识别技术读写器的数据传输与通信1．设计目的射频身份识别技术（RFID ）是综合利用了电磁波的能量效应与信息效应的新兴识别技术，是现今研究的一个热点。

RFID 行业目前正处于上升期，但由于目前标准众多，造成了读写器指令不一致、安置要求不同等原因，使得在具体使用过程中有很多不便，迫切需要一种有一定通用性的多协议RFID 读写设备，以满足对不同协议的射频卡/标签进行读写操作。