射频识别系统中读写器的设计

计算机技术与发展第22卷　第7期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.22　No.7

2012年7月July　2012COMPUTERTECHNOLOGYANDDEVELOPMENT

射频识别系统中读写器的设计

赵云青1,徐文军1,张晓华1,赵文武2,王　智3

(1.空军工程大学机要系,北京100195;2.中国银行软件中心,北京100070;

3.95997部队,北京100076)

摘　要:文中以射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术的实际应用为背景,设计了一款基于ISO/IEC15693标准的高频远距离RFID读写器,具有识别距离远、读写速度快等特点,可应用于超市自动售货、图书馆等管理系统。在理论分析的基础上详细介绍了读写器的整体架构以及重要模块的硬件设计及软件设计,论文最后还对读写器的性能进行了全面测试,测试结果表明读写器能很好地支持ISO/IEC15693标准的各种命令,达到了高频远距离读写器的各项目标。目前该读写器成功地应用到某系统集成商的会议签到系统。关键词:射频识别;读写器;电子标签

中图分类号:TP273　　　　　　文献标识码:A　　　　　　　文章编号:1673-629X(2012)07-0238-04

DesignofRadioFrequencyIdentificationReader

ZHAOYun-qing1,XUWen-jun1,ZHANGXiao-hua1,ZHAOWen-wu2,WANGZhi3

(1.ConfidentialDepartmentofAirForceEngineeringUniversity,Beijing100195,China;

2.BankofChinaSoftwareCenter,Beijing100070,China;

3.95997Army,Beijing100076,China)

Abstract:ItdesignsalongdistanceRFIDreaderwithhighfrequencycarrieronthebasisoftheRFIDtechnologyapplication.Thereaderhascharacteristicsoflongreadingdistance,fastreadingdistance,fastreadingspeed.Theninthispaper,thehardwareandsoftwareofthereaderhasbeenputforwardonbasisofanalysisoftheory.Introducethestructureofthesystemindetail,anddesignallthekeymodulesofthesystem.Finally,doacomprehensivetestingfortheperformanceofthereader.Testingresultshowsreadercansupportwelltheor-dersofISO/IEC15693standard.ThereadersreachesthetargetasalongdistanceRFIDreader,andithasbeensuccessfullyappliedtoaattendanceconferencesystem.

Keywords:radiofrequencyidentification;reader;E-tag

0　引　言

射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术,又称电子标签、无线射频识别,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便[1,2]。RFID作为无线通信和自动识别技术的一种完美结合,被认为是21世纪最有前途的IT技术之一。RFID已经成为全球学术界、工业界和有关标准化组织所关心的一个新热点。目前我国拥有产品门类最为齐全的装备制造业,又是全球最重要的生产加工基地和消费市场,即将成为世界第二大贸易国。这些都为我国RFID

产业与应用的发展提供了巨大的市场空间、带来了难得的发展机遇,RFID技术与应用必将成为我国信息产新的增长点[3~5]。

业发展和信息化建设的一个新机遇,并成为国民经济

射频识别系统是由读写器、标签和计算机通信网

络组成的,其中,读写器是可以利用射频技术读写标签信息的设备。文中设计了一款基于ISO/IEC15693标准的高频远距离RFID读写器,具有快速防冲突解析和读写能力,配合不同的天线,读写距离远,是开放式签到系统、无障碍通道、门禁、考勤、数字化景区的理想选择,也可用于贵重物品防盗、货物通道的进出识别等领域。

收稿日期:2011-10-12;修回日期:2012-01-16

作者简介:赵云青(1980-),女,硕士,研究方向为计算机应用技术、信息安全。

1　主要功能模块硬件的设计

读写器硬件电路[6~8]主要包括了:射频识别模块

电路、微控制器电路、串行接口电路、射频收发电路、电

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源电路等,其结构框图见图

1。频信号必须经过一个滤波匹配网络才能输出到大功率放大电路。L1与C3组成一个并联谐振网络,谐振的频率为13.56MHz,其作用是对射频输出信号进行选频和滤波。

1.2　微控制器电路的设计

图1　读写器系统图

1.1　射频识别模块电路的设计

射频识别模块电路是整个读写器的核心电路之一,具体电路见图2,其中S6700芯片是读写器的核心部分。该芯片是TI公司开发的针对非接触IC卡读写的多协议收发器。它工作在13.56MHz频率下,采用SS0P20封装,+5V供电,内部封装有发送调制器和接收解调器,采用曼彻斯特编码方式。S6700能够支持以下三种协议:TITAG-IT协议、ISO/IEC15693-2、ISO/IEC14443-2。模块接口电路由射频信号接口电路与微控制器相连的数字接口电路两部分组成。图2

序是由微控制器电路实现的。此外,外部的一些控制功能,如用在远距离门禁系统中可以用一个管脚去控制继电器的开关,从而控制门禁系统的门磁也是由微控制器电路实现的。微控制器电路结构见图

3。P89LPC936单片机[9,10],该单片机是一款低成本单片80C51器件的6倍。P89LPC936集成了多种系统级功256字节RAM数据存储空间,此外还有512字节的附而实现ISO/IEC15693标准的时域解码与防碰撞算法都需要大量的内存,这就为后面程序的编写带来了便执行指令仅需要2到4个时钟周期,速度是标准能,以便极大减少元件数目和减小电路板面积,从而降低系统成本。其内部有16kb的flash程序存储空间,

微控制器采用的是PhilipsSemiconductor公司的

ISO/IEC15693标准的物理程序、串口通信协议程

封装微控制器。P89LPC936基于高性能的处理架构,

电路中,电路的射频输出信号RF_OUT与功率放大电路连接,射频接收信号RF_IN与接收调制电路相连接,XTAL_OUT输出13.56MHz的时钟信号,作为控制器外部输入时钟。SCLOCK、DIN、DOUT是微控制器与S6700

加片内RAM及512字节用户数据EEPROM存储区,

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利。最后P89LPC936的I/O可承受5V,每位I/O口可以单独控制并配置成不同的工作模式,增加了电路设计的灵活性,也很好解决了5V系统与3V系统的电平连接问题,P89LPC936支持在线编程,方便系统软件的升级。所以设计中选择了P89LPC936微控制器。

在图3中U11是电压范围为2.4~3.6V,

5V电源转换为3V电源,提供微控制器工作

5209芯片,其功能是将

图4　USB虚拟串口电路

电压,U1是电源监控芯片CAT811,监控微控制器的电源和外部强制复位信号。微控制器通过P0.3、P0.4、P1.3、P1.4与电压D/A转换器LTC12571N8L的输入P0.5与射频识别模块电路通信。微控制器的P1.2、

3　读写器软件设计

读写器的工作流程[5]分为下面几个部分:(1)将读写器初始化,其中包括为读写器设定生

相连,通过控制D/A的输出电压来控制功率放大器的输出功率。TXD、RXD与串行通信接口电路相连,如果串行电路是RS485时还要外加一根口线CTRL_485,控制485数据的传输方向。此外控制器电路还有几个管脚如LED、LED0、CNTL用来控制发光二极管和无源蜂鸣器,作为读卡时的声光提示。为了提高系统的可靠性,RST端管脚是外部强制复位管脚,当系统出现异常或死机时可以在外部控制电源监控芯片CAT811的强制复位管脚,强制复位微控制器。

产厂商信息、出品的日期、机器号等信息,这些信息是这些信息是每台读写器的唯一标识,上位机必须首先获得这些信息,然后采用轮询的方式控制读写器;直接控制模式;

(2)将S6700的工作模式初始化,即将其设置为

生产商跟踪该读写器的唯一信息,所以是必须的,同时

(3)连接上位机软件;(4)等待上位机命令;(5)进入相应的工作模式。

2　串行接口电路设计

行接口电路。采用USB接口[11],主要是考虑到这种通信接口的应用越来越广泛。随着USB接口的广泛使用,USB接口有可能会取代目前个人计算机上的串口和并口。另外,本读写器采用基于USB接口的虚拟串口电路,目的是为了能够兼容上位机基于串口的应用程序,同时,为了使用的灵活性和考虑到成品的成本,虚拟串口电路将单独制作一块PCB板,电路见图4。　　FIDI公司开发的FT232BM是USB虚拟串口电路

为了提高系统的可扩展性,本系统采用了USB串

读写器的工作过程见图5。

4　系统测试

系统测试的主要工作包括读写器功能完整性测试和读写器可靠性测试。前者主要在指令模式进行,测试读写器能否正确执行所有的命令功能,后者在自动寻卡模式下进行,主要测试读写器读写距离、各种条件下的防碰撞效果。

·测试的主要设备:已装测试软件及USB转串口

驱动的PC机,读写器,天线,USB连接线,18V直流电源等。

·测试步骤:

的核心器件,FT232BM用来实现USB到UART接口的转换。在图4所示的电路中CNI是USB接口,它连接计算机的USB接口,USB接口除两根数据线、地线外还能为整个模块电路提供5V的电源,CN2是UART接口,连接微控制器的串口。

(1)用电缆将读写器与天线连接;

(2)用USB连接线连接读写器与PC机;

(3)读写器连接电源上电,等待正常工作指示灯

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应用也越来越广泛,应用范围不仅涉及到生产、管理等领域,而且涉及到了人们日常生活的方方面面。这样一个背景下,文中设计开发了一款基于ISO/IEC15693标准的高频远距离RFID读写器,本读写器目前已经达到了应用推广阶段。

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图5　读写器总的工作流程

亮;

(4)打开测试软件进行测试。·测试内容:(1)指令模式测试。(2)自动寻卡模式测试。

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性,测试中使用的标签是TI的Tagit,测试结果表明读ISO/IEC15693操作命令。

写器能很好地执行自定义读写器命令及标签支持的

自动寻卡模式下的测试目的是检测读写器的性能

指标,如读写的距离、抗干扰能力、读写的速度等。测70cm,以此推断双天线的工作距离可达到1.3m以上,达到了某些场合的商用指标。

试结果表明读写器在单天线的正常识别距离可以达到

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5　结束语

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射频识别系统中读写器的设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

赵云青， 徐文军， 张晓华， 赵文武， 王智

赵云青,徐文军,张晓华(空军工程大学机要系,北京100195)， 赵文武(中国银行软件中心,北京100070)， 王智(95997部队,北京100076)计算机技术与发展

Computer Technology and Development2012(7)

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