摘 要：為適應(yīng)無線射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，對(duì)基于MF RC500的RFID射頻讀寫器進(jìn)行了研究。介紹了RFID系統(tǒng)的基本原理及結(jié)構(gòu)框架，并對(duì)MF RC500芯片做了簡單的介紹和說明，然后給出了實(shí)際的電路原理圖，并根據(jù)關(guān)鍵寄存器的設(shè)置給出了使讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽完成讀寫基本功能的流程圖。測(cè)試表明該方案可行，讀寫器工作穩(wěn)定、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、升級(jí)方便，可集成傳感器或無線通信裝置應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、醫(yī)療等領(lǐng)域，有一定的發(fā)展?jié)摿Α?
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芯片為核心設(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)(如門禁、收費(fèi))中，成為用戶系統(tǒng)的一部分。
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。
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。
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)用最多的是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)讀寫器的核心，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)、安全認(rèn)證和防碰撞等。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。任何標(biāo)簽上數(shù)據(jù)讀寫均須通過MF RCS00來傳遞。傳送不同類型的指令給MF RC500，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)MF RC500的控制。
2.1 MF RC500功能特性介紹
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。
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。
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。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，將AD。一ADe的地址鎖存人內(nèi)部的地址鎖存器 中，然后由NRD和NWR上的信號(hào)控制完成對(duì)MF RC500的讀寫。
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)為控制核心進(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。
圖 3 ATMEGA 162 外圍電路原理圖
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。本文主要介紹使用單片機(jī)對(duì)MF RC500進(jìn)行初始化，即對(duì)關(guān)鍵寄存器的操作。
3.1 關(guān)鍵寄存器的設(shè)置
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。以下為頁寄存器、發(fā)送控制寄存器、中斷允許寄存器的詳細(xì)介紹及設(shè)置。
3.1.1 頁寄存器
MF RC50 0共有64個(gè)寄存器，,8個(gè)寄存器為一頁，每頁的第一個(gè)寄存器為頁寄存器，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。頁寄存器用于選擇寄存器頁，通過對(duì)該寄存器的設(shè)置可以確定對(duì)本頁內(nèi)寄存器的尋址方式。
圖4 頁寄存器設(shè)置
將 Use PageSelect位置1，則可對(duì)本頁內(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，每頁有7個(gè)寄存器，可由A2、A1、Ao來選擇。該位置0，則寄存器地址由內(nèi)部地址鎖存器的全部內(nèi)容來決定。本文對(duì)寄存器的尋址使用的是MF RC500手冊(cè)給出的寄存器的絕對(duì)地址，所以各頁的頁寄存器該位一律置0.
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。中斷允許寄存器的地址為0x06，初始值為OOOOOOOO,Ox00o
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)簽的一次基本的讀寫操作。
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。典型的操作時(shí)問不超過100ms
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。
第一作者 南忠良 男,1965年生，現(xiàn)為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 在讀博士研究生 副教授;主要從事光電檢側(cè)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)的研究。
