摘要：本文設(shè)計了能對低頻和高頻RFID 卡進行操作的雙頻RFID 讀寫系統(tǒng),。系統(tǒng)基于ARM微處理器S3C44B0X,，利用S3C44B0X 的內(nèi)部接口實現(xiàn)與RFID 模塊和其它外設(shè)的連接，簡化了硬件,。軟件設(shè)計中,，通過對ARM 嵌入式系統(tǒng)的編程實現(xiàn)對RFID 卡的讀寫、顯示以及數(shù)據(jù)的存儲,、查詢等功能,。系統(tǒng)還可通過USB 接口與上位機(PC)連接，使用方便靈活,。

　　1 引言

　　RFID（Radio Frequency Identification Technology,，無線射頻識別技術(shù)）由于具有高速移動物體識別、多目標(biāo)識別和非接觸識別等特點,，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間,，被認(rèn)為是21 世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一,。射頻識別技術(shù)雖然有很多優(yōu)點，但其技術(shù)本身也有局限性,。對RFID 系統(tǒng)而言,，低頻系統(tǒng)具有良好的對水、肉體等可導(dǎo)媒介的穿透力,，而速度,、距離、抗沖突性較差,；而高頻系統(tǒng)則正好相反,。如能結(jié)合各種頻率系統(tǒng)，用其所長,，則可以使RFID 適應(yīng)多種場合,，拓展其應(yīng)用范圍。本文設(shè)計的系統(tǒng)正是基于這一出發(fā)點,，將低頻和高頻二種頻率的RFID 模塊組合在一起,，構(gòu)成雙頻系統(tǒng)，使系統(tǒng)兼具低頻可穿透性和高頻良好的距離,、速度,、抗沖突性等方面的優(yōu)勢。鑒于目前國內(nèi)市場上應(yīng)用最為廣泛的射頻卡和讀寫器實現(xiàn)方法,，本文采用ARM 嵌入式系統(tǒng)作為微控制器,，設(shè)計了能對低頻125KHz 和高頻13.56MHz 的二種頻率RFID 卡操作的讀寫模塊，實現(xiàn)了的雙頻RFID 讀寫系統(tǒng),。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　由于ARM 微處理器具有運行速度快,，接口功能豐富，其應(yīng)用越來越廣泛,。本文采用三星公司的S3C44B0X,，它是ARM7 系列的低功耗的32 位RISC 處理器，具有ARM7TDMI內(nèi)核,，有豐富的內(nèi)置部件,，包括8K 字節(jié)Cache 和內(nèi)部SRAM，帶自動握手聯(lián)絡(luò)的2 通道UART,，定時器,，通用 I/O 口，ADC 和I2C-BUS 控制器等,。尤其是它的內(nèi)置液晶顯示器接口,，可直接連接LCD 顯示器，無需專用LCD 顯示器接口芯片,，可使成本降低,，很適合在本系統(tǒng)中使用,。讀寫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　整個系統(tǒng)由ARM 嵌入式系統(tǒng)(包括S3C44B0X,SDRAM 存儲器和FLASH 存儲器),，低頻RFID 卡讀寫模塊,，高頻RFID 卡讀寫模塊，USB 接口,，LCD 顯示器以及蜂鳴器,、狀態(tài)指示燈等組成。RFID 模塊是北京華閏得公司開發(fā)的具有串行數(shù)據(jù)通信接口的模塊,，低頻讀寫模塊是CR001,，為工作于125kHz 的EM4001 卡；高頻模塊是CR013,，為工作于13.56MHz的MF 卡,。由于RFID 模塊具有TTL 電平的串行通信接口，這樣ARM 微處理器可直接通過片上的二個UART 接口與其連接,，不需要電平轉(zhuǎn)換即可輕松實現(xiàn)與RFID 模塊的通信,。嵌入式系統(tǒng)與PC 機的連接則通過USB 接口實現(xiàn)。

　　因為低頻 RFID 卡一般都是只讀卡,，進入讀卡器磁場范圍后,，就自動發(fā)出信號。ARM微處理器通過不斷檢測端口捕捉信號,，一旦讀到卡,，就讀取信息，并在LCD 上顯示,。對于高頻卡,，可根據(jù)需要進行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

　　LCD 顯示器采用320*240 點陣的STN 型彩色液晶模塊，可直接與S3C44B0X 連接,，成本也較低。對LCD 的顯示控制直接使用S3C44B0X 內(nèi)部的LCD 驅(qū)動控制器實現(xiàn),，它能自動產(chǎn)生LCD 驅(qū)動控制所需的信號,。在這種接口方式下，LCD 顯示緩沖區(qū)映射在系統(tǒng)的存儲器空間上,，程序只需將像素點內(nèi)容寫入存儲器對應(yīng)地址就可以實現(xiàn)對應(yīng)LCD 屏上像素點顏色的顯示刷新,，控制十分方便。

　　鍵盤和狀態(tài)指示燈的操作控制采用 ZLG7290 實現(xiàn),。ZLG7290 是一款功能較強的按鍵處理和7 段數(shù)碼管顯示專業(yè)芯片,，提供了I2C 串行接口和鍵盤中斷信號，可方便地與S3C44B0X連接,。

　　在上位機(PC 機)上,，通過設(shè)計專門的軟件實現(xiàn)對RFID 卡的讀寫操作,，并對RFID 卡進行管理。由于PC 機功能強大,，如再配上數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),，可以對大量用戶的數(shù)據(jù)和信息進行存儲和查詢等處理，滿足多種應(yīng)用的需要,。

　　3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　3.1 RFID 模塊操作

　　CR001 模塊與S3C44B0X 的串口（UART0）相連,，在接收數(shù)據(jù)前首先要對UART0 進行初始化。根據(jù)CR001 的使用規(guī)范,，設(shè)置波特率為9600Baud,，數(shù)據(jù)位為8 位，1 位停止位,，無校驗位,。為使ARM 對低頻RFID 卡及時作出響應(yīng)，軟件采用中斷方式接收數(shù)據(jù),，即當(dāng)S3C44B0X 的UART0 接收到數(shù)據(jù)時,，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中接收CR001 模塊的數(shù)據(jù),。

　　根據(jù) CR001 射頻讀寫模塊的使用規(guī)范,，CR001 模塊輸出的數(shù)據(jù)包有5 個字段，即起始符（STX,，02H）,、數(shù)據(jù)（10 個ASCII 字符）、校驗和（2 個ASCII 字符）,、LD 和LF（0DH和0AH）,、結(jié)束符（ETX，03H）,。因此在軟件設(shè)計中,，當(dāng)收到UART0 的數(shù)據(jù)時，首先要判斷一個數(shù)據(jù)包的起始符和結(jié)束符,，以確定一個數(shù)據(jù)幀的起止位置,，然后再檢驗數(shù)據(jù)的校驗和是否正確。只有在接收的數(shù)據(jù)無誤時,，再將其中的數(shù)據(jù)取出,、存儲，并在LCD 上顯示,。中斷服務(wù)軟件的流程如圖2 所示,。

圖 2 CR001 模塊的中斷服務(wù)程序流程

　　CR013 射頻讀寫模塊是采用Philips 公司的Mifare 技術(shù)設(shè)計的微型嵌入式、非接觸式IC卡讀寫模塊，內(nèi)嵌ISO14443 Type A 協(xié)議解釋器,，并可直接驅(qū)動射頻天線,。這是一種以被動方式工作的卡，剛進入天線有效感應(yīng)區(qū)的卡得電進入空閑（IDLE）狀態(tài),，它只吸收感應(yīng)區(qū)內(nèi)的磁場能量,，不會首先發(fā)出信號。當(dāng)讀卡設(shè)備發(fā)出請求信號,，符合條件的卡才會響應(yīng),。因此處理器與模塊之間以一問一答式的半雙工方式進行通信。

　　對 CR013 模塊的讀寫過程相對較復(fù)雜,，要執(zhí)行一系列的操作指令,，包括詢卡、請求,、防沖突,、選卡、裝載密鑰,、驗證密碼,、讀塊、寫塊,，這一系列的操作必須按固定的順序,。尋卡時，處理器需要執(zhí)行請求,、防沖突,、選卡操作，與CR013 模塊建立起通信關(guān)系,，在通過裝載密鑰,、驗證密碼操作后，才可進行讀卡或?qū)懣ú僮鳌?/p>

　　1,、防沖突

　　防沖突就是從多張卡中選出一張卡來操作,，又叫防碰撞、防重疊,。如果知道卡的序列號,，則可跳過此步，直接執(zhí)行下一步選卡命令,。若不知道卡的序列號，則必須調(diào)用防碰撞函數(shù),，得到感應(yīng)區(qū)內(nèi)卡的序列號,。若同時有多張卡在感應(yīng)區(qū)內(nèi)，防碰撞函數(shù)能檢測到，并且從中選出一張卡的序列號來,。

　　2,、選擇卡片

　　根據(jù)上一步收到的卡號，發(fā)出選卡命令,。經(jīng)過這一步后才真正選中了一張要操作的卡,，以后的操作都對這張卡進行。

　　整個尋卡過程包括請求,、防沖突,、選卡三個步驟。當(dāng)微處理器發(fā)出尋卡命令時,，實際上微處理器執(zhí)行了以上3 個步驟,。為防止死鎖，本文設(shè)置每步操作的最大次數(shù)為3 次,，若3次不成功則尋卡失敗,。程序流程如圖3 所示。

圖3 CR013 模塊尋卡程序流程

　　3,、密鑰裝載和驗證密碼

　　微處理器發(fā)出讀,、寫命令后，在進行讀寫操作前必須先執(zhí)行密鑰裝載和驗證密碼,。驗證密碼又叫認(rèn)證,、證實。模塊將裝載到讀卡芯片F(xiàn)M1702SL 中的密碼與卡中指定扇區(qū)的密碼進行認(rèn)證,，如果密碼相同,，則認(rèn)證成功，卡允許進行讀寫操作,。

　　3.2 LCD 顯示軟件設(shè)計

　　LCD 用于顯示用戶操作界面,，為此需要在屏幕上繪制圖形，顯示數(shù)據(jù)和文字,。在對LCD 控制器進行操作前,，首先要對LCD 控制器的專用寄存器進行初始化，內(nèi)容包括定義3個LCD 控制寄存器,，3 個幀緩沖區(qū)地址寄存器和3 個顏色查找表寄存器,。

　　為了在 LCD 上顯示字符和圖形，需要建立繪圖和字符顯示庫函數(shù),。繪圖函數(shù)包含一些基本的繪圖功能,，如畫點、畫線,、畫矩形框和區(qū)域填充等,。其中畫點是最基本的函數(shù)，其它函數(shù)都可以調(diào)用畫點函數(shù)實現(xiàn)。

　　為了在 LCD 上顯示字符,，還要建立ASCII 字符和漢字字符的點陣庫和顯示函數(shù),。顯示ASCII 字符的原理是在特定的坐標(biāo)位置畫點，形成人們可以識別的字符圖形,。點的坐標(biāo)根據(jù)建立的ASCII 字符點陣庫來確定,。ASCII 字符的點陣庫可以根據(jù)字符的點陣位置生成點陣數(shù)組供調(diào)用。漢字的顯示原理與ASCII 字符相同,，事先也要建立漢字點陣字庫,，這一過程可通過專用的字庫生成軟件實現(xiàn)。另外,，為了節(jié)省存儲器空間,，只需建立本系統(tǒng)要用到的漢字小字庫，而不必生成所有常用字的點陣,。

　　3.3 鍵盤和指示燈的軟件設(shè)計

　　對鍵盤和指示燈的操作控制是由 ZLG7290 實現(xiàn)的,，由于S3C44B0X 具有I2C 接口，因此可直接與ZLG7290 連接,。編程時首先要對I2C 總線進行初始化,，然后打開鍵盤中斷。當(dāng)鍵盤有鍵被按下時,，ZLG7290 的INT 引腳會產(chǎn)生一個低電平的中斷請求信號,。在ARM 的中斷程序中通過I2C 總線讀取鍵值，再根據(jù)鍵值完成相應(yīng)功能,。

　　3.4 USB 接口通信

　　為方便與 PC 機接口,，本系統(tǒng)采用應(yīng)用廣泛的USB 接口與PC 機通信。因S3C44B0X 本身不帶USB 接口,，必須要進行擴展,。但是，USB 接口協(xié)議非常復(fù)雜,，固件編程和WDM 驅(qū)動程序的編寫都是相當(dāng)麻煩的工作,。為降了設(shè)計難度，縮短開發(fā)周期,，本文采用哈爾濱訊通公司的通用串行總線模塊USB100,。該模塊內(nèi)部封裝了USB 協(xié)議和細(xì)節(jié)，即插即用,，完全滿足USB1.1 標(biāo)準(zhǔn),，對 USB 接口的操作如同對外部存儲器操作一樣方便，無需任何外接元件,。

　　USB100 模塊有2 根狀態(tài)信號RXF 和TXE,，用于與ARM 聯(lián)絡(luò),。RXF 為低表示模塊有數(shù)據(jù)輸出，ARM 可以讀取數(shù)據(jù),；TXE 則表示USB100 發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)，TXE 為低表示USB100 發(fā)送緩沖器未滿,，可以向發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù),。在編程時，可以采用查詢方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā),。

　　3.5 RTC 實時時鐘顯示功能

　　為了顯示讀卡和寫卡的時間,，需要使用實時時鐘（RTC）。S3C44B0X 具有一個獨立的RTC 功能模塊,，能夠像鐘表和日歷一樣保存并自動計算時間,。RTC 的寄存器保存了表示時間的8 位BCD 碼數(shù)據(jù)，包括秒,、分,、時、日,、星期,、月和年，編程時主要是對這些參數(shù)進行初始化設(shè)置,。在LCD 上顯示實時時鐘時,，需定時地從上述的寄存器中取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于LCD 上字符是根據(jù)ASCII 碼顯示的,，而RTC 的寄存器中存放的時間參數(shù)都以BCD 碼形式存儲,，因此在LCD 顯示日期和時間之前，必須先對時間數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換,，即將BCD碼轉(zhuǎn)換為ASCII 碼,。

　　3.6 PC 機軟件

　　PC 機軟件基于windows 操作系統(tǒng)，采用Visual C# 2005 進行編程,。軟件的功能主要包括在PC 機上顯示操作面板,，通過與ARM 嵌入式系統(tǒng)通信實現(xiàn)對RFID 卡的讀寫操作，并將卡的相關(guān)信息在PC 機上顯示,；此外,，軟件還能訪問數(shù)據(jù)庫，將從卡中讀取的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中,，或?qū)?shù)據(jù)庫中的取出數(shù)據(jù)寫入RFID 卡,，還能根據(jù)用戶的需要查詢相關(guān)信息。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft office Access 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),，并采用結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）對數(shù)據(jù)庫訪問,。

　　4 結(jié)束語

　　本文以 ARM 微處理器S3C44B0X 為核心,，設(shè)計實現(xiàn)了RFID 雙頻讀寫器系統(tǒng)。在對高頻RFID 卡的尋卡過程中,，通過對最大操作次數(shù)的限制,，有效地防止了死鎖。系統(tǒng)具有LCD 顯示器,，通過鍵盤操作便可對RFID 卡的進行讀寫,。設(shè)計的USB 接口可方便地與PC機連接，在PC 機上實現(xiàn)對RFID 卡的操作,。系統(tǒng)功能強,，使用靈活，可滿足多種應(yīng)用場合,。由于采用了低成本的ARM 微處理器,，簡化了硬件，提高了系統(tǒng)的性價比,。