無線射頻" title="射頻">射頻識別技術RFID" title="RFID">RFID( radio frequency identifiestion) 是20世紀90年代興起的一種非接觸的自動識別技術，利用其射頻信號空間禍合的傳輸特性,，可以實現(xiàn)對被識別物體的自動識別,。識別過程無須物理接觸，無須光學可視,，無須人工管理即可完成信息的錄人和處理,。采用RFID技術，可以實現(xiàn)對運動目標,、多目標的識別,。同時，電子標簽" title="電子標簽">電子標簽可讀寫,、能攜帶大量數(shù)據(jù),、保密性強，且具有不怕污漬,、灰塵等較強的環(huán)境適應力,。正是由于這些其它識另一方式無法比擬的優(yōu)勢，RFID技術在生產(chǎn),、物流,、交通、運輸,、醫(yī)療,、防偽等領域有著廣泛的應用和巨大的發(fā)展前景。在RFID系統(tǒng)中,，射頻讀寫器" title="讀寫器">讀寫器是識別標簽后將采集信息送人后臺信息處理系統(tǒng)的關鍵設備,，對保證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芯片為核心設計一種以AT-MEGA162 MCU為控制器的RFID射頻讀寫器,。它能完成對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)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)一般由電子標簽、讀寫器、后臺計算機組成,。電子標簽,，又稱為射頻標簽、應答器或數(shù)據(jù)載體;讀寫器又稱為讀頭,、通信器或讀出裝置(取決于電子標簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)),。電子標簽與讀寫器之間，通過禍合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)禍合;在藕合通道內(nèi),，根據(jù)時序關系,，實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換，然后由后臺計算機對讀寫器讀取的數(shù)據(jù)進行存儲以及管理分析等操作trio R FID系統(tǒng)基本組成如圖I所示,。

        系統(tǒng)工時,，讀寫器在一個區(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)，標簽內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路,，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同,。當電子標簽經(jīng)過讀寫器電磁波有效區(qū)域時,，在電磁波的激勵下,，標簽內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應電荷,，累計到一定程度時,，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,，解碼并進行錯誤校驗來決定數(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)傳送到后臺計算機中,，進行數(shù)據(jù)處理,。

        RFID 系統(tǒng)的標準化和開發(fā)效率的高低是系統(tǒng)能否廣泛應用的首要因素。目前,，生產(chǎn)RFR〕產(chǎn)品的公司大都采用自己的標準,，國際上還沒有形成統(tǒng)一的標準。現(xiàn)在,，可供電子標簽使用的幾種標準有」S010536,5014443, IS015693和L9018000,。其中應用最多的是LSO14443,該標準由物理特性、射頻功率和信號接口,、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)一的標準,。

        2 讀寫器硬件系統(tǒng)設計

        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。其中幾電子標簽讀寫芯片MF RC500是整個讀寫器的核心,，它將完成讀寫電子標簽的所有必需功能,，包括RF信號的產(chǎn)生、調制,、解調,、安全認證和防碰撞等。微處 理 器 MCU是通過對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實際上是MCU與電子標簽之間進行信息交換的媒介,。任何標簽上數(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,，就能實現(xiàn)對MF RC500的控制,。

        2.1 MF RC500功能特性介紹

        MF RC5 00將先進的調制和解調概念完全集成了在13.56 M Hz下所有類型的被動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動近操作距離的天線,，可達100 mm;接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路用于IS014443A兼容的應答器信號;數(shù)字部分處理IS014443A幀和錯誤檢測(奇偶和CRC),。此外，它還具有帶時鐘頻率監(jiān)視,、帶低功耗的硬件復位,、軟件實現(xiàn)掉電模式、帶有內(nèi)部地址鎖存和IRQ線,、自動檢測微處理器并行接口類型以及支持用于驗證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 硬件電路設計

        RFID 射頻讀寫器硬件電路原理如圖2所示,。為了驅動天線,，MF RC500通過TX,和件2提供13.56 MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設定對發(fā)送數(shù)據(jù)進行調制得到發(fā)送的信號,。射頻卡采用RF場的負載調制進行響應,。天線拾取的信號經(jīng)過夭線匹配電路送到RX腳。MF RC500內(nèi)部接收器對信號進行檢測和解調并根據(jù)寄存器的設定進行處理,，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進行讀取,。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引腳與地之間應接入一個電容,，在引腳VMID與RX之間需接人一個分壓電阻，另外,，在天線與分壓電阻之間加人一系列電容也會提高電路的性能,。

        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,，其自帶的自動檢測邏輯可以自動適應系統(tǒng)總線的并行接口。使用信號NCS選擇芯片,，在上電或硬件復位后,，MF RC500也會復位它的并行微控制器接口模式，并檢查當前的微控制器接口類型,，通過復位后控制引腳的邏輯電平來識別微控制器接口,。接口類型由一組固定的引腳連接來確定，如表1所示,。本文選擇了復用地址線的接口類型,，即地址與數(shù)據(jù)分時復用Da --D7共8位雙向的數(shù)據(jù)地址總線。當ALE為高電平時,，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上的信號控制完成對MF RC500的讀寫,。
 
        2.4 ATMEGA162外圍電路設計

        RFID 讀寫器以AVR系列ATMEGA162單片機為控制核心進行控制,。ATMEGA162單片機自帶8路外部存儲器數(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個外部中斷,2個串口、SPI接口等,，硬件資源豐富,，易于對讀寫器的功能進行擴展，為讀寫器的多功能集成設計留有豐富的空間,。ATMEGA162外圍電路原理如圖3所示。

　    3 讀寫器軟件系統(tǒng)設計

        單片機的控制程序主要是對MFR C500進行初始化;對IC卡讀,、寫,、密碼驗證、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對MF RC500進行初始化,，即對關鍵寄存器的操作。

        3.1 關鍵寄存器的設置

        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是接口類型檢測狀態(tài)標志，為0時標志接口類型檢測完成,。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緩沖器中完成轉換，可以并行輸人輸出,。Intetrupt助寄存器是中斷請求標志寄存器,。當中斷產(chǎn)二生時，需要由該寄存器的相關標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介紹及設置,。

        3.1.1 頁寄存器

        MF RC50 0共有64個寄存器,，,8個寄存器為一頁，每頁的第一個寄存器為頁寄存器,，其設置如圖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,，通過對該寄存器的設置可以確定對本頁內(nèi)寄存器的尋址方式,。

        將 Use PageSelect位置1，則可對本頁內(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,。本文對寄存器的尋址使用的是MF RC500手冊給出的寄存器的絕對地址,，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，其設置如圖5所示,?？刂芃F RC500的兩個天線引腳TX1，和TX2上輸出信號的種類,，其地址為0x11,，初始值為01011000,0x58

        將T X2CW 位置0，TX2引腳上輸出信號的是13.56M Hz 的調制載波,。將TX2RFEn置1,TX2引腳上輸出調制有傳送數(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具有計時器中斷、發(fā)送中斷,、接收中斷,、閑置中斷等6個中斷源。通過對中斷允許寄存器的設置可以使能中斷請求,。SetIEn為中斷允許位,，將該位置1時，該寄存器內(nèi)其它的中斷控制位有效,。 TimerlEn,TxIEn,Rx lEn分別為計時器中斷允許,、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

         3.2 系統(tǒng)軟件設計

        根據(jù)對以上寄存器的操作，可以得出系統(tǒng)軟件設計的流程如圖7所示,。依照此流程,，讀寫器可以完成對電子標簽的一次基本的讀寫操作。

        在完成讀寫操作的基礎上,，對系統(tǒng)軟件進行豐富和補充,，可使讀寫器在所有處于天線場范圍內(nèi)的電子標簽中，通過防沖突循環(huán),，得到其中一張電子標簽的序列號,，選擇此標簽進行驗證，通過后對存儲器進行操作,。典型的操作時問不超過100ms

        本文設計的RFID射頻讀寫器充分結合硬件,、軟件優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對IS014443A協(xié)議的Mifare one卡的讀寫,，讀寫距離可達6 cm,。如果合理地設計天線系統(tǒng)并進行優(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)的串口設備連接，易于針對不同的應用對象嵌人到其他各射頻識別應用系統(tǒng)中,。由于所選控制器程序存儲單元為Flash存儲,，可重復編程，升級方便,。該讀寫器具有成本低廉,、響應速度快、通信穩(wěn)定可靠,、操作便利等優(yōu)點,，應用前景十分廣闊,，對RED的推廣有重要意義。

        第一作者 南忠良 男,1965年生,，現(xiàn)為天津大學精密儀器與光電子工程學院 在讀博士研究生 副教授;主要從事光電檢側與計算機視覺技術,、檢測技術及系統(tǒng)的研究。