田　徑　儲海兵

摘 要：為了掌握RFID技術并應用,介紹一個基于U2270B的125 kHz的射頻卡讀寫器。它主要用軟件實現(xiàn)射頻信號的調(diào)制和解調(diào),進而實現(xiàn)了對Temic卡讀和寫操作,且利用CH375芯片實現(xiàn)系統(tǒng)的USB通信及數(shù)據(jù)傳輸,及利用SD卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫存儲,利用SD卡橋接芯片W86L388D實現(xiàn)簡單的SD卡SD模式通信操作。該讀卡器在解決實際問題時取得了很好的效果,相對于傳統(tǒng)條形碼識別有巨大優(yōu)勢,且引入USB和SD技術。

關鍵詞：RFID；USB；SD；U2270B；CH375；W86L388D；Temic；EM4100

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-054-04

Design of RFID Reader-Writer

TIAN Jing,CHU Haibing

(College of Automation,Southeast University,Nanjing,210096,China)

Abstract：To master and apply the RFID technique,this paper designs a RFID reader-writer based on U2270B radio frequency card.It implements demodulation and modulation of radio signal mainly by software to realize the readout and writing process of Temic card,USB communication and data transmission by chip CH375 and the storage of data and database by SD Card.This method successfully solved identification problems.The key techniques and innovations of this paper include that RFID reader has more advantages than bar code reader.And it introduce USB technique and SD technique.

Keywords：RFID；USB；SD；U2270B；CH375；W86L388D；Temic；EM4100

0 引 言

射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)是利用感應、電磁場或電磁波為傳輸手段,完成非接觸式雙向通信,獲取相關數(shù)據(jù)的一種自動識別技術。射頻識別卡最大的優(yōu)點就在于非接觸,因此完成識別工作時無須人工干預,適于實現(xiàn)自動化且不易損壞,可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡,操作快捷方便。目前,射頻識別技術己經(jīng)廣泛使用,準備接替目前許多人工完成的工作程序。

RFID 技術是一個嶄新的技術應用領域,它不僅涵蓋了射頻技術,還包含了射頻技術、密碼學、通信原理和半導體集成電路技術,是一個多學科綜合的新興學科。因此,對RFID技術的認識和研究具有深遠的理論意義。隨著21世紀數(shù)字化時代的到來,基于遠程信息化網(wǎng)絡管理技術和移動商務的社會需求,RFID技術智能管理系統(tǒng)將在各個領域中發(fā)揮巨大的作用。RFID技術正在成為一個新的經(jīng)濟增長點,在全球范圍內(nèi)蔓延開來,研究開發(fā)RFID技術有著巨大的經(jīng)濟效益和社會意義。

一個典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標簽、讀寫器以及計算機系統(tǒng)等部分組成。其中RFID標簽中一般保存有約定格式的編碼數(shù)據(jù),用以惟一標識標簽所附著的物體。與傳統(tǒng)的識別方式相比,RFID技術無需直接接觸、無需光學可視、無需人工干預即可完成信息輸入和處理,且操作方便快捷。能夠廣泛應用于生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設備和資產(chǎn)管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的應用領域,并且認為是條形碼標簽的未來代替品。

RFID系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號：當RFID標簽進入讀寫器工作場時,其天線產(chǎn)生感應電流,從而RFID標簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)出自身編碼等信息；讀寫器接收到來自標簽的載波信號,對接收的信號進行解調(diào)和解碼后送至計算機主機進行處理；計算機系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性,針對不同的設定做出相應的處理和控制,發(fā)出指令信號；RFID標簽的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯,控制邏輯接收指令完成存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)或其他操作。

RFID針對常用的接觸式識別系統(tǒng)的缺點加以改良,采用射頻信號以無線方式傳送數(shù)據(jù)資料,因此識別卡不必與讀卡機接觸就能讀寫數(shù)據(jù)資料。

1 系統(tǒng)總體簡介

本系統(tǒng)以AT89252單片機為控制核心,利用RFID讀寫基站U2270B對Temic公司的射頻卡(本系統(tǒng)使用EM4100卡)進行數(shù)據(jù)的讀寫。在通信方面使用USB高速通信接口,采用南京沁恒公司的USB主控芯片CH375。數(shù)據(jù)庫的存儲管理利用SD卡。

系統(tǒng)總體框如圖2所示。

2 RFID讀寫模塊

U2270B的載波頻率為100～150 kHz,其調(diào)制方式為曼徹斯特碼和雙相位碼。U2270B的電源供給可為 5 V的穩(wěn)壓電源或者是12 V的汽車蓄電池。它可以為RF場提供能量,其中在短距離運用時,外圍驅(qū)動電路簡單。U2270B還具有信號微調(diào)能力,而且其讀寫距離可達7～10 cm。U2270B 還具有電壓輸出功能可以給微處理器或其他外圍電路供電。

U2270B 具有省電模式和STANDBY 控制可選,所以設計基站電路時可以按照功能的不同要求,設計基站的外圍電路。具體電路圖如圖3所示。

本系統(tǒng)采用9 V電池供電,并通過STANDBY端進行省電模式的控制。同時通過橋式二極管來增強讀寫距離。

通過調(diào)整Rf引腳所接電阻的大小,可以將內(nèi)部振蕩頻率固定在150 kHz,然后通過天線驅(qū)動器的放大作用,在天線附近形成150 kHz的射頻場,當射頻卡進入該射頻場內(nèi)時,由于電磁感應的作用,在射頻卡的天線端會產(chǎn)生感應電勢,該感應電勢也是射頻卡的能量來源。

數(shù)據(jù)寫入射頻卡采用場間隙方式,即由數(shù)據(jù)的“0”和“1”控制振蕩器的啟振和停振,并由天線產(chǎn)生帶有窄間歇的射頻場,不同的場寬度分別代表數(shù)據(jù)“0”和“1”,這樣完成將基站發(fā)射的數(shù)據(jù)寫入射頻卡的過程,對場的控制可通過控制芯片的第6腳(CFE端)來實現(xiàn)。

由射頻卡返回的數(shù)據(jù)流可采用對射頻卡天線的負載調(diào)制方式來實現(xiàn)。射頻卡的負載調(diào)制會在基站天線上產(chǎn)生微弱的調(diào)幅,這樣,通過二極管對基站天線電壓的解調(diào)即可回收射頻卡調(diào)制數(shù)據(jù)流。應當說明,與U2270B配套的射頻卡返回的數(shù)據(jù)流采用的是曼徹斯特編碼形式。由于U2270B不能完成曼徹斯特編碼的解調(diào),因此解調(diào)工作必須由微處理器來完成,這也是U2270B 的不足之處。

3 射頻卡模塊

射頻卡選用的EM4100卡是由瑞士微電生產(chǎn)的一款用于只讀射頻卡信息傳輸?shù)募尚酒?。射頻卡由IC芯片、感應線圈組成,COIL1與COIL2為感應線圈接口。全波整流電路、C sup可以將線圈感應產(chǎn)生的能量保存供給芯片作為工作電源；時鐘選取電路將篩選頻率125 kHz的載波作為時序發(fā)生電路的基準時鐘源；內(nèi)存中64位數(shù)據(jù)依次串行輸出,通過編碼模塊輸出曼徹斯特碼；最后信號通過調(diào)制電路再由感應線圈發(fā)射出去。圖4為 EM4001芯片內(nèi)部功能圖。

EM4100全部的數(shù)據(jù)位為64位,它包含 9個開始位(其值均為‘1)、40個數(shù)據(jù)位(8個廠商信息位 +32個數(shù)據(jù)位)、14個行列奇校驗位(10個行校驗 +4個列校驗)和1個結束停止位。EM4100在向讀卡機或PC機傳送信息時,首先傳送9個開始位,接著傳送8個廠商信息或版本代碼,然后再傳送32個數(shù)據(jù)位。其中 15個校驗以及結束位用于跟蹤包含廠商信息在內(nèi)的40位數(shù)據(jù)。當EM4001上電初始化后,便依次將這64位數(shù)據(jù)反復輸出,直到卡片離開基站讀寫器失電為止。圖5為EM4100芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)信息采用曼徹斯特編碼,然后調(diào)制到載波上,影響感應線圈工作。數(shù)據(jù)“0”對應著電平下跳,數(shù)據(jù)“1”對應著電平上跳。

4 USB模塊

在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術研究的各行各業(yè)中,常常利用PC機或工控機對各種數(shù)據(jù)進行采集?，F(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡,常用的有A/D卡以及RS 232,RS 485等總線板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾,而且由于受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制,不可能掛接很多設備。而通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)的出現(xiàn),很好地解決了以上這些沖突,很容易就能實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集。

在本系統(tǒng)中,USB除了負責總線的數(shù)據(jù)采集外,還有一個很重要的作用,就是充當一個SD卡讀寫器,方便PC機對SD卡的直接操作。這樣可以在系統(tǒng)初始時方便地將數(shù)據(jù)庫導入到讀寫器中,在系統(tǒng)停運時將數(shù)據(jù)再上傳給PC機。

USB接口芯片種類繁多,其中具有代表性的有Cypress公司的SL811HS,PHILIPS公司的ISPll61A、PDIUSBD12,National公司的USBN9602,國內(nèi)則以沁恒公司的CH75系列為代表。這些芯片各有優(yōu)點,適合不同的場合。如ISPll61A支持USB協(xié)議2.0,而SL811HS可支持多種USB設備,CH375則將USB協(xié)議、MASS-STORAGE協(xié)議、SCSI協(xié)議都集成到了片內(nèi),可以直接對U盤的扇區(qū)進行讀寫,另外廠家還提供U盤文件系統(tǒng)操作庫,這使得面向U盤等設備的開發(fā)變得更便捷。

考慮到操作的簡潔性我們選擇CH375。CH375是一種通用的USB總線接口芯片,支持USB-HOST方式和USB-DEVICE/SLAVE方式。在本地端,CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出,可以方便地掛接到單片機等控制器的系統(tǒng)總線上。

CH375芯片提供了兩種操作方式,分別是內(nèi)置固件方式和外置固件方式。內(nèi)置固件方式模式下屏蔽了相關的USB協(xié)議,自動完成標準的USB枚舉配置過程,完全不需要本地端控制器的任何處理,簡化了單片機的固件編程,但是只能使用固定的端點進行數(shù)據(jù)的傳輸；外置固件雖然也使用端點0作為默認端點,但是可以根據(jù)自己的需要更靈活地定制需求,可以使用端點1作為輔助端點。內(nèi)置固件在開發(fā)上更簡單,外置固件則更靈活。

CH375的接線圖如圖6所示。

5 SD卡控制模塊

SD卡有兩種總線協(xié)議,SD協(xié)議和SPI協(xié)議?，F(xiàn)在絕大部分微控制器都集成SPI接口,所以利用這種方式與SD卡通信相對簡單方便,但SPI協(xié)議在數(shù)據(jù)交換時只允許1位數(shù)據(jù)串行傳輸,所以速度受到限制。在SD協(xié)議下,允許強大的1線到4線數(shù)據(jù)傳輸,這樣就提高了傳輸速度。但SD總線時序要求嚴格,如果用軟件模擬不僅復雜繁瑣,而且可靠性也不高,W86L388D支持SD方式的4線數(shù)據(jù)傳輸,并且根據(jù)所收到的命令能自動產(chǎn)生相應的SD時序,從而方便用戶的使用,提高了系統(tǒng)的性能。

W86L388D為臺灣華邦公司的SD卡橋接芯片。W86L388D有8位數(shù)據(jù)與16位數(shù)據(jù)寬度可以選擇,并且有專門的端口進行SD卡的檢測與讀寫保護。

W86L388D的工作電壓為3.3 V,所以在與89S52單片機進行通信的時候必須經(jīng)過一個470 Ω的電阻進行分壓處理。W86L388D的電路圖如圖7所示。

6 結 語

射頻識別技術最大的優(yōu)點就在于非接觸,因此完成識別工作時無須人工干預,適于實現(xiàn)自動化且不易損壞,可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡,操作快捷方便。所以,目前己經(jīng)廣泛使用,準備接替許多人工完成的工作程序。

讀卡器的設計主要用軟件來實現(xiàn)射頻信號的調(diào)制和解調(diào),以實現(xiàn)對Temic卡片的讀和寫操作。利用CH375芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的USB通信及數(shù)據(jù)的傳輸,利用SD卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫的存儲,同時利用SD卡橋接芯片W86L388D來實現(xiàn)簡單便捷的SD卡SD模式的通信操作。

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