公安部第三研究所 秦燕飛美銀寶網(wǎng)絡(luò)信息有限公司 薛竑彥上海天麥信息科技有限公司 胡月平上海安迪人力資源有限公司 孫 航

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一種雙模讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)

公安部第三研究所 秦燕飛
美銀寶網(wǎng)絡(luò)信息有限公司 薛竑彥
上海天麥信息科技有限公司 胡月平
上海安迪人力資源有限公司 孫 航

【摘要】當(dāng)前智能卡主要分為接觸式智能卡與非接觸式兩大類，其中非接觸式智能卡又以使用便捷、可靠性高等諸多優(yōu)點成為市場應(yīng)用的主流。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)特別是射頻識別技術(shù)的發(fā)展，針對各類非接觸式智能卡的讀寫器得到了廣泛使用與普及。通過對低頻段中最常見的EM4001與ATAT5567兩種非接觸式智能卡的原理及特點分析，提出了一種通過微控制器產(chǎn)生125KHz振蕩到放大以激活智能卡的方法，運用電感耦合原理實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼的技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于RFID的低頻段雙模讀寫器。

【關(guān)鍵詞】射頻識別；讀寫器；EM4001卡；ATA5567卡

0　引言

射頻識別技術(shù)是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，又稱為電子標(biāo)簽技術(shù)，是自動識別技術(shù)的一種創(chuàng)新[1]。它以無線通信技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)為核心，利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現(xiàn)對靜止或移動目標(biāo)的自動識別，高效地獲得目標(biāo)信息數(shù)據(jù)，通過與互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的結(jié)合可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)目標(biāo)的跟蹤與信息的共享[2]。

射頻識別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽（又稱射頻卡）、讀寫器和系統(tǒng)主機構(gòu)成[3]。目前RFID系統(tǒng)主要分為低頻、高頻、和微波系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)的工作頻率范圍為30KHz ～300KHz，典型工作頻率有125KHz和134.2KHz。低頻系統(tǒng)的特點是電子標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)存儲量較少，讀取距離較短，天線方向性不強。低頻RFID系統(tǒng)比較成熟，主要用于短距離、數(shù)據(jù)量較低的射頻識別系統(tǒng)。高頻系統(tǒng)的工作頻率范圍為3MHz～30MHz，典型的工作頻率有6.75MHz、13.56MHz和27.125MHz。高頻系統(tǒng)的特點是傳輸速率較高，可以傳送較大的數(shù)據(jù)，天線方向性不強。高頻RFID系統(tǒng)也是屬于比較成熟且應(yīng)用范圍較廣的系統(tǒng)。工作頻率大于300MHz的通常稱為微波系統(tǒng)，微波系統(tǒng)中典型的工作頻率有433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz，其中433MHz、860/960MHz也稱為超高頻系統(tǒng)。微波系統(tǒng)的特點是傳輸速率高，讀取距離遠(yuǎn)，天線有較強的方向性。微波系統(tǒng)主要用于長距離、數(shù)據(jù)量較大、需高速讀寫的場合。

在低頻系統(tǒng)中，最常用的電子標(biāo)簽有瑞士EM公司的EM4001卡（為只讀型卡）及美國Atmel公司的ATA5567卡（為讀寫型卡），由于技術(shù)成熟且制造成本低，這兩種卡被廣泛應(yīng)用于出入口控制系統(tǒng)、樓宇門禁、車輛及倉儲管理等領(lǐng)域[4]。

1　射頻識別相關(guān)技術(shù)

1.1基本原理

射頻識別技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，整個過程無須人工干預(yù)。射頻識別的基本原理如圖1所示。

圖1　射頻識別的基本原理框圖

在低頻系統(tǒng)中電子標(biāo)簽與讀寫器間的耦合方式為電感耦合，電感耦合方式的基礎(chǔ)是由電感與電容組成的諧振回路以及電感線圈產(chǎn)生的交變磁場。諧振回路通常有串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路。根據(jù)串并聯(lián)諧振特性，串聯(lián)諧振時回路電流最大，可以獲得較大的磁場強度H和磁感應(yīng)強度B，因而在讀寫器中常采用串聯(lián)諧振方式。并聯(lián)諧振時回路激勵電壓最大，對電子標(biāo)簽來講可以產(chǎn)生工作所需的足夠能量，因而在電子標(biāo)簽中常采用并聯(lián)諧振方式[5]。但以上方式并不是唯一的，有時也會根據(jù)實際情況采用串并聯(lián)組合的方式，以達(dá)到最佳效果。

在低頻系統(tǒng)中電子標(biāo)簽向讀寫器的信息傳輸采用負(fù)載調(diào)制技術(shù)，負(fù)載調(diào)制有電阻負(fù)載調(diào)制和電容負(fù)載調(diào)制兩種方法。電子標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)時常采用曼徹斯特編碼與ASK調(diào)制方式，讀寫器則采用包絡(luò)檢波并配合低通濾波還原數(shù)據(jù)。

1.2EM4001卡原理及特點

EM4001是瑞士EM微電子公司（EM Microelectronic）生產(chǎn)的CMOS集成電路，用于只讀型射頻電子標(biāo)簽的芯片，由該芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽也稱EM4001卡[6]。

EM4001卡的特點：

·工作頻率為100～150KHz；

·已固化的64位只讀存儲器；

·數(shù)據(jù)傳輸速率有RF/64、RF/32、RF/16；

·編碼方式有Manchester、Biphase、PSK；

·調(diào)制方式為ASK調(diào)制；

·可內(nèi)置電容；

·有電壓保護(hù)；

·超低功耗；

·超小體積。

EM4001卡存儲結(jié)構(gòu)如圖2所示，存儲器內(nèi)共有64位，分為5部分，即9個前導(dǎo)位、40個數(shù)據(jù)位、10行奇偶校驗位、4列偶校驗位以及1個停止位。

圖2　EM4001卡存儲結(jié)構(gòu)[6]

EM4001卡是只讀型卡，且為無源卡。當(dāng)卡片未被激活時不會向外發(fā)送任何數(shù)據(jù)。只有當(dāng)被來自讀寫器的射頻能量場激活后，才會向外連續(xù)、循環(huán)發(fā)送64位數(shù)據(jù)，且發(fā)送數(shù)據(jù)的順序是先前導(dǎo)位，然后是10組4個數(shù)據(jù)加每行的偶校驗位，最后是4列的偶校驗位加停止位，直到斷電為止。

1.3ATA5567卡原理及特點

ATA5567可讀寫射頻識別芯片最初由德國Temic半導(dǎo)體公司開發(fā)，后由美國Atmel公司生產(chǎn)，由該芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽也稱ATA5567卡[7]。

ATA5567卡的特點：

·工作頻率為100～150KHz；

·為可讀寫射頻卡；

·兼容ISO/IEC11784和11785標(biāo)準(zhǔn)；

·除兼容e5550工作模式外，還具有擴展工作模式；

·卡內(nèi)有330位存儲空間，分為10塊，每塊33位，包含32位數(shù)據(jù)位和1個鎖定位；

·可實現(xiàn)存儲器讀寫的密碼保護(hù)和永久性寫保護(hù)；

·數(shù)據(jù)傳輸速率在RF/8～RF/128范圍內(nèi)可配置；

·調(diào)制編碼方式有FSK、PSK、 Manchester、Biphase、NRZ；

·具備規(guī)則讀和直接塊讀兩種數(shù)據(jù)讀取方式，可選擇快速寫功能；

·內(nèi)部存儲器允許擦寫次數(shù)為105，數(shù)據(jù)保存時間20年。

ATA5567卡內(nèi)部有330位E2PROM存儲空間，為可讀寫型卡，如圖3所示。該存儲空間分為2頁，共10塊，每塊包含鎖定位在內(nèi)有33位。

圖3　ATA5567卡存儲結(jié)構(gòu)[7]

ATA5567卡有兩種讀模式，即規(guī)則讀（Regular-read）和塊讀（Block-read），讀模式的數(shù)據(jù)傳送方向為卡到讀寫器。規(guī)則讀是從E2PROM的0頁的塊1的第1位開始讀，直至模式字的MAXBLK參數(shù)指定的塊的第32位，然后再次返回塊1的第1位重新開始。規(guī)則讀也是ATA5567卡在上電復(fù)位后及檢測到相應(yīng)錯誤后的默認(rèn)操作。塊讀是讀寫器通過向ATA5567卡發(fā)送命令的方式讀取指定塊中的數(shù)據(jù)。此時指定數(shù)據(jù)塊有兩種狀態(tài)，一種是數(shù)據(jù)塊未受密碼保護(hù)可直接讀取，另一種是數(shù)據(jù)塊受到密碼保護(hù)只有驗證密碼通過后才能讀取數(shù)據(jù)。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所描述的雙模讀寫器主要實現(xiàn)EM4001卡與ATA5567卡數(shù)據(jù)的讀取、存儲、上傳、復(fù)制等功能，硬件架構(gòu)如圖4所示，以微控制器為核心，包括模擬電路、數(shù)字電路及電源管理三部分。其中模擬電路包含125KHz載波發(fā)生、緩沖電路、調(diào)制/解調(diào)、濾波、放大電路、天線及匹配電路等；數(shù)字電路包含實時時鐘、存儲器、通信接口等；電源管理包含DC/DC變換、電壓監(jiān)測等。

圖4　硬件架構(gòu)

讀寫器的工作流程如圖5所示，上電后通過工作模式的設(shè)定可分別工作在讀EM4001卡模式和讀/寫ATA5567卡模式。讀寫器產(chǎn)生射頻能量場，在一定距離范圍內(nèi)激活射頻卡，通過電感耦合方式連續(xù)接收射頻卡發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在存儲器中，通過通信接口可將數(shù)據(jù)上傳至計算機，完成整個讀卡過程。

圖5　工作流程

3　系統(tǒng)的實現(xiàn)

讀寫器主要實現(xiàn)EM4001卡、ATA5567卡數(shù)據(jù)的讀取、存儲、復(fù)制以及與計算機的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的實現(xiàn)將主要從數(shù)據(jù)讀寫、控制電路、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交互和電源管理五個模塊著手，圍繞硬件電路的設(shè)計展開，最后將簡要描述軟件設(shè)計過程。

3.1數(shù)據(jù)讀寫

讀寫器中數(shù)據(jù)讀寫模塊的設(shè)計是一個十分重要的模塊設(shè)計部分，其功能框圖如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)讀寫模塊功能框圖

從圖6中可以看出，數(shù)據(jù)讀寫模塊由兩部分組成，即發(fā)送通道和接收通道。發(fā)送通道通過產(chǎn)生能量足夠強的125KHz載波，以激活射頻卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀?。淮送獍l(fā)送通道可采用通/斷射頻能量場的方式將數(shù)據(jù)寫入卡片；接收通道利用電感耦合原理，從高達(dá)幾十伏的信號中提取出有用信號送至微控制器以實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼。發(fā)送通道電路如圖7所示，接收通道電路如圖8所示。

圖7　發(fā)送通道電路

如圖7所示，微控制器的一個端口輸出頻率為125KHz、周期為8us的矩形波，該矩形波與控制信號經(jīng)與門電路輸出至緩沖級，同時緩沖級對微控制器來講還起到隔離作用，緩沖級輸出的連續(xù)能量場或通/斷能量場經(jīng)功率放大電路放大后加到由LC組成的簡單諧振回路上，以激活射頻卡。

圖8　接收通道電路

如圖8所示，在接收通道中，經(jīng)諧振回路耦合回來的射頻信號首先通過檢波電路去除負(fù)信號，并濾除載波信號，然后送入放大電路對微弱信號進(jìn)行放大，再用比較電路對放大后的信號進(jìn)行整形，完成整個接收過程，將整形后的信號送入微控制器的比較/捕獲輸入端口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼。

3.2控制電路

控制模塊是讀寫器中的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)解碼、存儲、交互及電源監(jiān)控等，其功能框圖如圖9所示。

圖9　控制模塊功能框圖

如圖9所示，微控制器通過內(nèi)部定時器產(chǎn)生125KHz矩形波輸出，對接收通道輸出的曼徹斯特碼進(jìn)行解碼，將解碼后的數(shù)據(jù)保存在外部存儲器，通過串行接口與計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，對工作電壓進(jìn)行監(jiān)測，并輸出相應(yīng)狀態(tài)指示。

3.3數(shù)據(jù)存儲

讀寫器將解碼后的數(shù)據(jù)保存在存儲器中，如圖10所示。采用X5645[8]存儲芯片，該芯片的使用較簡單，由于采用SPI接口因而可以用微控制器的任何I/O端口與之連接，微控制器的I/O端口通過模擬SPI時序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)寫入與讀出。

圖10　數(shù)據(jù)存儲模塊電路

3.4數(shù)據(jù)交互

讀寫器通過標(biāo)準(zhǔn)串行接口與計算機連接，將存儲器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機。數(shù)據(jù)交互模塊采用Sipex3232[9]芯片作為接口芯片，如圖11所示，將微控制器的USART0配置成波特率為9600，8-N-1，即8位數(shù)據(jù)，無奇偶校驗，1位停止位。

圖11　數(shù)據(jù)交互模塊電路

3.5電源管理

讀寫器采用+12V供電，通過電源管理模塊為讀寫器中的模擬與數(shù)字電路提供工作所需的各種電源，其功能框圖如圖12所示。

圖12　電源管理模塊功能框圖

3.6軟件設(shè)計過程

按讀寫器的工作流程，軟件由以下五個模塊組成。

1)初始化

完成微控制器內(nèi)部基礎(chǔ)時鐘模塊的配置；端口功能定義，包括輸入、輸出及第二功能；定時器、比較器、串行通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等的控制寄存器中控制字的寫入。

2) 模式設(shè)定

設(shè)置讀寫器的工作模式，即讀EM4001卡或ATA5567卡，同時設(shè)定速率，即讀EM4001卡時為固定速率RF/64，讀ATA5567卡時用RF/64或RF/32。

3)數(shù)據(jù)讀寫

實現(xiàn)曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)的解碼，通常采用捕獲方式。判斷規(guī)則為由低電平到高電平的跳變表示數(shù)據(jù)0，由高電平到低電平的跳變表示數(shù)據(jù)1[10]。通過采用通/斷射頻能量場并控制通/斷時間的方式實現(xiàn)對ATA5567卡數(shù)據(jù)寫入。

4)數(shù)據(jù)存儲

將解碼后的數(shù)據(jù)保存在存儲器中，通過模擬SPI時序?qū)崿F(xiàn)對存儲器的讀、寫操作。

5)數(shù)據(jù)交互

通過串口接收計算機發(fā)來的命令和數(shù)據(jù)，并向計算機上傳讀取到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用自定義。

4　結(jié)束語

本文的研究目標(biāo)是研制基于射頻識別的雙模讀寫器，涉及EM4001卡與ATA5567卡的讀寫。在硬件電路設(shè)計中，采用模塊化方法，將整個電路分解為數(shù)據(jù)讀寫、控制電路、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交互、電源管理五個模塊；在軟件設(shè)計中，采用分層模式，以函數(shù)為基礎(chǔ)，從底層對硬件的驅(qū)動，到中間的數(shù)據(jù)接口，再到頂層的應(yīng)用，使代碼易于修改、移植及復(fù)用，提高了編程效率、縮短了開發(fā)周期。任何設(shè)備的研發(fā)都是一個需要不斷完善的過程，本文所提出的雙模讀寫器亦是如此。在適應(yīng)速率方面，目前能適應(yīng)RF/64與RF/32速率，但在ATA5567卡應(yīng)用中也有用到速率為RF/16；在軟件設(shè)計方面需進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)解碼的算法，以提高數(shù)據(jù)解碼的速度和準(zhǔn)確率。當(dāng)然這也是一個逐步完善與提高的過程，隨著研究工作的深入，讀寫器的功能將會更加完善。

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秦燕飛（1982-），女，上海人，大學(xué)本科，助理研究員，研究方向：計算機技術(shù)。

薛竑彥（1981-），男，江蘇人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：計算機技術(shù)。

胡月平（1981-），女，江蘇人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：計算機技術(shù)。

孫航（1981-），女，廣東人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：計算機技術(shù)。

作者簡介：