付麗華 楊抒濃 張家鑫 康嘉寧沈陽(yáng)工學(xué)院電子信息教研室

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具有LCD顯示功能的多協(xié)議RFID讀寫器的設(shè)計(jì)

付麗華 楊抒濃 張家鑫 康嘉寧
沈陽(yáng)工學(xué)院電子信息教研室

摘要：本文提出了一個(gè)具有LCD顯示功能的多協(xié)議RFID讀寫器的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)以STC12系列單片機(jī)為處理器，以LCD1602為顯示器，設(shè)計(jì)一款具有SPI接口和多個(gè)串行接口的RFID讀寫器。在本方案中，設(shè)計(jì)了一個(gè)擴(kuò)展串口的電路，通過(guò)程序控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)RFID讀頭的選擇，從而實(shí)現(xiàn)在一塊電路板上對(duì)多種RFID協(xié)議的支持，并通過(guò)LCD，將讀寫器的操作信息和結(jié)果顯示出來(lái)。該讀寫器具有體積小、適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、效果直觀的特點(diǎn)。

關(guān)鍵字：LCD 多協(xié)議 RFID 讀寫器

射頻識(shí)別（英文：Radio Frequency IDentification，縮寫：RFID）［1］是一種無(wú)線通信技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。

許多行業(yè)都運(yùn)用了射頻識(shí)別技術(shù)，如：生產(chǎn)線上的產(chǎn)品追蹤；畜牧養(yǎng)殖業(yè)的個(gè)體識(shí)別；公交“一卡通”的電子錢包等。

1　總體方案

RFID閱讀系統(tǒng)是由讀寫器（Reader）、應(yīng)答器/射頻標(biāo)簽（Transponder）、天線（Antenna）三部分組成［2］，其工作原理為Reader通過(guò)Antenna發(fā)射特定頻率的無(wú)線電波給Transponder，用以驅(qū)動(dòng)Transponder電路并發(fā)送指定的數(shù)據(jù)，Reader按照指定的協(xié)議，接收并處理相關(guān)的數(shù)據(jù)。

對(duì)于典型的RFID系統(tǒng)，閱讀器與應(yīng)答器之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，需要將被識(shí)別目標(biāo)數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用軟件或后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行處理，因此，讀寫器通常具有通信接口，完成讀寫器與后臺(tái)的數(shù)據(jù)交換，完成相關(guān)的功能，如：開(kāi)關(guān)控制等。

本設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)多協(xié)議RFID標(biāo)簽的識(shí)讀，但由于RFID具有多個(gè)頻段，不同的頻段，協(xié)議不同和難度不同，很難通過(guò)一個(gè)電路板實(shí)現(xiàn)該功能，為此設(shè)計(jì)了多個(gè)通信端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)各協(xié)議標(biāo)簽的識(shí)讀，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

此外，采用LCD作為顯示器，既可用直觀地提示操作的過(guò)程和結(jié)果，又便于脫機(jī)使用。

基于上述目標(biāo)，本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，整體的方案包括：電源和MCU控制單元、聲光提示單元和外設(shè)接口單元。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以MCU微處理器為核心，采用USB接口為系統(tǒng)供電，通過(guò)與計(jì)算機(jī)的串行通訊，接收來(lái)自應(yīng)用軟件的指令，根據(jù)不同的指令，驅(qū)動(dòng)模擬開(kāi)關(guān)的切換，實(shí)現(xiàn)與不同的射頻模塊進(jìn)行通信，完成不同協(xié)議的標(biāo)簽識(shí)讀，并顯示操作結(jié)果，同時(shí)可以將發(fā)送給相應(yīng)的應(yīng)用軟件。

（1）電源及MCU控制單元

本設(shè)計(jì)中以STC12C5206AD［3］的單片機(jī)作為微處理器，晶振為頻率為11.0592Mhz，目前大多數(shù)射頻模塊的接口為SPI和UART，為此設(shè)計(jì)了2組數(shù)據(jù)通訊接口，分別實(shí)現(xiàn)SPI和UART接口通信。

在電源方面，本裝置的電源采用標(biāo)準(zhǔn)USB接口，并設(shè)計(jì)了自鎖開(kāi)關(guān)，作為電源的上電控制裝置，具有低成本、使用方便、即插即用，并且電源供電穩(wěn)定的特點(diǎn)。

（2）聲光提示單元

讀寫器設(shè)計(jì)了聲光提示電路，通過(guò)對(duì)相關(guān)的I/O口控制，點(diǎn)亮或熄滅不同顏色的LED，并伴有不同節(jié)奏的蜂鳴音，表示不同的狀態(tài)，如：讀卡成功、讀卡失敗、無(wú)卡等。

本設(shè)計(jì)中，共有3個(gè)LED和一個(gè)蜂鳴器，分別作為電源指示、并通過(guò)點(diǎn)亮不同顏色LED與蜂鳴器聲音的組合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同狀態(tài)提示。

（3）外設(shè)接口單元

本單元的主要功能為通信，分別完成讀寫器與后臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和MCU與各RFID讀頭之間的通信。

在數(shù)據(jù)通信方面，采用最簡(jiǎn)單、實(shí)用的串行通信，為此設(shè)計(jì)了基于芯片CD4052［4］的串口擴(kuò)展電路，通過(guò)對(duì)多個(gè)串口進(jìn)行分時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)了多協(xié)議的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的識(shí)讀。

此外，在讀寫器的主板上保留了SPI接口，用于連接SPI接口的射頻讀頭。

在顯示方面，采用LCD1602作為顯示屏，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的顯示。

2.2軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主要功能如下：

（1）與不同通信接口、不同RFID通信協(xié)議的讀頭的數(shù)據(jù)通信；

（2）串口擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)；

（3）相關(guān)的聲光提示；

（4）操作過(guò)程和結(jié)果的文字提示；

（5）與PC機(jī)的通訊。

為需要滿足上述要求，程序設(shè)計(jì)的主流程為：系統(tǒng)初始化à顯示當(dāng)前狀態(tài)à根據(jù)設(shè)置或命令選擇指定的端口à發(fā)送相關(guān)指令à接收并處理數(shù)據(jù)à在LCD上顯示操作結(jié)果à將結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)軟件。

3　結(jié)論

與當(dāng)前市場(chǎng)銷售的產(chǎn)品相比較，本讀寫器的設(shè)計(jì)充分考慮了實(shí)用性和便捷性，具有如下特點(diǎn)：

3.1操作簡(jiǎn)單，效果直觀

通過(guò)MCU的I/O口控制，實(shí)現(xiàn)聲光提示和液晶屏顯示設(shè)計(jì)，該部分工作原理簡(jiǎn)單、成本低，LCD的文字顯示功能，效果直觀，有利于用戶使用。

3.2便于調(diào)試和測(cè)量

目前市場(chǎng)銷售的產(chǎn)品，由于成本等原因，通常是高度集成的，幾乎是完全密封的，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)中間環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量。在本設(shè)計(jì)中，在電路板上，預(yù)留了調(diào)試接口和多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，有利于電子愛(ài)好者對(duì)中間環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，從而加深對(duì)于專業(yè)理論知識(shí)的理解。

3.3模塊化設(shè)計(jì)，成本低，支持多協(xié)議

通常，市場(chǎng)銷售的支持多協(xié)議的RFID類產(chǎn)品，價(jià)格較高。本設(shè)計(jì)以模塊化設(shè)計(jì)為理念，一個(gè)主板，多個(gè)接口，通過(guò)修改主板的程序，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的支持，因此硬件成本遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。

3.4多接口，利于進(jìn)一步擴(kuò)展

本設(shè)計(jì)中，除了與PC機(jī)的通訊接口外，還設(shè)計(jì)了2個(gè)UART接口，一個(gè)SPI節(jié)接口，不同的接口，在驅(qū)動(dòng)方面難度不同。既可以將其用于電子愛(ài)好者作為樣品來(lái)調(diào)試，也可以用于高校的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，滿足更深層級(jí)的教學(xué)需求，如：課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的使用等。

參考文獻(xiàn)

［1］單承贛，單玉峰，姚磊.射頻識(shí)別（RFID）原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：2

［2］黃友森.射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2011：4

［3］STC12C5206AD數(shù)據(jù)手冊(cè)［EB/OL］.http：//stcmcu.cn.china. cn

［4］CD4052B數(shù)據(jù)手冊(cè)［EB/OL］.http：//www.ic5.cn/p_CD4052B_ am4m.html

作者簡(jiǎn)介：

付麗華，1972年6月，女，滿族，遼寧人，沈陽(yáng)工學(xué)院，教師，副教授，碩士學(xué)位，研究方向：自動(dòng)識(shí)別產(chǎn)品及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。