ＲＦＩＤ读写器的设计

田　径　储海兵

摘 要：为了掌握RFID技术并应用,介绍一个基于U2270B的125 kHz的射频卡读写器。它主要用软件实现射频信号的调制和解调,进而实现了对Temic卡读和写操作,且利用CH375芯片实现系统的USB通信及数据传输,及利用SD卡实现数据及原始数据库存储,利用SD卡桥接芯片W86L388D实现简单的SD卡SD模式通信操作。该读卡器在解决实际问题时取得了很好的效果,相对于传统条形码识别有巨大优势,且引入USB和SD技术。

关键词：RFID；USB；SD；U2270B；CH375；W86L388D；Temic；EM4100

中图分类号：TN919 文献标识码：B

文章编号：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

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是利用感应、电磁场或电磁波为传输手段,完成非接触式双向通信,获取相关数据的一种自动识别技术。射频识别卡最大的优点就在于非接触,因此完成识别工作时无须人工干预,适于实现自动化且不易损坏,可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡,操作快捷方便。目前,射频识别技术己经广泛使用,准备接替目前许多人工完成的工作程序。

RFID 技术是一个崭新的技术应用领域,它不仅涵盖了射频技术,还包含了射频技术、密码学、通信原理和半导体集成电路技术,是一个多学科综合的新兴学科。因此,对RFID技术的认识和研究具有深远的理论意义。随着21世纪数字化时代的到来,基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会需求,RFID技术智能管理系统将在各个领域中发挥巨大的作用。RFID技术正在成为一个新的经济增长点,在全球范围内蔓延开来,研究开发RFID技术有着巨大的经济效益和社会意义。

一个典型的RFID系统一般由RFID标签、读写器以及计算机系统等部分组成。其中RFID标签中一般保存有约定格式的编码数据,用以惟一标识标签所附着的物体。与传统的识别方式相比,RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理,且操作方便快捷。能够广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域,并且认为是条形码标签的未来代替品。

RFID系统的工作原理框图如图1所示。

读写器通过天线发送出一定频率的射频信号：当RFID标签进入读写器工作场时,其天线产生感应电流,从而RFID标签获得能量被激活并向读写器发出自身编码等信息；读写器接收到来自标签的载波信号,对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理；计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号；RFID标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑,控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作。

RFID针对常用的接触式识别系统的缺点加以改良,采用射频信号以无线方式传送数据资料,因此识别卡不必与读卡机接触就能读写数据资料。

1 系统总体简介

本系统以AT89252单片机为控制核心,利用RFID读写基站U2270B对Temic公司的射频卡(本系统使用EM4100卡)进行数据的读写。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。数据库的存储管理利用SD卡。

系统总体框如图2所示。

2 RFID读写模块

U2270B的载波频率为100～150 kHz,其调制方式为曼彻斯特码和双相位码。U2270B的电源供给可为 5 V的稳压电源或者是12 V的汽车蓄电池。它可以为RF场提供能量,其中在短距离运用时,外围驱动电路简单。U2270B还具有信号微调能力,而且其读写距离可达7～10 cm。U2270B 还具有电压输出功能可以给微处理器或其他外围电路供电。

U2270B 具有省电模式和STANDBY 控制可选,所以设计基站电路时可以按照功能的不同要求,设计基站的外围电路。具体电路图如图3所示。

本系统采用9 V电池供电,并通过STANDBY端进行省电模式的控制。同时通过桥式二极管来增强读写距离。

通过调整Rf引脚所接电阻的大小,可以将内部振荡频率固定在150 kHz,然后通过天线驱动器的放大作用,在天线附近形成150 kHz的射频场,当射频卡进入该射频场内时,由于电磁感应的作用,在射频卡的天线端会产生感应电势,该感应电势也是射频卡的能量来源。

数据写入射频卡采用场间隙方式,即由数据的“0”和“1”控制振荡器的启振和停振,并由天线产生带有窄间歇的射频场,不同的场宽度分别代表数据“0”和“1”,这样完成将基站发射的数据写入射频卡的过程,对场的控制可通过控制芯片的第6脚(CFE端)来实现。

由射频卡返回的数据流可采用对射频卡天线的负载调制方式来实现。射频卡的负载调制会在基站天线上产生微弱的调幅,这样,通过二极管对基站天线电压的解调即可回收射频卡调制数据流。应当说明,与U2270B配套的射频卡返回的数据流采用的是曼彻斯特编码形式。由于U2270B不能完成曼彻斯特编码的解调,因此解调工作必须由微处理器来完成,这也是U2270B 的不足之处。

3 射频卡模块

射频卡选用的EM4100卡是由瑞士微电生产的一款用于只读射频卡信息传输的集成芯片。射频卡由IC芯片、感应线圈组成,COIL1与COIL2为感应线圈接口。全波整流电路、C sup可以将线圈感应产生的能量保存供给芯片作为工作电源；时钟选取电路将筛选频率125 kHz的载波作为时序发生电路的基准时钟源；内存中64位数据依次串行输出,通过编码模块输出曼彻斯特码；最后信号通过调制电路再由感应线圈发射出去。图4为 EM4001芯片内部功能图。

EM4100全部的数据位为64位,它包含 9个开始位(其值均为‘1)、40个数据位(8个厂商信息位 +32个数据位)、14个行列奇校验位(10个行校验 +4个列校验)和1个结束停止位。EM4100在向读卡机或PC机传送信息时,首先传送9个开始位,接着传送8个厂商信息或版本代码,然后再传送32个数据位。其中 15个校验以及结束位用于跟踪包含厂商信息在内的40位数据。当EM4001上电初始化后,便依次将这64位数据反复输出,直到卡片离开基站读写器失电为止。图5为EM4100芯片内部数据格式。数据信息采用曼彻斯特编码,然后调制到载波上,影响感应线圈工作。数据“0”对应着电平下跳,数据“1”对应着电平上跳。

4 USB模块

在工业生产和科学技术研究的各行各业中,常常利用PC机或工控机对各种数据进行采集。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡,常用的有A/D卡以及RS 232,RS 485等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰,而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制,不可能挂接很多设备。而通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)的出现,很好地解决了以上这些冲突,很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。

在本系统中,USB除了负责总线的数据采集外,还有一个很重要的作用,就是充当一个SD卡读写器,方便PC机对SD卡的直接操作。这样可以在系统初始时方便地将数据库导入到读写器中,在系统停运时将数据再上传给PC机。

USB接口芯片种类繁多,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,国内则以沁恒公司的CH75系列为代表。这些芯片各有优点,适合不同的场合。如ISPll61A支持USB协议2.0,而SL811HS可支持多种USB设备,CH375则将USB协议、MASS-STORAGE协议、SCSI协议都集成到了片内,可以直接对U盘的扇区进行读写,另外厂家还提供U盘文件系统操作库,这使得面向U盘等设备的开发变得更便捷。

考虑到操作的简洁性我们选择CH375。CH375是一种通用的USB总线接口芯片,支持USB-HOST方式和USB-DEVICE/SLAVE方式。在本地端,CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可以方便地挂接到单片机等控制器的系统总线上。

CH375芯片提供了两种操作方式,分别是内置固件方式和外置固件方式。内置固件方式模式下屏蔽了相关的USB协议,自动完成标准的USB枚举配置过程,完全不需要本地端控制器的任何处理,简化了单片机的固件编程,但是只能使用固定的端点进行数据的传输；外置固件虽然也使用端点0作为默认端点,但是可以根据自己的需要更灵活地定制需求,可以使用端点1作为辅助端点。内置固件在开发上更简单,外置固件则更灵活。

CH375的接线图如图6所示。

5 SD卡控制模块

SD卡有两种总线协议,SD协议和SPI协议。现在绝大部分微控制器都集成SPI接口,所以利用这种方式与SD卡通信相对简单方便,但SPI协议在数据交换时只允许1位数据串行传输,所以速度受到限制。在SD协议下,允许强大的1线到4线数据传输,这样就提高了传输速度。但SD总线时序要求严格,如果用软件模拟不仅复杂繁琐,而且可靠性也不高,W86L388D支持SD方式的4线数据传输,并且根据所收到的命令能自动产生相应的SD时序,从而方便用户的使用,提高了系统的性能。

W86L388D为台湾华邦公司的SD卡桥接芯片。W86L388D有8位数据与16位数据宽度可以选择,并且有专门的端口进行SD卡的检测与读写保护。

W86L388D的工作电压为3.3 V,所以在与89S52单片机进行通信的时候必须经过一个470 Ω的电阻进行分压处理。W86L388D的电路图如图7所示。

6 结 语

射频识别技术最大的优点就在于非接触,因此完成识别工作时无须人工干预,适于实现自动化且不易损坏,可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡,操作快捷方便。所以,目前己经广泛使用,准备接替许多人工完成的工作程序。

读卡器的设计主要用软件来实现射频信号的调制和解调,以实现对Temic卡片的读和写操作。利用CH375芯片来实现系统的USB通信及数据的传输,利用SD卡实现数据及原始数据库的存储,同时利用SD卡桥接芯片W86L388D来实现简单便捷的SD卡SD模式的通信操作。

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