基于15693协议的射频识别读卡器的设计

孙杰林，王中训

(烟台大学光电信息科学技术学院，山东 烟台 264005)

随着科技的不断发展，人们对现代化需求越来越高，尤其是在电子行业飞速发展的时候，进入21世纪之后，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大［1］。射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。在高速公路收费及智能交通方面，装有射频标签的汽车能被自动识别，无须停车缴费，大大提高了行车速度和效率［2］。在货物的跟踪、管理及监控方面，射频识别技术应用于旅客行李管理，大大提高了分拣效率，降低了出错率。在智能书架的应用方面，大大提高了阅读者找书的效率并节省了图书馆管理员大量的工作。

1 系统总体设计

整个系统以射频收发芯片RC－632为核心，以NXP公司的LPC2138为系统的处理器。利用AMS1117－3.3典型的3.3 V电源芯片为ARM提供电源。读卡器根据15693协议［3］不断地发送射频信号，其中心频率为13.56 MHz。其系统的整体框图如图1所示。

图1 读写器模块整体框架结构

2 硬件系统设计方案

整个系统以射频收发芯片RC－632为核心，不断通过天线向外发射磁场，并接收磁场范围内标签返回的信息，通过将返回信息传送到ARM处理器使其标签信息显示。

2.1 射频收发芯片RC－632部分

RC－632接口电路如图2所示。

图2 RC－632接口原理图

RC－632芯片射频输出级通过不平衡阻抗变换器实现双端输出至单端输出的转换，同时将阻抗转换为50 Ω，连接至SPDT开关的RFC端。内置天线将阻抗变为50Ω后，连接至SPDT的RF1端。外置天线需将阻抗转至50 Ω，再经同轴电缆连接至SPDT开关的RF2端。使用《RC500天线匹配计算专用工具》计算内置天线至50 Ω的阻抗匹配电路的参数［4］，即

RC－632芯片的典型输出功率是200 mW(23 dB)，最大输出功率为280 mW(24.5 dB)，输出波形的电压峰－峰值在10 V以下，为使射频输出稳定、可靠，选用耐压50 V的NPO电容。

2.2 天线切换原理图

图3为天线切换原理图。使用SPDT开关芯片HMC226E切换内置天线与外置天线，或切换两个外置天线。

图3 天线切换原理图

2.3 串口电平转换

图4为串口电平转换电路。通过S3开关切换，实现作为通常连接的串口应用，或ISP串口应用。

对于通信端口的滤波电路，R=100 Ω，C=100 pF，时间常数 τ=RC=100 Ω ×100 pF=10 ns，周期 T=2πτ=63 ns，频率f==15.9 MHz，对于5 V的TTL信号，要保证高电平大于2.7 V，可以计算出信号频率应小于13.5 MHz的信号。由于通信速率一般小于1 Mbit/s，因此，该滤波电路对于正常的通信信号衰减很小，不会影响到正常的通信。

图4 串口电平转换电路

3 固件总体设计方案

3.1 系统处理命令总流程

图5为系统固件总体设计方案。系统复位后首先对CPU进行初始化配置，从E2PROM中读出默认的运行参数，然后系统进入默认的主动工作模式中。

图5 系统固件总体设计方案

3.2 各模块描述

3.2.1 BootLoader程序

除完成基本的引导及CPU初始化功能外，其主要负责完成射频模块固件程序升级功能。

3.2.2 射频模块初始化程序

BootLoader程序模块执行完后，跳转到系统初始化程序。系统初始化程序完成ARM单片机的I/O口配置、定时器设置、中断服务初始化、通信口初始化、系统缓冲区初始化、全局变量初始化等功能［5］。

3.2.3 串口接收数据处理模块

在这部分模块中，系统根据通信协议将数据进行解析，然后判断工作模式，如为主动模式，则判断是否为系统操作命令，若是则执行，否则应答错误，如为被动工作模式则根据解析的指令进行处理。

3.2.4 主动模式标签检测模块

每次主循环执行一次冲突检测，检测到标签后置标签静止，并上报上位机。

3.2.5 应答信息处理模块

按应答类型可分为错误应答模块和正确操作应答两部分，根据命令的处理结果，完成对上位机的正确或错误应答。

4 系统测试

打开串口，设置好串口和波特率，使设备能够成功与上位机完成通信，打开开始检测，并将标签放到读写器的天线上方，使天线发射的磁场能量能够激活标签，并将标签内的信息上传到上位机上并显示出来。每个标签都有自己的UID，最后在上位机上显示能够读到的标签的UID，如图6所示。

5 小结

随着科技的不断发展和物联网的逐渐实现，射频识别技术已经迎来了发展的大好时机，成为一个新的经济增长点。本系统设计的基于15693协议的射频识别读卡器，利用市场上较容易买到的元器件和处理器实现读卡的功能，模块化较强，条理清晰，本系统可利用性比较强，能够利用在任何识别13.56 MHz的标签，由于使用了独立的射频收发芯片RC－632，模块性大大增强，克服了以前读写器原理复杂可控性差的问题［6］。

图6 标签检测结果示意图(截图)

［1］武文娟，庄建东，陶煜，等.一种适用于RFID阅读器的新型自动增益调节电路［J］. 电视技术，2011，35(19):58－61.

［2］孙颖，张敬敏，张志佳.一种基于MFRC500的Mifare1卡读写器的设计与实现［J］. 微机算计信息，2006，22(5):7－9.

［3］ISO/IEC Final Committee Draft 15693，Identification cards—contactless integrated circuit(s)card［S］.2000.

［4］张沅，周向阳.基于MF—RC500芯片的RFI D读卡器的设计与实现［J］. 工业控制计算机，2008(21):3－5.

［5］沈安东，於晓明.基于嵌入式以太网的射频卡读卡器的设计［J］.苏州大学学报，2010(12):9－13.

［6］张俊杰，乔谊正.非接触式IC卡读写模块的应用开发［J］.世界电子元器件，2004(2):44－46.