一种简单便携式RFID读写器的设计

■张保华 王智慧

〔1北京商业机械研究所，北京 100070〕

〔2郑州棉麻工程技术设计研究所，河南 郑州 450004〕

0.言

随着现代新技术的不断涌现，给棉包信息化的管理工作也带来很大的方便，笔者设计的RFID读写器，通过应用Mifare卡存储信息（射频标签）和无线射频RFID技术设计的读卡器，能实现远距离读取静止或是移动的棉包信息并且一次能存取多个棉包信息，通过USB接口能方便地使用在电脑上，使棉花加工厂随时查阅各个棉垛棉包的信息，有效避免棉包遗漏，转移出差等问题。

1.统总体结构及工作原理

1.1 RFID读卡器简介

RFID（Radio Frequency Identification）即射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别静止或移动的物体并获取相关数据，识别工作无须人工干预。一个完整的RFID系统通常由存储标识物信息的射频标签（本设计采用的Mi⁃fare卡）、用于读写标签数据的读写器以及进行数据处理的计算机软件组成。每张Mifare卡有一个唯一的32位序列号，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路，不需电源供电，自带高频天线。RFID读写器利用无线射频方式和Mifare卡进行双向通信以达到自动识别目的。采集的数据通过USB接口传输到电脑设备上，进行进一步处理，也可连接到类似平板电脑等移动设备上，使用更加方便。

1.2 RFID读写系统工作原理

我们将所需要的信息存储在Mifare卡里，读写器与Mifare卡通过天线建立二者之间非接触信息传输通道。当Mifare卡进入系统的工作区域时，读写器向Mifare卡发一组固定频率的电磁波，Mifare卡内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷。在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到所要求的电压时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或读取读写器的数据。

2.件设计

硬件电路主要包括：射频基站电路（FM1702SL）、MCU（C8051F320）控制电路和天线电路。

2.1 RFID模块

FM1702SL是基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，FM1702SL具有高集成度的模拟电路、支持ISO14443 typeA协议、内部带有加密单元、支持SPI接口模式、包含512byte的EEPROM、包含64byte的FIFO、数字电路具有TTL/CMOS两种电压工作模式、软件控制的power down模式、一个串行输出输入口、启动配置可编程、数字、模拟和发射模块都有独立的电源供电。FM1702SL模块内部结构图如下图1所示。

图1.

2.2 微控制模块

C8051F320是由美国Cygnal公司推出的C8051F320系列单片机中的一款小型单片机，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件，采用流水线指令结构，其70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期；速度可达25 MIPS（时钟频率为25MHz时），大大提高了CPU的处理速度。内部Flash存储器可实现在系统编程，既可作程序存储器也可作非易失性数据存储，当系统存储不是很大时可以直接采用cpu携带的存储器。C8051F320片内自带有USB收发器和控制处理器,这是它区别与同一系列产品的一大特点。MCU与FM1702SL是通过SPI总线通信的，采用中断工作模式。需要注意的是：在FM1702SL复位后，必须进行一次初始化程序以便初始化SPI接口模式，而且可以同步MCU和FM1702SL的启动工作,两个芯片连接如图2所示。

2.3 天线电路

天线部分主要包括低通滤波器、接收电路、天线匹配电路和天线线圈。其工作过程为：天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RFID模块的RX脚。根据互感原理可知，半径越大、匝数越多，读写器上的天线和卡上的天线的互感系数就越大。天线可等效成R、L、C并联回路，设计天线时还要注意天线的品质因数。过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带，致使读写器无法与卡通信。天线设计图如图3所示。

图2.

图3.

3.层软件设计

3.1 读写器对卡的操作流程

FM1702SL内部有8个寄存器页，每页有8个寄存器，每个寄存器有8位数据。这些寄存器是统一编址的，从0x00～0x3F，MCU通过SPI接口与FM1702SL通信对这些寄存器进行设置。例如，MCU需要让FM1702SL执行某个命令（Transceive）时，把此命令的代码（1E）写入Command寄存器就可以了。必须注意的是，MCU对卡片的操作不是简单的一条指令所能完成的，其中必须有对FM1702SL硬件内部寄存器的设置。操作步骤如图4所示。

图4.

3.2 USB的应用

C8051F320是一款完全集成的混合信号系统级芯片，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。其中值得我们注意的是，因为它集成有一个USB接口，所以可将其看成是一款带USB接口的微处理器。C8051F320与市场上同类带USB接口的微处理器相比较，它内部强大的功能模块大大简化了USB技术的开发，还能很好地缩短开发周期。图5简单介绍了它的一个典型的USB技术应用。

图5.

在本设计中通过USB口把C8051F320和上位机相连，传送相关数据，控制单片机读取和写入相关信息。

4.位机软件的设计

在本产品设计之初就参考了很多类似的产品设计，查询了很多资料，发现大多都只是作为一个独立电子设备单独使用，很少和电脑连接使用的，本产品的设计理念就是在此有所补充。设计中所使用的MCU带有USB接口，满足USB2.0协议，可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下运行。集成有一个时钟恢复源，对于全速或低速传输均可不用外部晶振，这样减少了晶振的影响，使系统传输数据更稳定。支持8个灵活通用的端点，内置一个1K的USB专用缓冲存储器，集成了一个USB接收器，不需要外部电阻。本产品在设计底层硬件时，预设了和上位机通讯用的通讯协议，可以通过此通讯协议编写通用的软件接口即API（Application Programming Inter⁃face即应用程序编程接口），可以在C、C++、C#、Ja⁃va、Delphi等多平台上进行方便的调用。

5.束语

本文设计了一种简单便携式RFID读写器，该读卡器应用的读卡芯片FM1702SL是一款优秀的新型国产芯片。经实践证明基于该芯片设计的读写器工作稳定，通过USB接口能方便地使用在电脑上，使棉花加工厂随时查阅各个棉垛棉包的信息，为棉花货场合理堆放棉包提供了方便，避免出现棉包随意堆放和棉包信息混乱的问题。