基于SPI总线的手持式RFID阅读器设计

钟 哲，王笑怡

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 引言

为实现射频识别，一般至少应有两种装置:阅读器和应答器。应答器中存有约定格式的电子数据，阅读器为读出装置，可无接触地读取应答器中保存的电子数据。文中所指的应答器基本原理与阅读器一样，因此仅详细介绍了阅读器的硬件电路设计。由于设计的目的是应用于车辆防盗抢查验，除要求在80米有效距离内准确读取车辆内配置的应答器中存储的车辆身份信息，还要求阅读器易于携带﹑使用简便。

阅读器及配套的应答器如图1所示。

图1 阅读器与应答器

阅读器尺寸为102mm×45mm×16mm，应答器尺寸为66mm×40mm×13mm

2 总体方案设计

阅读器主要由6部分组成:P89LPC932单片机、射频收发电路、LCD显示及驱动电路、标准点阵汉字库、键盘电路和电源管理电路。由于外形尺寸的限制，单片机的I/O资源又有限，设计中选择了占用I/O资源少、体积小的具备SPI接口的IC电路，阅读器各部分电路间的数据传输都基于SPI总线结构。总体结构框图如图2所示。

图2 总体结构框图

在阅读器中单片机为核心部分，它通过SPI总线控制LCD显示及驱动电路显示信息，控制射频收发电路收发数据，从标准点阵汉字库中读取点阵码点，通过通讯接口向键盘电路传送扫描码并读取键值。单片机还通过I/O口线监视电源管理电路的工作状态。在功能设计上，对最重要的数据读取，设计的操作模式与通用手机相近。阅读时有两种方式:

方式1为直接读取，用于单独车辆。按“接听键”即可读回车辆的身份数据，显示在LCD屏幕上的同时也保存在存储器中。

方式2为选择读取，用于多个车辆。由键盘输入3～5个车牌号码后按“拨出键”即可读出指定车辆的身份数据。

3 硬件电路设计

3.1 射频收发电路

阅读器采用的射频收发芯片为nRF905单片无线收发器。该芯片由一个完全集成的频率调节器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器等组成，以低功耗ShockBurst模式工作。接收时nRF905以地址匹配(AM)和数据准备就绪(DR)信号通知单片机已完成了数据接收;发送时nRF905自动产生前导码和循环冗余校验码及数据准备就绪(DR)信号通知单片机已完成了数据发送。

射频收发电路如图 3所示 。图中 U10为nRF905芯片，天线匹配网路按433 MHz配置。U10的10～13管脚为SPI总线接口，该4条线与单片机的SPI接口互联。U10的6～8管脚用于通知单片机本芯片数据处理工作情况。图中U5用于扩展单片机的I/O口线，与单片机也是通过SPI总线连接。U5的4～6管脚用于设定nRF905的4种工作模式。

图3 射频收发电路

3.2 LCD显示及驱动电路

阅读器采用TD－F10280PTU图形点阵屏作为人机交互接口。为减少电池消耗，设计中通过QP1作为开关控制LCD的显示，一定时长内无按键操作时自动关断;LCD屏的背光源也由程序加以控制。

LCD显示及驱动电路如图4所示。图中U9为TD－F10280PTU图形点阵屏。由于该型号液晶显示器数据接口为并行输入，以U4(74HC595)串并转换芯片作为SPI总线与液晶显示器并行输入数据接口过渡。图中U5及其输入端的2个与门实际上与图3中的U5等是一套电路，在此图中绘出是为方便说明电路原理。U5的4～6管脚已用于设定nRF905的工作模式，1～3及7和15管脚分别用于U9的片选﹑清屏﹑工作模式和用电管控。

3.3 单片机和键盘电路

阅读器采用的单片机为P89LPC932。该片为PHILIPS公司的产品，是一款低功耗﹑低价格﹑高速的Flash单片机。P89LPC932拥有的8KB Flash程序存储器﹑256字节片内数据存储器﹑SPI通信端口﹑可编程I/O端口等资源足以支撑本阅读器的设计要求。

为满足功能和使用要求，键盘结构为矩阵式，减少MCU有限的I/O端口占用。设计纳入了通用手机的21个按键，足以满足阅读器功能设计的需要。

鉴于单片机和键盘电路应用普遍，本文没给出此部分电路原理图。

3.4 电源管理电路

阅读器日常工作时用电池供电，而且手机电池受体积限制容量有限。在设计中为尽量减少系统功耗，采用低电压器件，系统在3伏电压下工作。供电电路由3部分组成:电池﹑低压差电源芯片和充电电路。电源管理电路如图5所示。

图4 LCD显示及驱动电路

图5 电源管理电路

图中 U7(SP6201)为低压差电源芯片，U2(MC73861)为充电电路，接插件JB为电池的电极接点。正常工作时，由电池提供的3.6伏电压作为U7的输入，U7的5管脚输出经电阻R1设定为3伏电压的系统电源。接插件J1为外部电源适配器接口，用于对电池充电。U7的15和16管脚连接到单片机I/O端口，由单片机监控充电电路的工作状态。

4 软件设计

通过对几个特殊功能寄存器的读写操作，即可完成SPI总线工作模式的配置、数据发送和读取。下面给出了阅读器SPI接口控制程序。

阅读器配置的功能以菜单方式供使用者操作，提供的功能有:读取﹑保存﹑查询及删除等。另外还有电源监控结果显示等工作状态管理和其它方便使用的附加功能。软件采用C语言编写，在Keil uVision2环境下仿真调试通过。

5 结 束 语

本阅读器是车辆电子牌照识别系统(含应答器、阅读器、车辆身份信息写入器)的组成部分之一。该系统依靠现代电子技术，通过硬件和软件的双重加密措施，实现了车辆牌照电子化，牌照监测无线化。为车管人员快速、准确甄别车辆牌照信息的合法性提供了可靠有效的手段。

［1］周立功.LPC900系列 Flash单片机应用技术［M］.北京 :北京航天航空大学出版社，2004.

［2］纪震，李慧慧，姜来.电子标签原理与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2006.

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