采用读卡机芯片FM1715SL设计的RFID读卡机

潘未庄， 陈石平，高翔

(广州海格通信集团股份有限公司， 广州 510656)

采用读卡机芯片FM1715SL设计的RFID读卡机

潘未庄， 陈石平，高翔

(广州海格通信集团股份有限公司， 广州 510656)

根据车辆管理系统对身份识别需求，提出基于国产芯片的RFID读卡机方案。数据接口设计为ISO14443 TypeB的设备，在满足安全保密前提下，很好地兼顾了使用方便和高效便捷，大规模的车载应用验证了该方案的可靠性。

RFID；TypeB；FM1715SL；HR7P90H；ISO14443

引 言

某车辆管理系统对车辆使用者的身份识别有明确需求[1]，在车载强干扰环境下，要求准确、快速地识别车辆使用者信息。结合车辆的具体使用情况，对比了IC卡、射频卡、ID卡等，提出车辆安装电子标签读卡机和无源电子标签识别方案，最后确定无源RFID (Radio Frequency Identification, 射频识别) 方案。RFID 是一种非接触式的自动识别技术。通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，操作快捷方便。根据频段不同，RFID分为低频和高频系统[2]。低频近距离RFID系统主要有125 kHz和13.56 MHz频段；高频RFID系统主要有915 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。无源电子标签(RFID卡片)也叫被动标签，在进入读卡机的识别范围后接收射频信号，部分射频能量转化为直流电工作，然后将存储在芯片中的信息数据发送给读卡机。无源电子标签成本很低，有很长的使用寿命，体积小，读写距离较近。

在应用中，读卡机作为车载监控终端[1]的一个传感器安装到车辆上，通过读取不同的RFID卡，包括二代身份证，来识别不同的车辆使用者，完成身份识别、时间统计、考勤打卡和报警提醒等功能。

1 读卡机总体设计

为提高信息安全，在总体设计时采取以下设计思路：元器件选型仅限在中国大陆设计制造厂商内优选；通信协议采用更安全的ISO14443 TypeB协议[3](协议同中国第二代身份证)。公交、食堂、商场、会所等多使用TypeA卡，但是相对TypeA卡来说，TypeB卡芯片具有更高的安全性，接收信号时，不会因能量损失而使芯片内部逻辑及软件工作停止，支持更高的通信速率，抗干扰能力也更强，更能保证数据安全。

读卡机以通用非接触读卡机芯片FM1715SL为核心，采用上海海尔集成电路有限公司的微控制器HR7P90H作为处理器，其他关键模块包含交互接口、电源管理和RFID射频等单元模块。RFID读卡机总体框图如图1所示。

图1 读卡机总体设计框图

车载终端作为主设备，通过数据-电源复合接口，给读卡机供电，进行数据通信。电源管理模块输出读卡机需要的电压；RS-232驱动电路完成串口通信的电平转换；HR7P90H通过SPI口与FM1715SL进行双向数据通信，实现RFID卡的识别；FM1715SL的天线采用印制板天线，进一步降低成本，提高可生产性；HR7P90H根据车载终端、卡片状态等信息，通过蜂鸣器和LED实现声光提醒。

读卡机能读取第二代身份证的全球唯一ID号，可省略卡片的采购，车辆使用者的身份证可同时作为识别卡使用。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括读卡机芯片和控制器的接口电路、电源电路、时钟电路和匹配电路等。

2.1 RFID卡专用芯片

从开发难度、器件成熟度、生产供货等方面考虑，选择了上海复旦微电子股份有限公司设计的FM1715SL，这是基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，支持13.56 MHz频率下的TypeA和TypeB两种非接触通信协议，以及多种加密算法。FM1715SL具备高集成度的模拟电路，只需少量的外围电路；操作距离达10 cm；支持ISO14443 TypeA及TypeB协议并内置加密单元[4]。FM1715SL电路设计如图2所示。

图2 FM1715SL外围电路

接口电路：FM1715SL的数据总线是标准的4线SPI接口，FM1715SL作为从设备，由微处理器通过SPI总线和FM1715SL输出中断完成通信控制。

发射电路：FM1715SL编解码的参考时钟是13.56 MHz，由晶体振荡器及其驱动电路产生。从TX1和TX2引脚发射出去的是调制的13.56 MHz载波信号，其频谱除了有13.56 MHz外，还有高次谐波分量。图2中L0和C0组成的滤波器用于过滤13.56 MHz的谐波功率，以满足相关EMC规定的要求。

接收电路：FM1715SL的接收电路利用RFID卡的响应信号调制到副载波的双边带进行通信。FM1715SL输出VMD作为RX引脚偏置电压，并采用电容C4进行滤波稳压；电阻R1和R2组成RX和VMD之间的分压电路。

天线设计：天线是RFID读卡机的一个重要组成部分，读卡机的性能与天线的参数有着直接的关系。天线建模有直接连接模型和50 Ω阻抗匹配模型等。由于卡片和天线直接距离设计小于5 cm，可使用简单、低成本的直接连接模型，将天线设计到PCB板上。天线模型如图3所示。

图3 直接连接天线模型

在读卡机和卡片通信过程中，天线用于产生能发射和接收射频信号的磁通量。而磁通量用于向RFID卡提供电源并在读卡机和卡片之间传送信息。因此，设计天线线圈的电流最大，以产生最大的磁通量。13.56 MHz属于短波频段，因此可以采用小型环状天线，形状有方型、圆形、椭圆型、三角型等，本设计采用图3所示的矩型天线。C1完成发射端的50 Ω的匹配，提高能量传输效率；C2与天线的等效电感L1组成13.56 MHz谐振网络；R1用来调整天线的品质因数Q。在天线设计中，Q是一个非常重要的参数，Q太小则天线的读卡范围内有盲区，影响数据通信的稳定和可靠；Q太大则读卡距离缩短。Q一般取35较好[4]。为提高生产一致性，降低调试难度，PCB采用多层板设计，并通过叠层阻抗控制，精细设计矩形天线的电感和阻抗，同时模拟电路的电阻采用1%精度的贴装型号，电容采用低温度系数、低温飘、1%精度、NPO介质的贴片电容。

2.2 微控制器

HR7P90H是海尔公司高性能8位精简指令集微控制器，具有丰富的片上外设。其中，高速异步收发器UART实现与车载终端的通信；通过I/O端口完成4路LED、1路蜂鸣器的控制和1路SPI接口的模拟；内置的防护电路满足工业级ESD(Electrostatic Discharge)和EFT(Electrical Fast Transient burst) 标准，非常适合工业控制和汽车电子领域。HR7P90H内置16 MHz振荡器和上电复位电路，SOP28的小型贴片封装，能极大地减少外围电路，给FM1715SL的射频和天线电路设计提供更多的板上面积。HR7P90H支持在系统编程(In-System Programming, ISP)和在线调试功能( In-Circuit Debugging, ICD)，电路设计了这两种接口，方便开发调试和批量生产[5]。

2.3 工业设计

工业设计充分考虑了车载环境的高温、振动等特殊性，兼顾用户的便利性。把读卡机设计成接触式卡槽，方便固定卡片，一方面缩短了卡片到天线的距离，降低了印制板天线的设计难度，另一方面也减小了读卡机的外观尺寸，整个读卡机仅比卡片略大一圈，更容易安装。材料选择阻燃型ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)，并在卡槽内部设计多条尼龙压条，进一步提高卡片在车载环境下的稳固性。读卡机工业设计如图4所示。

图4 读卡机工业设计图

3 识别软件设计

识别软件的主要功能是自动检测进入识别范围的各种卡片，完成和车载终端的通信，并根据数据内容和卡片信息，设置相关的指示灯和蜂鸣器。

软件编程使用海尔公司的集成开发环境HR-IDE工具完成，HR-IDE支持C语言的编辑、交叉编译、链接调试和仿真；考虑到软件代码的规模和复杂度，开发调试使用了低成本的ICD仿真器。识别软件开发采用基于中断驱动的数据流处理架构[6]，软件流程图如图5所示。

图5 识别软件流程图

识别软件主要由中断服务程序、任务调度和各种子任务处理程序组成。整个软件的中断来源有串口通信的收发中断、FM1715SL外部中断和各个子任务触发的软中断等。每个中断服务程序都简洁短小，能快速完成设置标志读取数据等实时性高的工作，释放处理器资源完成各种任务处理；任务调度模块根据设置的标志进行子任务的调度，每个子任务完成就清除标志后返回；子任务也可以设置标志，从而触发其他子任务的调度。

比如读卡子任务完成读卡后，会触发中断，设置标志；传输子任务将卡号发送给车载终端；如果卡号无效或者定期无法读取卡片，亦会触发传输子任务，车载终端将发送点亮“无效卡”指示灯的指令，串口收中断被触发，指示灯设置子任务将被调用,“无效卡”指示灯亮起。

HR7P90H只有2 KB的SRAM，软件架构如果采用RTOS则难以实现，而采用串行的多函数架构，则实时性、可靠性、扩展性不能保证，调试难度大。

通过对数据传输和任务处理合理划分，将数据读取采取中断驱动，数据处理任务通过标志统一调度，数据读取和数据处理剥离，很好地满足高实时性下多数据处理的要求。整个软件架构清晰简洁，编码设计简单，调试和维护难度都较小。

结 语

[1] 潘未庄, 陈石平. 采用北斗模块的车载监控终端设计与实现[J]. 电子测试, 2013(16):45-47.

[2] 罗恂,丁庆生.基于RFID的预付费电能表的研制[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2006(9): 71-73.

[3] 李艳光, 赵振华.基于FM1715的TypeB卡读卡机设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2006, 6(11): 49-51.

[4] 上海复旦微电子股份有限公司. FM17XX系列技术手册—通用非接触读卡机芯片， 2007.

[5] 上海海尔集成电路有限公司. HR7P90H/90J/91H/91J/92H/92J数据手册, 8位MCU，2012.

[6] 潘未庄, 黄瑞光. 采用FSM和消息机制的DSP语音抗噪系统[J]. 电声技术,2006 (2): 30-33.

潘未庄(工程师)，研究方向为嵌入式系统；陈石平(工程师)，研究方向为工业控制网络；高翔(工程师)，研究方向为视觉结构工业设计。

Design of RFID Reader Based on Reader Chip FM1715SL

Pan Weizhuang, Chen Shiping, Gao Xiang

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company,Guangzhou 510656,China)

According to identification requirements from the vehicle management system，a RFID reader solution based on domestic chip is proposed.The data interface is designed as ISO14443 TypeB. The reader prvovides has great facility and availability with good safety and security.The mass vehicle-based applications have validated the reliability of this solution.

RFID; TypeB; FM1715SL; HR7P90H; ISO14443

TP368.1

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2014-02-27)