基于RFID的射频识别器

崔宵语， 王宏志， 郑 旭

(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012)

基于RFID的射频识别器

崔宵语， 王宏志*， 郑 旭

(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012)

基于射频识别技术,根据RFID内部结构及工作原理设计了一个射频接收装置，它可以读、写射频卡中的数据，具有良好的加密效果。

射频识别； IC卡； 读写设备

0 引 言

作为一种新兴技术，RFID(射频识别)[1]已经在电子信息领域中取得了重大的进展，它结合了射频识别和智能IC卡技术[2]，并突破了免接触和无源两大难题。由于其有较高的通信速度和允许多卡反复操作等特点，并且操作快捷、方便，射频识别卡在生产、医疗、物流、门禁、交通等众多领域都有着广泛的应用前景，这也促进了研发人员对其读写技术及设备的研究与开发。

1 射频识别技术相关知识

1.1基本RFID系统

基本RFID系统如图1所示。

图1 基本RFID系统

1)电子标签[3]。在电子标签中的芯片存储着固定格式的数据，来作为待识别物品的标识信息。通过内置射频天线，标签可以与阅读器实现交互。

2)阅读器[4]。通过射频模块来完成读取信号的发射，待接到应答后，对接收到的返回信号进行解码，将解码后的信息通过串口传输到上位机，以供后期处理。

3)天线[5]。发射并接收阅读器和标签的数据交互。

1.2 RFID基本原理

当有电子标签接近天线所产生的磁场范围内时，根据电磁感应原理则可在射频卡内部产生感应电流，从而对芯片提供能量，使其发射带有信息的信号,读写设备读取信号并解码，之后送至数据分析系统进行相关的信息处理。

电子标签与读写模块之间大体可分为两种信号耦合方式：

1)反向散射耦合方式[6]。读写设备发射电磁波，当电磁波碰到目标后携带目标信息进行反馈，它依据电磁波在空间中的传播规律，反响散射耦合如图2所示。

图2 反响散射耦合

2)电感耦合方式。通过交变的高频磁场对线圈产生电磁感应，从而实现耦合，同变压器模型的原理相似。电感耦合如图3所示。

图3 电感耦合

2 系统硬件部分的设计

对于读写模块，把它大体分成软、硬件两个部分。硬件部分为软件设计提供基础，也是读写模块的核心[7]。

2.1硬件系统组成

为了提高读写模块的可扩展性和通用性，文中采用模块化的思想。读写模块可划分为3大部分：主控单片机(MCU)、射频读写芯片及天线[8]。

1)主控单片机用来控制射频读写芯片。其中包括：读写模块对电源电路的控制；MCU采用3根总线接口实现与芯片间的正常通信。

2)接收单片机控制信息的芯片。借助高频滤波电路与天线相连接，以实现与RFID卡的通信。

3)天线包括天线线圈和它的匹配电路。读写模块依靠天线所产生的磁场为RFID卡供电，才能在RFID卡与读写模块之间传送信号。读写模块硬件系统组成框图如图4所示。

图4 硬件系统组成的框图

2.1.1 MCU复位及仿真接口电路的设计

C8051F020单片机[9](新华龙)是硬件系统的控制中枢，其主要任务是完成键盘的设定、液晶显示、电源电路、读写模块以及串行通信接口的控制，外围电路如图5所示。

图5 MCU复位及仿真接口电路图

2.1.2 液晶显示模块

该模块采用12 864 M汉字图形点阵。选用的串行SPI接口易于操作且结构简单，容易实现与各类MCU的接口交互。

2.1.3 电源

电源包括稳压、变压和滤波3个部分。为整个系统提供+3.3 V或者+5 V电压，RC522正常工作时需要5 V电压供电，C8051F020正常工作需要3.3 V供电。

2.2芯片选型

在嵌入式应用开发过程中选择MCU时，从MCU 对应用系统的适用性、可购买性和可开发性3个角度。因此读写模块的主控CPU可根据C8051F020单片机来构造。MF RC522支持国际标准ISO/IEC 14443A协议[10]，并且具有低电压、低成本、体积小的特点，是设备开发的良好选择。

2.3天线及相关电路的设计

MF RC522[11]首先经过调制数据来获得发送信号，驱动TX1，TX2两个引脚，并利用13.56 MHz的载波实现数据传递。天线通过其匹配电路可接收到RFID卡发出的响应信号，并将此信号传送至MF RC522的RX引脚(接收引脚)处，这时芯片内部的接收装置会对所接收到的响应信号进行解调与译码，最后主控MCU在并行接口处完成数据的读取。

2.3.1 高频滤波电路

为了减少干扰，使用EMC高频滤波电路。如图6所示。

图6 EMC滤波电路图

利用EMC滤波电路[12]，VMID和TX1，TX2，RX被关联到天线匹配电路。MF RC522的滤波电路包括发送信号电路(C7，C8，C9，C10，L1，L2)和接收信号电路(C5，C6，R1，R2)两部分。

2.3.2 天线及匹配电路

鉴于RFID卡的能量限制，要求天线和卡片之间紧密地耦合。这里选用65 mm×54 mm且直径为1 mm的三圈方形导线作为天线。

3 系统的软件设计

该系统的软件设计思想为：通过ISO/IEC14443A来建立RFID卡和读写芯片间的射频通讯，通过对主控MCU 进行在线编程来完成对RFID卡各项的操作。使用C语言对MCU进行程序编写，以实现对射频识别卡的操作，并提供方便用户应用程序的功能。

3.1读写模块中的在线编程技术

C8051F020芯片可实现用户对程序的在线写入功能，它的内部包含通信握手、奇偶校验、数据接收和发送的主要功能和断点调试过程模块。

系统初始化后，主控MCU与PC机通过串口进行握手通信，如握手成功，则PC机可对MCU进行在线编程。在复位后规定时间内如果还是不能握手成功，则系统会判断存储空间内是否有该用户程序。如果存在，则接收在线写入命令并将用户程序接入用户空间；若不存在，则返回继续发送握手信号。

程序流程如图7所示。

图7 程序流程

3.2芯片的软件设计

本设计所开发的读写模块为了能使其更方便的集成到其它应用系统中来，从通用性角度考虑，采用模块化开发思路，尽量做到程序与硬件关联度的最低化。

MF RC522 的命令[13]:

RC522内有一个状态机，可执行命令(Command)寄存器中的命令(Command)。MF RC522 的命令共有13条，分别为：开始命令读E2PROM命令(WriteE2)、取密码命令(LoadKey)、认证1命令(Authent1)、传送命令(Transmit)、(StartUp)、空闲命令(Idle)、接收命令(Transceive)、写E2PROM命令(WriteE2)、认证2命令(Authent2)、取E2PROM中的密码命令(LoadKeyE2)、配置命令(LoadConfig)和计算CRC命令(CalcCRC)。比较特殊的指令有两条：开始命令(StartUp)和空闲命令(Idle)。

3.3读写器与上位机的数据传输

在上位机方面可运用VB编写的模块函数，对读写卡器的各项功能块进行操作。用户只需在上位机端调用VB函数，便可将读写卡器无缝接入到其它不同类型的系统中去。所以此读写设备不是为专门某个系统定制，而是广泛地适用于很多系统。

4 应用实例检测

4.1射频卡接受测试

为验证本设计是否实现，采用上位机与该设计通过16针串口相连，通过对射频接收系统进行刷卡操作，上位机部分采用串口调试精灵作为接收软件，用于接收IC卡传过来的信息。演示结果如图8所示。

图8 上位机接收到IC卡数据

4.2天线性能测试

对于MF RC522天线测试[14]，主要考虑两个方面：

1)天线是否能实现与射频卡正常通信；

2)天线所能达到的最大工作距离。

电路中元器件参数的选定是实现上述要求的关键。这里采用软、硬件结合法来对天线及其匹配电路进行测试。

软件测试时，读写器向射频识别卡发送询卡命令(Request)，如果射频卡能够正确响应，则MCU就会驱动蜂鸣器发声；如果射频卡不能响应，则蜂鸣器不响。

硬件测试过程中，使用可调电容试验元件参数,从而达到天线的最大寻卡距离。经测量，天线的最大询卡距离约为6.2 cm。

5 结 语

射频识别卡由于其较高的通信速度，便捷的操作方法和具有多卡反复操作的特点，正日益成为生活中不可或缺的设备。 文中基于新华龙公司生产的C8051F020单片机设计了一个RFID卡读写设备，并且重点介绍了读写模块的设计过程----包括软、硬件设计，芯片选择及电路的测试。软件设计方面主要实现MCU监控程序、与射频识别卡通信的底层通信以及函数调用等内容。 在日后的学习中还可以从以下几个方面对此设计进行改进：

1) 完成红外热释电检测电路及声光报警系统；

2) 研究遥耦合射频识别技术，实现ISO/IEC15693协议；

3) 完善上位机程序，建立完整的数据库资料体系。

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[9] 史治国,王勇,王涛.嵌入式Internet 中TCP 协议的实现[J].计算机工程与应用,2003，39(6)：148-150.

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A receiver based on RFID

CUI Xiao-yu, WANG Hong-zhi*, ZHENG Xu

(School of Computer Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Based on RFID technology, according to RFID internal structure we design a RFID receiver which can read and write data with good encode function effect.

Radio Frequency Identification(RFID)； IC card； read/write device.

2014-07-20

吉林省科技厅基金资助项目(20140204037GX)

崔宵语(1989-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学硕士研究生，主要从事人工智能与物联网方向研究,E-mail:744690019@qq.com. *联系人：王宏志(1961-)，男，汉族，黑龙江牡丹江人，长春工业大学教授，博士，主要从事数字信号处理方向研究,E-mail:wanghongzhi@mail.ccut.edu.cn.

TN 925.1

A

1674-1374(2014)05-0524-06