基于ISO14443A大功率RFID读写器的设计

吴 越，杨会成，邹立明，黄 雄，王洪伟

(1.安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖241000;2.上海普阅信息科技有限公司上海200120)

RFID技术已经被认为是21世纪最有发展前景的技术之一，伴随着物联网的高速发展，对RFID关键技术的研究变成为了推进物联网建设的核心要素［1］。目前，工作在13.56 MHz频段(High-Frequency)的射频协议主要有ISO15693、ISO10536、ISO14443A/B，应用最广泛的是ISO14443A协议，支持ISO14443A协议的卡是全球范围内应用最为普遍的一种射频卡，不仅价格比ISO15693卡低廉，而且其内部的每个数据区都有一个单独控制的双密码区，保密性极高。另外，ISO14443A协议已经被写入了NFC标准［2］，自从诺基亚首推NFC手机开始，各大厂商纷纷涌进NFC手机阵营，国内的中兴、华为也推出了自己的NFC手机，防伪溯源已经成了NFC的一个典型应用，因此，ISO14443A成为NFC标准通信协议，但是生产线的批量生产对读写器的读写距离要求很高，ISO14443A协议正常的距离d≤10 cm，综上所述，研制ISO14443A协议的远距离大功率读写器具有重大的现实意义。

1 硬件设计

本设计中，读写器采用的核心器件是DSPTMS320LF2812，该芯片TI公司推出的32位定点DSP芯片，时钟主频达到了100 MHz，拥有64 kB的FLASH，18 kB的RAM存储空间［3］，TMS320F2808内部集成了16通道的12 bit高速ADC，外部电路采用模拟电路搭建，整体硬件结构简单清晰。读写器的硬件结构如图1所示，整体是基于TMS320LF2812为核心的DSP系统，通过配置RS232、RS485和USB口，完成上位机与标签的双向通信，DSP主要任务是通信数据的编码及解码。

控制DSP的IO口输出，产生2.36μs的负脉冲信号，对13.56 MHz的本地载波进行脉冲位置调制，调制信号功率微弱，如图2所示，射频信号Vpp＜2 V，首先将调制信号进行放大，放大后的射频信号Vpp≈50 V，再对其进行滤波和调谐后加载到天线上。功率放大电路采用NPN型的射频功率晶体管，发射功率为4 W，实际的工作频率可达25 MHz，通过电位器可以对功率进行调节，调节范围为0.6～6 W，系统的末级输入阻抗为50Ω，天线线圈在13.56 MHz的工作频率时表现为阻抗Z，为了实现与50Ω系统的功率匹配，系统通过无源的匹配电路将此阻抗转换为50Ω，然后通过50Ω的同轴电缆将功率从读写器末级传送到天线匹配电路。

图1 读写器的硬件框图

图2 读写器发送数据

在ISO14443A协议中，标签到读写器的数据传输方式采用负载调制，调制电路如图3所示，二进制数据被编码为曼彻斯特码，13.56 MHz频率经过标签内部分频成847 kHz副载波，被曼彻斯特码调制［4］，当编码为″1″，开关S接通，电子标签负载电阻Rmod和R2并联，当编码为″2″时，开关S断开，负载电阻为R2，对于并联谐振负载电阻降低时，品质因素Q值随之降低，谐振回路两端电压U2下降，由于线圈电感耦合，U2的变化被传递给读写器，读写器线圈两端电压U1的振幅发生变化，因此产生对读写器电压的调幅［5］，标签数据被发送出去，如图4所示。

图3 负载调制电路

图4 标签发送数据

读写器接收到标签发来的射频信号时，先通过带通滤波器取出有用信号，经过放大后再送入解调器，解调器将边带信号与本地13.56 MHz载波混频滤波，最后进行ASK包络检波［7］，得到的模拟信号送入DSP的ADC通道进行解码，从而得到标签的数据(图5)。

图5 读写器接收数据

2 软件设计

本文设计的读写器是基于ISO14443A协议，读写器软件遵循ISO14443A协议规范，软件分为两部分，如图6所示，一部分是初始化程序，另一部分是主循环，初始化程序:初始化系统时钟、初始化系统外设、初始化ISO14443A系统，主循环包括串口任务，USB任务，读写器任务。读写器上电后，读写器任务每20 ms发送一次ISO14443A的REQA命令帧，轮循工作场中的标签，如果工作场中存在标签，读写器会获取标签UID(Unique－Identification)，保存在循环队列里面，如果此时的工作模式是HALT模式，读写器立即将读到的标签挂起。当读写器接收到串口或者USB的命令帧时，读写器会解析命令帧，并执行相应的指令，读写器完成该命令时，会将处理结果保存至响应帧，通过串口发送给PC机，完成整个系统的发送接收过程(图6)。

图6 读写器软件流程图

3 实验结果与分析

DSP产生负脉冲信号调制13.56 MHz的载波获得射频信号［7］，该信号在示波器上显示如图7所示，射频信号Vpp＜2 V，不足以读取远距离的标签。该信号经过功率放大电路后，峰峰值上升到50 V，如图8所示，该信号的负脉冲信号被解读为ISO14443A中值为'26'的REQA命令，该命令每20 ms发送一次，轮询工作场中的标签。读写器收到标签传来的射频信号后，经过滤波、解调、检波络后得到标签数据的模拟信号，如图9所示，将该信号送入DSP的ADC通道，经过抽样、判决后得到最终的标签数据。

图8 读写器发送的射频信号

图9 送入DSP ADC通道待处理的模拟数据

4 结论

本文基于ISO14443A协议，设计并实现了工作于13.56 MHz的大功率RFID读写器，天线尺寸为30 cm×40 cm，最大读写距离可以达到40 cm，通过RS232、RS485及USB口，实现了ISO14443A卡UID的读取［8］、单标签的数据块的读写以及值段的操作，本设计可以应用在工厂生产线实现批量生产，配合手机端的NFC防伪溯源软件，消费者可以有效地识别产品的真伪及相关信息。该应用已用于国内某知名酒厂，实际效果显著。

［1］谈宇奇，王雪，刘长.物联网室内运动目标协作信息融合跟踪方法［J］.仪器仪表学报，2013(2):352-358

［2］上海复旦微电子集团.安捷伦一致性认证测试系统协助实现中国首颗国产NFC控制芯片通过NFC论坛认证［J］.电子测量与仪器学报，2013(11):1106

［3］邹立明，范科峰，戴葵.基于DSP技术的RFID读写器设计［J］.电子科技，2008，21(8):35-38

［4］李剑锋，刘开华，潘勇.基于S3C6410的航空用RFID读卡器设计［J］.电子测量技术，2012(2):24-27

［5］游战清，李苏剑等.无线射频识别技术(RFID)理论与应用［M］.北京:电子工业出版社，2004

［6］马国胜.基于TRF3710高线性正交解调器直接降频转换接收器系统设计［J］.国外电子测量技术，2008，27(3):33-66

［7］盛国林，基于物联网技术的大型仪器设备管理系统的设计与实现［D］.山东:山东大学计算机技术硕士学位论文，2011:9-11

［8］黄刚.电子标签的防碰撞应用研究［J］.电子测量与仪器学报，2012(4):372-377