一种双模读写器的设计与实现

公安部第三研究所 秦燕飞美银宝网络信息有限公司 薛竑彦上海天麦信息科技有限公司 胡月平上海安迪人力资源有限公司 孙 航



一种双模读写器的设计与实现

公安部第三研究所 秦燕飞
美银宝网络信息有限公司 薛竑彦
上海天麦信息科技有限公司 胡月平
上海安迪人力资源有限公司 孙 航

【摘要】当前智能卡主要分为接触式智能卡与非接触式两大类，其中非接触式智能卡又以使用便捷、可靠性高等诸多优点成为市场应用的主流。随着现代微电子技术特别是射频识别技术的发展，针对各类非接触式智能卡的读写器得到了广泛使用与普及。通过对低频段中最常见的EM4001与ATAT5567两种非接触式智能卡的原理及特点分析，提出了一种通过微控制器产生125KHz振荡到放大以激活智能卡的方法，运用电感耦合原理实现数据解码的技术，设计并实现了一种基于RFID的低频段双模读写器。

【关键词】射频识别；读写器；EM4001卡；ATA5567卡

0　引言

射频识别技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，又称为电子标签技术，是自动识别技术的一种创新[1]。它以无线通信技术、大规模集成电路技术为核心，利用射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止或移动目标的自动识别，高效地获得目标信息数据，通过与互联网等技术的结合可以实现全球范围内目标的跟踪与信息的共享[2]。

射频识别系统通常由电子标签（又称射频卡）、读写器和系统主机构成[3]。目前RFID系统主要分为低频、高频、和微波系统。低频系统的工作频率范围为30KHz ～300KHz，典型工作频率有125KHz和134.2KHz。低频系统的特点是电子标签内数据存储量较少，读取距离较短，天线方向性不强。低频RFID系统比较成熟，主要用于短距离、数据量较低的射频识别系统。高频系统的工作频率范围为3MHz～30MHz，典型的工作频率有6.75MHz、13.56MHz和27.125MHz。高频系统的特点是传输速率较高，可以传送较大的数据，天线方向性不强。高频RFID系统也是属于比较成熟且应用范围较广的系统。工作频率大于300MHz的通常称为微波系统，微波系统中典型的工作频率有433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz，其中433MHz、860/960MHz也称为超高频系统。微波系统的特点是传输速率高，读取距离远，天线有较强的方向性。微波系统主要用于长距离、数据量较大、需高速读写的场合。

在低频系统中，最常用的电子标签有瑞士EM公司的EM4001卡（为只读型卡）及美国Atmel公司的ATA5567卡（为读写型卡），由于技术成熟且制造成本低，这两种卡被广泛应用于出入口控制系统、楼宇门禁、车辆及仓储管理等领域[4]。

1　射频识别相关技术

1.1基本原理

射频识别技术是一种非接触式自动识别技术，可实现双向数据传输，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，整个过程无须人工干预。射频识别的基本原理如图1所示。

图1　射频识别的基本原理框图

在低频系统中电子标签与读写器间的耦合方式为电感耦合，电感耦合方式的基础是由电感与电容组成的谐振回路以及电感线圈产生的交变磁场。谐振回路通常有串联谐振回路和并联谐振回路。根据串并联谐振特性，串联谐振时回路电流最大，可以获得较大的磁场强度H和磁感应强度B，因而在读写器中常采用串联谐振方式。并联谐振时回路激励电压最大，对电子标签来讲可以产生工作所需的足够能量，因而在电子标签中常采用并联谐振方式[5]。但以上方式并不是唯一的，有时也会根据实际情况采用串并联组合的方式，以达到最佳效果。

在低频系统中电子标签向读写器的信息传输采用负载调制技术，负载调制有电阻负载调制和电容负载调制两种方法。电子标签向读写器发送数据时常采用曼彻斯特编码与ASK调制方式，读写器则采用包络检波并配合低通滤波还原数据。

1.2EM4001卡原理及特点

EM4001是瑞士EM微电子公司（EM Microelectronic）生产的CMOS集成电路，用于只读型射频电子标签的芯片，由该芯片构成的电子标签也称EM4001卡[6]。

EM4001卡的特点：

·工作频率为100～150KHz；

·已固化的64位只读存储器；

·数据传输速率有RF/64、RF/32、RF/16；

·编码方式有Manchester、Biphase、PSK；

·调制方式为ASK调制；

·可内置电容；

·有电压保护；

·超低功耗；

·超小体积。

EM4001卡存储结构如图2所示，存储器内共有64位，分为5部分，即9个前导位、40个数据位、10行奇偶校验位、4列偶校验位以及1个停止位。

图2　EM4001卡存储结构[6]

EM4001卡是只读型卡，且为无源卡。当卡片未被激活时不会向外发送任何数据。只有当被来自读写器的射频能量场激活后，才会向外连续、循环发送64位数据，且发送数据的顺序是先前导位，然后是10组4个数据加每行的偶校验位，最后是4列的偶校验位加停止位，直到断电为止。

1.3ATA5567卡原理及特点

ATA5567可读写射频识别芯片最初由德国Temic半导体公司开发，后由美国Atmel公司生产，由该芯片构成的电子标签也称ATA5567卡[7]。

ATA5567卡的特点：

·工作频率为100～150KHz；

·为可读写射频卡；

·兼容ISO/IEC11784和11785标准；

·除兼容e5550工作模式外，还具有扩展工作模式；

·卡内有330位存储空间，分为10块，每块33位，包含32位数据位和1个锁定位；

·可实现存储器读写的密码保护和永久性写保护；

·数据传输速率在RF/8～RF/128范围内可配置；

·调制编码方式有FSK、PSK、 Manchester、Biphase、NRZ；

·具备规则读和直接块读两种数据读取方式，可选择快速写功能；

·内部存储器允许擦写次数为105，数据保存时间20年。

ATA5567卡内部有330位E2PROM存储空间，为可读写型卡，如图3所示。该存储空间分为2页，共10块，每块包含锁定位在内有33位。

图3　ATA5567卡存储结构[7]

ATA5567卡有两种读模式，即规则读（Regular-read）和块读（Block-read），读模式的数据传送方向为卡到读写器。规则读是从E2PROM的0页的块1的第1位开始读，直至模式字的MAXBLK参数指定的块的第32位，然后再次返回块1的第1位重新开始。规则读也是ATA5567卡在上电复位后及检测到相应错误后的默认操作。块读是读写器通过向ATA5567卡发送命令的方式读取指定块中的数据。此时指定数据块有两种状态，一种是数据块未受密码保护可直接读取，另一种是数据块受到密码保护只有验证密码通过后才能读取数据。

2　系统总体设计

本文所描述的双模读写器主要实现EM4001卡与ATA5567卡数据的读取、存储、上传、复制等功能，硬件架构如图4所示，以微控制器为核心，包括模拟电路、数字电路及电源管理三部分。其中模拟电路包含125KHz载波发生、缓冲电路、调制/解调、滤波、放大电路、天线及匹配电路等；数字电路包含实时时钟、存储器、通信接口等；电源管理包含DC/DC变换、电压监测等。

图4　硬件架构

读写器的工作流程如图5所示，上电后通过工作模式的设定可分别工作在读EM4001卡模式和读/写ATA5567卡模式。读写器产生射频能量场，在一定距离范围内激活射频卡，通过电感耦合方式连续接收射频卡发送的数据，将数据保存在存储器中，通过通信接口可将数据上传至计算机，完成整个读卡过程。

图5　工作流程

3　系统的实现

读写器主要实现EM4001卡、ATA5567卡数据的读取、存储、复制以及与计算机的数据交互。系统的实现将主要从数据读写、控制电路、数据存储、数据交互和电源管理五个模块着手，围绕硬件电路的设计展开，最后将简要描述软件设计过程。

3.1数据读写

读写器中数据读写模块的设计是一个十分重要的模块设计部分，其功能框图如图6所示。

图6　数据读写模块功能框图

从图6中可以看出，数据读写模块由两部分组成，即发送通道和接收通道。发送通道通过产生能量足够强的125KHz载波，以激活射频卡实现数据读取；此外发送通道可采用通/断射频能量场的方式将数据写入卡片；接收通道利用电感耦合原理，从高达几十伏的信号中提取出有用信号送至微控制器以实现数据解码。发送通道电路如图7所示，接收通道电路如图8所示。

图7　发送通道电路

如图7所示，微控制器的一个端口输出频率为125KHz、周期为8us的矩形波，该矩形波与控制信号经与门电路输出至缓冲级，同时缓冲级对微控制器来讲还起到隔离作用，缓冲级输出的连续能量场或通/断能量场经功率放大电路放大后加到由LC组成的简单谐振回路上，以激活射频卡。

图8　接收通道电路

如图8所示，在接收通道中，经谐振回路耦合回来的射频信号首先通过检波电路去除负信号，并滤除载波信号，然后送入放大电路对微弱信号进行放大，再用比较电路对放大后的信号进行整形，完成整个接收过程，将整形后的信号送入微控制器的比较/捕获输入端口，实现数据解码。

3.2控制电路

控制模块是读写器中的核心部分，主要完成数据解码、存储、交互及电源监控等，其功能框图如图9所示。

图9　控制模块功能框图

如图9所示，微控制器通过内部定时器产生125KHz矩形波输出，对接收通道输出的曼彻斯特码进行解码，将解码后的数据保存在外部存储器，通过串行接口与计算机实现数据交互，对工作电压进行监测，并输出相应状态指示。

3.3数据存储

读写器将解码后的数据保存在存储器中，如图10所示。采用X5645[8]存储芯片，该芯片的使用较简单，由于采用SPI接口因而可以用微控制器的任何I/O端口与之连接，微控制器的I/O端口通过模拟SPI时序实现数据写入与读出。

图10　数据存储模块电路

3.4数据交互

读写器通过标准串行接口与计算机连接，将存储器中的数据导入计算机。数据交互模块采用Sipex3232[9]芯片作为接口芯片，如图11所示，将微控制器的USART0配置成波特率为9600，8-N-1，即8位数据，无奇偶校验，1位停止位。

图11　数据交互模块电路

3.5电源管理

读写器采用+12V供电，通过电源管理模块为读写器中的模拟与数字电路提供工作所需的各种电源，其功能框图如图12所示。

图12　电源管理模块功能框图

3.6软件设计过程

按读写器的工作流程，软件由以下五个模块组成。

1)初始化

完成微控制器内部基础时钟模块的配置；端口功能定义，包括输入、输出及第二功能；定时器、比较器、串行通信模块、模数转换模块等的控制寄存器中控制字的写入。

2) 模式设定

设置读写器的工作模式，即读EM4001卡或ATA5567卡，同时设定速率，即读EM4001卡时为固定速率RF/64，读ATA5567卡时用RF/64或RF/32。

3)数据读写

实现曼彻斯特编码数据的解码，通常采用捕获方式。判断规则为由低电平到高电平的跳变表示数据0，由高电平到低电平的跳变表示数据1[10]。通过采用通/断射频能量场并控制通/断时间的方式实现对ATA5567卡数据写入。

4)数据存储

将解码后的数据保存在存储器中，通过模拟SPI时序实现对存储器的读、写操作。

5)数据交互

通过串口接收计算机发来的命令和数据，并向计算机上传读取到的数据，数据传输协议采用自定义。

4　结束语

本文的研究目标是研制基于射频识别的双模读写器，涉及EM4001卡与ATA5567卡的读写。在硬件电路设计中，采用模块化方法，将整个电路分解为数据读写、控制电路、数据存储、数据交互、电源管理五个模块；在软件设计中，采用分层模式，以函数为基础，从底层对硬件的驱动，到中间的数据接口，再到顶层的应用，使代码易于修改、移植及复用，提高了编程效率、缩短了开发周期。任何设备的研发都是一个需要不断完善的过程，本文所提出的双模读写器亦是如此。在适应速率方面，目前能适应RF/64与RF/32速率，但在ATA5567卡应用中也有用到速率为RF/16；在软件设计方面需进一步研究数据解码的算法，以提高数据解码的速度和准确率。当然这也是一个逐步完善与提高的过程，随着研究工作的深入，读写器的功能将会更加完善。

参考文献

[1]饶运涛,邹继军.电子标签技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[2]黄玉兰.物联网射频识别(RFID)核心技术详解[M].北京:人民邮电出版社,2012.

[3]单承赣,单玉峰,姚磊.射频识别(RFID)原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2011.

[4]陆永宁.非接触IC卡原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5]Klaus Finkenzeller.射频识别技术(第3版)[M].吴晓峰,陈大才,译.北京:电子工业出版社,2006.

[6]EM4001:Read Only Contactless Identification Device [EB/OL].http://www.emmicroelectronic.com,2015.

[7]ATA5567:Multifunctional 330-bit Read/Write RFIdentification IC[EB/OL].http://www.atmel.com,2015.

[8]X5645:X5643/X5645 CPU Supervisor with 64Kbit SPI EEPROM[EB/OL].http://www.intersil.com,2015.

[9]Sipex3232:SP3222B/SP3232B True +3.0V to +5.5V RS-232 Transceivers[EB/OL].http://www.sipex.com,2015.

[10]王鑫,赖晓铮,朱海龙,赖声礼.一种长距离125KHz阅读器硬件电路的设计与实现[J].电子技术应用,2008,2:79-82.

秦燕飞（1982-），女，上海人，大学本科，助理研究员，研究方向：计算机技术。

薛竑彦（1981-），男，江苏人，大学本科，工程师，研究方向：计算机技术。

胡月平（1981-），女，江苏人，大学本科，工程师，研究方向：计算机技术。

孙航（1981-），女，广东人，大学本科，工程师，研究方向：计算机技术。

作者简介：