具有LCD显示功能的多协议RFID读写器的设计

付丽华 杨抒浓 张家鑫 康嘉宁沈阳工学院电子信息教研室



具有LCD显示功能的多协议RFID读写器的设计

付丽华 杨抒浓 张家鑫 康嘉宁
沈阳工学院电子信息教研室

摘要：本文提出了一个具有LCD显示功能的多协议RFID读写器的设计方案。该设计以STC12系列单片机为处理器，以LCD1602为显示器，设计一款具有SPI接口和多个串行接口的RFID读写器。在本方案中，设计了一个扩展串口的电路，通过程序控制，实现对多个RFID读头的选择，从而实现在一块电路板上对多种RFID协议的支持，并通过LCD，将读写器的操作信息和结果显示出来。该读写器具有体积小、适用性强、操作简单、效果直观的特点。

关键字：LCD 多协议 RFID 读写器

射频识别（英文：Radio Frequency IDentification，缩写：RFID）［1］是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。

许多行业都运用了射频识别技术，如：生产线上的产品追踪；畜牧养殖业的个体识别；公交“一卡通”的电子钱包等。

1　总体方案

RFID阅读系统是由读写器（Reader）、应答器/射频标签（Transponder）、天线（Antenna）三部分组成［2］，其工作原理为Reader通过Antenna发射特定频率的无线电波给Transponder，用以驱动Transponder电路并发送指定的数据，Reader按照指定的协议，接收并处理相关的数据。

对于典型的RFID系统，阅读器与应答器之间进行双向数据交换，对于复杂的应用系统，需要将被识别目标数据上传到应用软件或后台服务器进行处理，因此，读写器通常具有通信接口，完成读写器与后台的数据交换，完成相关的功能，如：开关控制等。

本设计旨在实现对多协议RFID标签的识读，但由于RFID具有多个频段，不同的频段，协议不同和难度不同，很难通过一个电路板实现该功能，为此设计了多个通信端口，实现对各协议标签的识读，从而实现设计目标。

此外，采用LCD作为显示器，既可用直观地提示操作的过程和结果，又便于脱机使用。

基于上述目标，本设计以单片机为核心，整体的方案包括：电源和MCU控制单元、声光提示单元和外设接口单元。

2　系统设计

2.1 硬件设计

本设计以MCU微处理器为核心，采用USB接口为系统供电，通过与计算机的串行通讯，接收来自应用软件的指令，根据不同的指令，驱动模拟开关的切换，实现与不同的射频模块进行通信，完成不同协议的标签识读，并显示操作结果，同时可以将发送给相应的应用软件。

（1）电源及MCU控制单元

本设计中以STC12C5206AD［3］的单片机作为微处理器，晶振为频率为11.0592Mhz，目前大多数射频模块的接口为SPI和UART，为此设计了2组数据通讯接口，分别实现SPI和UART接口通信。

在电源方面，本装置的电源采用标准USB接口，并设计了自锁开关，作为电源的上电控制装置，具有低成本、使用方便、即插即用，并且电源供电稳定的特点。

（2）声光提示单元

读写器设计了声光提示电路，通过对相关的I/O口控制，点亮或熄灭不同颜色的LED，并伴有不同节奏的蜂鸣音，表示不同的状态，如：读卡成功、读卡失败、无卡等。

本设计中，共有3个LED和一个蜂鸣器，分别作为电源指示、并通过点亮不同颜色LED与蜂鸣器声音的组合，实现系统的不同状态提示。

（3）外设接口单元

本单元的主要功能为通信，分别完成读写器与后台系统数据交换和MCU与各RFID读头之间的通信。

在数据通信方面，采用最简单、实用的串行通信，为此设计了基于芯片CD4052［4］的串口扩展电路，通过对多个串口进行分时使用，实现了多协议的RFID标签数据的识读。

此外，在读写器的主板上保留了SPI接口，用于连接SPI接口的射频读头。

在显示方面，采用LCD1602作为显示屏，实现相关信息的显示。

2.2软件程序设计

本设计的主要功能如下：

（1）与不同通信接口、不同RFID通信协议的读头的数据通信；

（2）串口扩展的驱动；

（3）相关的声光提示；

（4）操作过程和结果的文字提示；

（5）与PC机的通讯。

为需要满足上述要求，程序设计的主流程为：系统初始化à显示当前状态à根据设置或命令选择指定的端口à发送相关指令à接收并处理数据à在LCD上显示操作结果à将结果发送到上位机软件。

3　结论

与当前市场销售的产品相比较，本读写器的设计充分考虑了实用性和便捷性，具有如下特点：

3.1操作简单，效果直观

通过MCU的I/O口控制，实现声光提示和液晶屏显示设计，该部分工作原理简单、成本低，LCD的文字显示功能，效果直观，有利于用户使用。

3.2便于调试和测量

目前市场销售的产品，由于成本等原因，通常是高度集成的，几乎是完全密封的，很难实现对中间环节的数据监测和测量。在本设计中，在电路板上，预留了调试接口和多个测试点，有利于电子爱好者对中间环节数据的监测，从而加深对于专业理论知识的理解。

3.3模块化设计，成本低，支持多协议

通常，市场销售的支持多协议的RFID类产品，价格较高。本设计以模块化设计为理念，一个主板，多个接口，通过修改主板的程序，实现不同协议的支持，因此硬件成本远低于同类产品。

3.4多接口，利于进一步扩展

本设计中，除了与PC机的通讯接口外，还设计了2个UART接口，一个SPI节接口，不同的接口，在驱动方面难度不同。既可以将其用于电子爱好者作为样品来调试，也可以用于高校的实践教学环节，满足更深层级的教学需求，如：课程设计、实训环节的使用等。

参考文献

［1］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，2008：2

［2］黄友森.射频识别（RFID）技术与应用［M］. 北京：电子工业出版社，2011：4

［3］STC12C5206AD数据手册［EB/OL］.http：//stcmcu.cn.china. cn

［4］CD4052B数据手册［EB/OL］.http：//www.ic5.cn/p_CD4052B_ am4m.html

作者简介：

付丽华，1972年6月，女，满族，辽宁人，沈阳工学院，教师，副教授，硕士学位，研究方向：自动识别产品及系统设计。