第六章 RFID读写器1.读写器的组成与设计要求2.低频读写器3.高频读写器4.微波读写器5.读写器的发展趋势第6章 RFID读写器6.1读写器的组成与设计要求6.1.1读写器的组成1读写器的软件读写器的所有行为均由软件控制完成。软件向读写器发出读写命令，读写器的所有行为均由软件控制完成。软件向读写器发出读写命令，作为响应，读写器与电子标签之间就会建立起特定的通信。作为响应，读写器与电子标签之间就会建立起特定的通信。 读写器的软件已经由生产厂家在产品出厂时固化在读写器中。软件读写器的软件已经由生产厂家在产品出厂时固化在读写器中。软件负责对读写器接收到的指令进行响应，并对电子标签发出相应的动作负责对读写器接收到的指令进行响应，并对电子标签发出相应的动作指令。软件负责系统的控制和通信，包括控制天线发射的开关、控制指令。软件负责系统的控制和通信，包括控制天线发射的开关、控制读写器的工作模式、控制数据传输和控制命令交换。读写器的工作模式、控制数据传输和控制命令交换。2读写器的硬件 读写器的硬件一般由天线、射频模块、控制模块和接口组成。控制模块是读写器的核心，一般由ASIC组件和微处理器组成。控制模块处理的信号通过射频模块传送给读写器天线，由读写器天线发射出去。控制模块与应用软件之间的数据交换，主要通过读写器的接口来完成。（1）控制模块。 控制模块由ASIC组件和微处理器组成。微处理器是控制模块的核心部件。ASIC组件主要用来完成逻辑加密的过程，如对读写器与电子标签之问的数据流进行加密，以减轻微处理器计算过于密集的负担。对ASIC的存取，是通过面向寄存器的微处理器总线实现的。（2）射频模块。射频前端主要由发送电路和接收电路构成，用以产生高频发射功率，并接收和解调来自电子标签的射频信号。（3）读写器的接口。读写器控制模块与应用软件之间的数据交换，主要通过读写器的接口来实现，接口可以采用RS-232、RS-485、RJ-45、USB2.0或WLAN接口。（4）天线。6.1.2读写器的设计要求读写器在设计时需要考虑许多因素，包括基本功能、应用环境、电器性能和电路设计等。读写器在设计时需要考虑的主要因素如下。 1读写器的基本功能和应用环境2读写器的电气性能3读写器的电路设计6.2低频读写器 射频识别技术首先在低频得到应用和推广。低频读写器主要工作在射频识别技术首先在低频得到应用和推广。低频读写器主要工作在125kHz125kHz，可以用于门禁考勤、汽车防盗和动物识别等方面。，可以用于门禁考勤、汽车防盗和动物识别等方面。6.2.1基于U2270B芯片的读写器 U2270BU2270B芯片是芯片是ATMELATMEL公司生产的基站芯片，该基站可以对一个非接触公司生产的基站芯片，该基站可以对一个非接触式的式的ICIC卡进行读写操作。卡进行读写操作。U2270BU2270B基站的射频频率工作在基站的射频频率工作在100100150kHz150kHz的范围内，在频率为的范围内，在频率为125kHz125kHz的标准情况下，数据传输速率可以达到的标准情况下，数据传输速率可以达到5 5 000b/s000b/s。由由U U2270B构成的构成的读读写器模写器模块块，关，关键键部分是天部分是天线线、射、射频读频读写基写基站芯片站芯片U2270B和微和微处处理器。工作理器。工作时时，基站芯片，基站芯片U2270B通通过过天天线线以以约约125kHz的的调调制射制射频频信号信号为为RFID卡提供能量卡提供能量 （电电源源），同，同时时接收来自接收来自RFID卡的信息，并以曼卡的信息，并以曼彻彻斯特斯特编码输编码输出。出。U2270B芯片的内部由振芯片的内部由振荡荡器、天器、天线驱动线驱动器、器、电电源供源供给电给电路、路、频频率率调节电调节电路、低通路、低通滤滤波波电电路、高通路、高通滤滤波波电电路、路、输输出控制出控制电电路等部分路等部分组组成，其内部成，其内部结结构如构如图图6-6-6所示。所示。6.2.2考勤系统的读写器 由由U2270BU2270B构成的读写器，可以用于学生考勤系统。其中，标签由卡片构成的读写器，可以用于学生考勤系统。其中，标签由卡片构成，读卡器由基站芯片构成，读卡器由基站芯片U2270BU2270B及其支撑电路、主控芯片及其支撑电路、主控芯片MCUMCU及其支及其支撑电路、外围接口电路（键盘、液晶、时钟和串口模块）构成。撑电路、外围接口电路（键盘、液晶、时钟和串口模块）构成。学生考勤系统的工作原理如下：l平时，MCU工作于低功耗状态，标签因为没有能量而处于休眠状态；l当按下键盘上的工作按钮时，MCU被换醒，同时激活U2270B开始工作，U2270B的两个天线端子通过线圈将能量传输给外界；l当有标签靠近读写器的线圈时，标签获得能量开始工作，并将其内部存储的信息发送到U2270B的输入端。U2270B经过转换后再将信息发送给MCU，MCU接收到信息后将其转换成可识别的数据，再将其送至液晶屏幕显示。6.2.3汽车防盗系统的读写器 汽车防盗装置应具有无接触、工作距离大、精度高、信息收集处理快汽车防盗装置应具有无接触、工作距离大、精度高、信息收集处理快捷、环境适应性好等特点，以便加速信息的采集和处理。射频识别以捷、环境适应性好等特点，以便加速信息的采集和处理。射频识别以非接触、无视觉、高可靠的方式传递特定的识别信息，适合用于汽车非接触、无视觉、高可靠的方式传递特定的识别信息，适合用于汽车防盗装置，能够有效地达到汽车防盗的目的。防盗装置，能够有效地达到汽车防盗的目的。1防盗系统的工作原理防盗系统的工作原理汽车防盗装置的基本原理是将汽车启动的机械钥匙与电子标签相结汽车防盗装置的基本原理是将汽车启动的机械钥匙与电子标签相结合，即将小型电子标签直接装入到钥匙把手内，当一个具有正确识别合，即将小型电子标签直接装入到钥匙把手内，当一个具有正确识别码的钥匙插入点火开关后，汽车才能用正确的方式进行启动。该装置码的钥匙插入点火开关后，汽车才能用正确的方式进行启动。该装置能够提供输出信号控制点火系统，即使有人以破坏的方式进入汽车内能够提供输出信号控制点火系统，即使有人以破坏的方式进入汽车内部，也不能通过配制钥匙启动汽车达到盗窃的目的。部，也不能通过配制钥匙启动汽车达到盗窃的目的。 一个典型的汽车防盗系统由电子标签和读写器两部分组成。电子标签是信息的载体，应置于要识别的物体上或由个人携带；读写器可以具有读或读写的功能，这取决于系统所用电子标签的性能。2防盗系统的组成 本系统中的硬件电路主要选择了电子标签、读写电路（采用芯片U2270B）、单片机（AT89S51）、语音报警电路、电源监控电路、存储接口电路和汽车发动机电子点火系统。3 3硬件电路设计硬件电路设计系统中的硬件电路主要选择了射频识别基站芯片系统中的硬件电路主要选择了射频识别基站芯片U2270BU2270B、单片机、单片机AT89S51AT89S51、语音合成芯片、语音合成芯片ISD2560ISD2560和双和双R RS S232232发送发送/ /接收器接收器MAX232MAX232等。等。U2270BU2270B是非接触识别系统中一种典型的低频读写基站芯片，是电子标签是非接触识别系统中一种典型的低频读写基站芯片，是电子标签和单片机之间的接口。和单片机之间的接口。U2270BU2270B一方面向电子标签传输能量、交换数据一方面向电子标签传输能量、交换数据；另一方面负责电子标签与单片机之间的的数据通信。另一方面负责电子标签与单片机之间的的数据通信。4软件系统设计软件系统设计软件系统设计包括读卡软件设计、写卡软件设计、语音报警程序设软件系统设计包括读卡软件设计、写卡软件设计、语音报警程序设计和串行通信程序设计等。计和串行通信程序设计等。IC卡发射的数据由基站天线接收后，由卡发射的数据由基站天线接收后，由U2270B处理后经基站的处理后经基站的Output脚把得到的数据流发给微处理器脚把得到的数据流发给微处理器AT89S51的输入口。这里基站只完成信号的接收和整流的工作，而信的输入口。这里基站只完成信号的接收和整流的工作，而信号解码的工作要由微处理器来完成。微处理器要根据输入信号在高电号解码的工作要由微处理器来完成。微处理器要根据输入信号在高电平、低电平的持续时间来模拟时序进行解码操作。平、低电平的持续时间来模拟时序进行解码操作。6.3高频读写器6.3.1 MF RC500芯片 PhilipsPhilips公司的公司的MF RC500MF RC500芯片主要应用于芯片主要应用于13.56MHz13.56MHz，是非接触、高集成的，是非接触、高集成的ICIC读读卡芯片。该卡芯片。该ICIC读卡芯片利用先进的调制和解调概念，集成了在读卡芯片利用先进的调制和解调概念，集成了在13.56MHz13.56MHz下所下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。有类型的被动非接触式通信方式和协议。 MF RC500 MF RC500支持支持ISO/IEC 14443 AISO/IEC 14443 A所有的层，所有的层，MF RC500MF RC500还支持快速还支持快速CRYPTOICRYPTOI加密算加密算法，用于验证法，用于验证MIFAREMIFARE系列产品。系列产品。MF RC500MF RC500的并行接口可直接连接到任何的并行接口可直接连接到任何8 8位微位微处理器，给读卡器的设计提供了极大的灵活性。处理器，给读卡器的设计提供了极大的灵活性。1MF RC500芯片的特性2MF RC500芯片引脚的功能6.3.2 基于MF RC500芯片的读写器1基于AT89S51和MF RC500的读写器系统 根据根据RFIDRFID原理和原理和MF RC500MF RC500的特性，可设计基于的特性，可设计基于AT 89S51AT 89S51和和MF RC500MF RC500的的RFIDRFID读读写器系统写器系统（1）系统硬件设计。系统主要由系统主要由AT89S51AT89S51、MF RC500MF RC500、时钟电路、看门狗、时钟电路、看门狗、MAX232MAX232和矩阵和矩阵键盘等组成。系统先由键盘等组成。系统先由MCUMCU控制控制MF RC500MF RC500，驱动天线对，驱动天线对MIFAREMIFARE卡（也即卡（也即电子标签）进行读写操作，然后与电子标签）进行读写操作，然后与PCPC通信，把数据传给上位机。通信，把数据传给上位机。（2）系统天线设计。 为了驱动天线，为了驱动天线，MF RC500MF RC500通过通过TX1TX1和和TX2TX2提供提供13.56MHz13.56MHz的载波。根据寄的载波。根据寄存器的设定存器的设定MF RC500MF RC500对发送数据进行调制来得到发送的信号。天线接对发送数据进行调制来得到发送的信号。天线接收的信号经过天线匹配电路送到收的信号经过天线匹配电路送到MF RC500MF RC500的的RXRX脚。脚。MF RC500MF RC500的内部接的内部接收器对信号进行检测和解调，并根据寄存器的设定进行处理，然后将收器对信号进行检测和解调，并根据寄存器的设定进行处理，然后将数据发送到并行接口，由微控制器进行读取。数据发送到并行接口，由微控制器进行读取。（3）系统工作流程。 对对MF RC500MF RC500绝大多数的控制是通过读写绝大多数的控制是通过读写MF RC500MF RC500的寄存器实现的。的寄存器实现的。MFRC500MFRC500共共有有6464个寄存器，分为个寄存器，分为8 8个寄存器页，每个寄存器页，每页页8 8个，每个寄存器都是个，每个寄存器都是8 8位。单片机将位。单片机将这些寄存器作为片外这些寄存器作为片外RAMRAM进行操作，要进行操作，要实现某个操作，只需将该操作对应的代实现某个操作，只需将该操作对应的代码写入对应的地址即可。当对应的电子码写入对应的地址即可。当对应的电子标签进入读写器的有效范围时，电子标标签进入读写器的有效范围时，电子标签耦合出自身工作的能量，并与读写器签耦合出自身工作的能量，并与读写器建立通信。建立通信。2基于P89C58BP和MF RC500的读写器系统 根据根据RFIDRFID原理和原理和MF RC500MF RC500的特性，可以设计基于的特性，可以设计基于P89C58BPP89C58BP和和MF RC500MF RC500的的RFIDRFID读写器系读写器系统。该系统由统。该系统由MIFAREMIFARE卡、发卡器、读卡器和卡、发卡器、读卡器和PCPC管理机组成，其中，管理机组成，其中，MIFAREMIFARE卡存放身卡存放身份号（份号（PINPIN）等相关数据，由发卡器将密码和数据一次性写入。）等相关数据，由发卡器将密码和数据一次性写入。（1）发卡器和读卡器。发卡器实际上是一种通用写卡器，直接与PC的RS-232串行口相连，或经过RS-485网络间接与PC相连。 与读卡器不同，发卡器往往处于被动地位，不主动读写进入射频能量范围内的射频卡，而是必须接收PC的命令才操作，即必须联机才能工作。读卡器是主动操作的，读卡器往往可以脱离PC工作，只要有非接触式IC卡进入读卡器天线的能量范围，读卡器便可读写卡中相关指定扇区的数据。（2）读卡器硬件系统。 发卡器与读卡器在硬件设计上大同小异，都是由单片机控制专用读写芯片（MF RC500），再加上一些必要的外围器件组成。6.4 微波读写器 微波RFID系统是目前射频识别系统研发的核心，是物联网的关键技术。微波RFID常见的工作频率是433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz等，该系统可以同时对多个电子标签进行操作，主要应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合。本节主要介绍一种基于ISO18000-6B的远距离RFID读写器的设计。6.4.1 系统构成和工作原理读写器的组成原理如图6-17所示，整个读写器的硬件包括基带处理电路、射频发射电路和射频接收电路3个部分。6.4.2 系统硬件设计与实现 1. 射频发射电路射频发射电路完成载波以及调制信号的发射。调制方式为射频发射电路完成载波以及调制信号的发射。调制方式为ASKASK，调制深度选用，调制深度选用100100，发射信号的输出衰减数字可控，使用发射信号的输出衰减数字可控，使用FPGAFPGA进行配置。进行配置。2. 射频接收电路射频接收电路主要实现标签返回信号的解调。为降低后端射频接收电路主要实现标签返回信号的解调。为降低后端DSPDSP的处理难度，采用的处理难度，采用I I、Q Q两路直接下变频的方式进行解调，如图两路直接下变频的方式进行解调，如图6-186-18所示。所示。 读写器工作过程中存在的一个主要问题是载波泄漏干扰。可以从以下两方面解决该读写器工作过程中存在的一个主要问题是载波泄漏干扰。可以从以下两方面解决该问题。首先，采用问题。首先，采用ldBldB截止点较高的无源混频器进行混频。其次，采用移相反馈回路截止点较高的无源混频器进行混频。其次，采用移相反馈回路抵消或减弱泄漏的载波信号。抵消或减弱泄漏的载波信号。3. 基带处理电路 基带处理电路是整个电路的控制中心，提供整个读写器硬件电路的控制信号，基带处理电路是整个电路的控制中心，提供整个读写器硬件电路的控制信号，根据上位机的命令控制读写器的工作，包括编码、解码、根据上位机的命令控制读写器的工作，包括编码、解码、CRCCRC校验和防碰撞校验和防碰撞处理等。为了保证电路的处理速度和可扩展性，在设计中采用了处理等。为了保证电路的处理速度和可扩展性，在设计中采用了DSPDSP芯片和芯片和FPGAFPGA芯片相结合的方式芯片相结合的方式6.4.3通信链路信号分析 1. 前向信号编码与调制 读写器发送到标签的信号称为前向信号。前向信号的编码方式为曼彻斯特编码，调制方读写器发送到标签的信号称为前向信号。前向信号的编码方式为曼彻斯特编码，调制方式为式为ASKASK，调制深度为，调制深度为100%100%，位速率为，位速率为40kb/s40kb/s。本系统采用。本系统采用DSPDSP芯片内部的通用芯片内部的通用I/OI/O口直口直接输出高低电平来控制射频发射电路载波的发送和停止，以实现前向信号的编码、调接输出高低电平来控制射频发射电路载波的发送和停止，以实现前向信号的编码、调制，其中，高低电平由曼彻斯特编码序列决定，时间由制，其中，高低电平由曼彻斯特编码序列决定，时间由DSPDSP定时器控制。定时器控制。 2. 后向信号的解调与解码 标签到读写器的信号称为后向信号。后向信号的编码方式为标签到读写器的信号称为后向信号。后向信号的编码方式为FM0FM0编码，编码，速率为速率为40kb/s40kb/s。FM0FM0编码又称为差动双向码，是在一个位窗口内采用编码又称为差动双向码，是在一个位窗口内采用电平变化表示逻辑电平变化表示逻辑1 1和逻辑和逻辑0 0的，如果电平只在位窗口的起始处翻转则的，如果电平只在位窗口的起始处翻转则表示逻辑表示逻辑1 1；如果电平除了在位窗口的起始处翻转外，还在位窗口的；如果电平除了在位窗口的起始处翻转外，还在位窗口的中间翻转则表示逻辑中间翻转则表示逻辑0 0。用位窗口内的双位逻辑表示，。用位窗口内的双位逻辑表示，1111或或00 00 表示逻表示逻辑辑1 1，1010或或0101表示逻辑表示逻辑0 0。FM0FM0编码与前一位数据逻辑有关，根据前一编码与前一位数据逻辑有关，根据前一位数据逻辑的不同，数据位数据逻辑的不同，数据A3A3有两种不同的有两种不同的FM0FM0编码。可以通过判断双编码。可以通过判断双位逻辑及前一位数据逻辑进行解码。位逻辑及前一位数据逻辑进行解码。6.4.4程序设计与实现 1. FPGA程序 本设计中，本设计中，FPGAFPGA主要提供系统时钟、主要提供系统时钟、RAMRAM的读写控制逻辑以及调试过的读写控制逻辑以及调试过程中后向信号的逻辑仿真。内置程中后向信号的逻辑仿真。内置PLLPLL产生的稳定时钟供产生的稳定时钟供DSPDSP使用；根据使用；根据DSPDSP读写逻辑及读写逻辑及RAMRAM的操作产生的操作产生RAMRAM的读写时序逻辑；根据应用环境的的读写时序逻辑；根据应用环境的要求产生控制发射电路输出衰减的逻辑信号。另一方面，用要求产生控制发射电路输出衰减的逻辑信号。另一方面，用FPGAFPGA生成生成调试过程中需要的标签返回的后向信号波形，以便于调试调试过程中需要的标签返回的后向信号波形，以便于调试 2. DSP程序 DSPDSP主程序通过串口和上位机通信，接收并解析上位机指令，编码后主程序通过串口和上位机通信，接收并解析上位机指令，编码后发送给射频发射电路。从射频接收电路输出的发送给射频发射电路。从射频接收电路输出的I I、Q Q两路信号，经两路信号，经A/DA/D模块采样后，合成一路信号。主程序对此信号进行同步、模块采样后，合成一路信号。主程序对此信号进行同步、FM0FM0解码、解码、CRCCRC校验，得到最终数据，并将正确的数据上传到上位机中。如果校验，得到最终数据，并将正确的数据上传到上位机中。如果FM0FM0解码错误或解码错误或CRCCRC校验错误，则进行防碰撞处理。校验错误，则进行防碰撞处理。3. 防碰撞机制分析与实现 ISO 18000-6B协议中使用的是一种类二进制树形的防碰撞算法，通过标签内随机产生0、1及内置计数器实现标签的防碰撞。标签在工作过程中共有“掉电”、“准备”、“识别”和“数据交互”4个状态，其状态转换如图6-23 所示。 标签进入读写器的工作范围时，从离场“掉电”状态进入“准备”状态。读写器通过选择指令让处于“准备”状态的所有或部分标签进入“识别”状态。 当进入“识别”状态的标签多于一张时，就要通过碰撞仲裁实现标签的有效识别6.4.5测试结果与分析 根据设计方案实现的读写器实际测试结果如表6-3所示。可以看出，在单张标签情况下，标签与天线距离可以看出，在单张标签情况下，标签与天线距离8.5m以以内，读写器识别正确率为内，读写器识别正确率为100；在多张标签情况下，；在多张标签情况下，标签与天线距离标签与天线距离3m时，读写器识别正确率为时，读写器识别正确率为100。读。读写器工作稳定、可靠。写器工作稳定、可靠。 实现的读写器是基于实现的读写器是基于ISO 18000-6BISO 18000-6B协议的，通过修改协议的，通过修改DSPDSP和和FPGAFPGA的程的程序可以实现其他序可以实现其他RFIDRFID协议，如协议，如EPC Class 1 Gen 2EPC Class 1 Gen 2协议等。该设计方协议等。该设计方案具有良好的扩展性，读写器可配置性强。案具有良好的扩展性，读写器可配置性强。 6.5 读写器的发展趋势随着射频识别技术的发展，射频识别系统的结构和性能也会不断提随着射频识别技术的发展，射频识别系统的结构和性能也会不断提高。越来越多的应用，对射频识别系统的读写器提出了更高的要求。高。越来越多的应用，对射频识别系统的读写器提出了更高的要求。未来的射频识别读写器将会有以下特点。未来的射频识别读写器将会有以下特点。多功能小型化、便携式、嵌入式、模块化 低成本智能多天线端口多种数据接口多制式兼容多频段兼容更多新技术的应用THANKS!