基于射频识别技术的多协议读写器设计报告.doc

河海大学计算机及信息工程学院（常州）课程设计报告题 目 专业综合实习报告 专业学号 0862610305 学生姓名 授课班号 271301 指导教师 完成时间 201112-6 基于射频识别技术的多协议读写器设计摘要：该射频识别（RFID）读写器由微控制单元、射频读写模块、高频功率放大模块、天线、通信接口、液晶显示模块、射频卡/标签等部分组成。基于电磁波的能量传输原理，RFID利用射频卡/标签和读写器内部自带的天线激发形成电磁场，通过电磁波能量效应和信息效应,构建起非接触信息传输通道来传输信息，实现身份识别和数据交换等一系列的交互操作.该装置具有存储量大、可读写、穿透力强、识别距离远、识别速度快、使用寿命长、环境适应性好等特点,在公共交通、物流管理、身份识别等领域有着广泛的应用。在具体方案实施和执行中,该装置由ATmega16完成整个系统的控制,以CLRC632芯片为核心的读写器实现与射频卡/标签之间的无线通信与指令应答，实现了多协议的方便切换，成功开发出适用于现有各种主流RFID协议的非接触式射频卡/标签的读写器。关键词:射频识别；电磁波；射频卡/标签AbstractThe radio frequency identification （RFID) reader consists of microcontrol unit， radio frequency reader module， high-frequency power amplifier module， antenna， communication interface, LCD modules, radio frequency cards / tags， etc. Based on the principle of electromagnetic wave energy transmission, RFID uses radio frequency cards / tags and the built-in antenna within the reader to stimulate the formation of electromagnetic fields and builds up the noncontact information transmission channels through electromagnetic waves to transmit information which results in a series of interactive operation such as achieving identification, data exchange and so on。 The device has features of large memory capacity， being able to read and write， strong penetrating power，long identification distance， fast identification speed， long life and good environmental adaptability， and has a wide range of applications in the filed of public transport, logistics management and identification 。 In the process of implementation and enforcement of specific programs， mega16 in the device complete the whole system of control orders and tasks，as the core of the reader card the CLRC632 chip and the Mifare1 card reader achieve wireless communication and command between the response and instructions for response to realize the convenience of multiprotocol switching， successfully developed to be applied to all major RFID existing agreements with noncontact RF card / tag reader.Keywords: radio frequency identification； electromagnetic wave； radio frequency cards / tags。5一基于射频识别技术的多协议读写器设计思想1.多协议读写器的工作原理RFID系统是按电磁波能量耦合原理工作的.由读写器向射频卡/标签发射特定频率的无线电磁波。当射频卡/标签靠近读写器时，受读写器发射的电磁波激励，卡片内的 LC 谐振电路产生共振并且接收电磁波能量。当射频卡/标签接收到足够的能量时,就将卡内存储的识别资料以及其他数据以无线电波的方式输到读写器并且接受读写器对卡内数据的进一步操作。该卡的读写过程是由射频卡/标签与读写器之间通过无线电磁波来完成读写操作。射频卡/标签是一种无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后,与其本身的 LC 产生谐振,产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据的修改、存储等，并返回给读写器，完成一次读写操作。2电磁场与电磁波理论基础2。1 电磁场理论每个运动的电荷或者说电流,都伴随有磁场,为了在电感耦合式RFID系统的写/读设备中产生交变磁场，采用了“短圆柱形线圈”或用导体回路来做磁性天线。如图1:rHd图1射频识别系统发射天线周围的磁力线研究表明，从线圈半径（或面积）到一定距离的磁场强度几乎是不变的，而后则急剧下降，在自由空间，线圈的近场中磁场强度的衰减大约为60dB/10倍频程，在形成电磁波的远场中变得比较平缓，为20dB/10倍频程.2。2 射频匹配电路设计原理在本设计中，为提高整个系统的使用范围,在芯片选择上使用功能更加强大的 CLRC632,这也是整个系统的核心部分。CLRC632 内部集成了振荡器缓冲，连接外部的13。56MHz 的石英震荡晶体，以获取低相位抖动。由于提供给 CLRC632 的时钟要作为同步系统的编码器和解码器的时间基准,因此频率的稳定性是正确执行的一个重要因素，为了获得最佳性能，时钟抖动应该尽可能小。CLRC632 根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，通过由 TX1、TX2 引脚驱动的天线以电磁波的形式发出去，IC 卡采用 RF场的负载调制进行响应。天线拾取 IC 卡的响应信号经过天线匹配电路送到 RX 引脚，CLRC632 内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理.处理后的数据发送到并行接口由ATmega16读取。该系统在 13。56MHz 频率下操作，石英晶振产生用于驱动 CLRC632 以及作为驱动天线的 13。56MHz 能量载波的基频，会产生比该频率更高的谐波,因此对输出信号必须进行适当的滤波，低通滤波器元件包括 L1 和 C11.2.3 天线与电磁波理论射频识别系统的阅读器要通过天线来发射能量，形成电磁场,通过电磁场来对电子标签进行识别。为了驱动天线,CLRC632 通过 TX1 和 TX2 提供 13.56MHz 的能量载波。根据寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号.IC 卡采用 RF 场的负载调制进行响应.天线拾取的信号经过天线匹配电路送到 RX 脚。CLRC632 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。然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。天线的方向性图即指该辐射区域中辐射场的角度分布，因此远场区是天线辐射场区中最重要的一个.对于给定的工作频率,无功近场区的外界基本上由波长决定,辐射远场区的内界应满足大于无功近场区外界的约束。当天线尺寸（D或L）与波长可比或大于波长时，其辐射近场区域大致在R，与Rz之间.有关天线场区的划分,一方面表示了天线周围场的分布特点,即辐射场中的能量以电磁波的形式向外传播，无功近场中的射频能量以磁场、电场的形式相互转换并向外传播；另一方面表示了天线周围场强的分布情况，距离天线走近,场强越强。读写器天线线圈的电流I 产生一个磁通量的部分穿过卡的线圈在卡的线圈感应出一个电压.电压被整流当工作电压到达后卡的IC 被激活感应电压会随着读卡器天线和射频卡/标签的距离不同而变化.由于电压会变化工作距离受到传输的功率限制。图3 读写器天线原理图 图2 发射波与射频卡反射波的传播天线设计具体步骤为:非接触式 IC 卡天线利用电感耦合产生磁通，磁通用来向卡提供电源,并且在两者间传输数据。因此对读写器天线的构造有以下几个基本要求：使天线线圈的电流最大,用于产生最大的磁通量 ；功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；足够的带宽以无失真地传送数据调制的载波信号.由于CLRC632 的频率是 13.56MHz，属于短波段，因此可以采用小环天线。天线的最大几何尺寸与工作波长之间没有严格的界限，一般定义为：L1;上式中，L 是天线的最大尺寸, 是工作波长.对于 13。6MHz 的系统来说，天线的最大尺寸在 50厘米左右。在天线设计中，品质因数 Q 是一个非常重要的参数，品质因数的计算公式为:Q=（2f0L）R式中2f0是工作频率，L是天线的电感量,R是天线的电阻值。通过品质因数可以很容易计算出天线的传输带宽：B=f0Q从式中可以看出,天线的传输带宽与品质因数成反比关系。因此,过高的品质因数会导致传输带宽缩小,从而减弱 PCD 的调制边带，导致 PCD 无法与卡通信.一般系统的最佳品质因数为 1030，最大值不能超过 60。计算需要转换的阻抗的方法是使用smith软件仿真。图4 天线线圈匹配电路二射频识别技术读写器的数据传输与通信1设计目的射频身份识别技术（RFID）是综合利用了电磁波的能量效应与信息效应的新兴识别技术，是现今研究的一个热点.RFID行业目前正处于上升期，但由于目前标准众多，造成了读写器指令不一致、安置要求不同等原因,使得在具体使用过程中有很多不便，迫切需要一种有一定通用性的多协议RFID读写设备，以满足对不同协议的射频卡/标签进行读写操作。2。系统总体框图图5 电磁波身份识别装置系统框图3。系统重要功能模块介绍3.1微控制单元整个读卡器的控制核心使用低功耗、高性能8位AVR微处理器mega16。它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只有单个时钟周期,大大降低了功耗和 EMI。另外，它集成了许多系统级的功能，利用其丰富的内部资源，与使用传统 51 系列单片机相比，可大大减少元件的数目和电路板面积,不仅降低了设计难度，并且提高了系统的可靠性，降低了系统的成本。3.2射频读写模块工作原理读写器向射频卡/标签发一组固定频率的电磁波,卡片内有一个 LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同,在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到 2V 时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。卡片的天线是只有几组绕线的线圈，适于封装到 IS0 卡片中。根据寄存器的设定，天线将调制后的数据发送出去。IC 卡采用 RF 场的负载调制进行响应,得到接收信号.天线拾取的信号经过天线匹配电路送入下一级电路进行处理。3.3射频IC卡/标签模块该读卡器完全支持13。56MHz下所有类型的非接触式通信方式和协议，适用于各种基于ISOIEC14443A/B、IS015693 标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。能识别多种协议下的射频卡/标签。射频 IC 卡由 IC 芯片、感应天线组成，封装在一个标准 PVC 卡片中,无外露部分。非接触式 IC 卡的读写过程，是由 IC 芯片与读写器之间通过电磁波来完成读写操作。非接触式 IC 卡是一种无源体,当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号,该信号由卡接收后,与其本身的 LC 产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号,指挥芯片完成数据的修改、存储等,并返回给读写器,完成一次读写操作.3.4高频功率放大模块读写器中的功率放大部分采用了高频功放三极管与LC选频网络,构成了丙类功率放大电路,实现了对信号的放大.3.5通信接口设计液晶模块的信息通过RS232串口连接.读卡器与单片机之间通过并行接口传送数据。3。6显示模块显示模块采用点阵型128X64 LCD液晶显示屏，改液晶屏与处理器连接简单，操作方便，可将读卡器从射频IC卡中得到的有关卡片信息显示出来,使用户对当前卡片的存储状态及数据信息有直观的了解。4。卡到读写器的数据传输卡发送回读写器的数据传输使用副载波负载调制的原理.此时卡作为谐振电路消耗读卡器产生的能量.这个能量消耗有重新激活的效应使读写器端出现电压降，这个效应通过改变卡的IC 的负载或电阻将数据从卡发送回读卡器。读写器的天线应调谐到振荡频率f=13。56MHz.实际上振荡器电路在读写器天线产生的电压多次比电源电压高但由于读写器和卡的天线之间有小的耦合因子卡的响应比读卡器产生的电压弱了大约60dB 检测这个信号要求一个设计良好的接收电路。多协议读写器用副载波频率来调制数据而不是用直接的负载调制副载波调制的结果，是在载波频率13。56MHz 的周围产生边频带副载波负载调制可以简单并健壮地测试接收信号，如图6，图6多协议读写器副载波调制图4。射频卡与读写器的通讯1）复位应答射频卡/标签的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为某射频卡/标签，即验证卡片的卡型。2）防冲突机制当有多张卡进入读写器操作范围时,防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。3）选择卡片选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码.4）三次互相确认选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验。）射频卡读写器完全支持1356 MHz 下所有类型的非接触式通信方式和协议,适用于各种基于 ISOIEC14443A 标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。读写器主要由电池供电。由于读写器不断发射无线电波，功耗较大，所以必须从每一个细节来考虑如何降低功耗，从而尽可能地延长电池的使用时间。硬件上采用低功耗设计，如低功耗器件、低压、模块化供电等；软件上采用规模化设计，尽量减少处理器的工作时间，使其处于低功耗运行模式。CLRC632 是与射频卡实现无线通信的核心模块，也是读卡器读写射频卡的关键接口芯片。它根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号,通过由 TX1，TX2 脚驱动的天线以电磁波的形式发出去，射频卡采用 RF 场的负载调制进行响应。天线拾取射频卡的响应信号经过天线匹配电路送到 RX 脚，CLRC632 内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。处理后的数据发送到并行接口由单片机读取.三系统原理图图7多协议读写器原理图四总结本系统所开发出的读写器具有高性能、高稳定性和强兼容性，典型的读写距离为 10 厘米,效读写区域内无死区，读写操作可靠。本文的创新工作:基于 PHILIPS 公司生产的 CLRC632 芯片，提出了一种结合单片机 ATmega16的通用射频卡读写器的设计与实现方案.系统实现了对射频卡/标签读写操作的同时，具有以下优点：（1） 由于接口方式比较多，对 I/O口操作简单，可以方便地对CLRC632 进行控制并获取相应信息；(2） 由于该系统在天线设计合理的情况下可靠性比较高，有效距离可达11cm;（3） 计算机只需通过一定的方式发送命令，即可对卡操作，在此基础上可以根据不同的需要开发出相应的软件产品，具有很大的实用价值。