摘 要: 以ATMEL公司的ATmega16單片機(jī)設(shè)計(jì)RFID讀卡器的主控模塊，以RFM公司的TR1000芯片設(shè)計(jì)射頻發(fā)射和接收模塊，按照頻段和相關(guān)協(xié)議設(shè)計(jì)了與讀寫模塊相配套的天線，給出了讀卡器關(guān)鍵部分ATmega16與TR1000的接口電路原理， 同時(shí)根據(jù)ISO18000-Type B標(biāo)準(zhǔn)給出了RFID讀寫器控制協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)總體流程。
關(guān)鍵詞: 射頻識(shí)別； 讀卡器； 射頻標(biāo)簽； ISO/IEC18000-6Type B
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近幾年來，無線射頻識(shí)別技術(shù)越來越受各國(guó)重視，工作于125 kHz和13.56 MHz等較低頻段的射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)比較成熟。隨著國(guó)內(nèi)外在供應(yīng)鏈管理、集裝箱、工業(yè)、科研和醫(yī)藥等行業(yè)上對(duì)3 m以上射頻識(shí)別技術(shù)的需求,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)把研究的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向超高頻段和微波頻段。高頻遠(yuǎn)距離非接觸IC卡讀寫系統(tǒng)由于技術(shù)難度大、成本高、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等因素，在我國(guó)一般只應(yīng)用在高速公路收費(fèi)、重要部門的身份識(shí)別等高要求的場(chǎng)合。在今后幾年物流網(wǎng)的發(fā)展中，我國(guó)將是最大的EPC（Electornic Product Code)用戶，而基于高頻遠(yuǎn)距離非接觸IC卡技術(shù)恰恰是EPC技術(shù)的核心技術(shù)。為此，本文對(duì)915 MHz射頻讀卡器的控制、射頻接口、讀卡天線、讀寫系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信等部分進(jìn)行了研究。
1 主要硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由MCU電路模塊、基于TR1000的基站模塊、天線模塊、串行通信模塊、LED狀態(tài)顯示和報(bào)警電路所構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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1.1 MCU模塊
單片機(jī)選用ATMEL公司的ATmega16。它是一種基于增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)、低功耗、CMOS技術(shù)、8位控制器的高性能芯片。具有16? KB Flash、512 B EEPROM、1 KB SRAM的強(qiáng)大存儲(chǔ)功能，支持在線編程ISP，具有看門狗和JTAG接口等。MCU單元的復(fù)位電路選用X5045芯片，它帶SPI接口的內(nèi)部Flash，能讀寫該配置信息與模塊ID。單片機(jī)的引腳作用及簡(jiǎn)單的外圍電路如圖2所示。其中,ATmega16的3、4、16、17引腳控制射頻芯片的接收、發(fā)送、睡眠工作模式。
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當(dāng)SECTRL1、SECTRL0都為“0”時(shí)，射頻發(fā)射模塊休眠；當(dāng)SECTRL1為“1”、SECTRL0為“0”時(shí)，射頻發(fā)射模塊處于OOK發(fā)射狀態(tài)；當(dāng)RECTRL1、RECTRL0都為“0”時(shí)，射頻模塊休眠；當(dāng)RECTRL1為“1”、RECTRL0為“0”時(shí)，射頻模塊處于ASK接收模塊。引腳14、15為ATmega16基帶數(shù)據(jù)的輸出與輸入引腳，是射頻模塊和主控模塊的通道。另外，ATmega16沒有ALE、WR、RD口，但可分別選用PD4、PC6、PC7口模擬。
1.2 基站模塊
射頻收發(fā)的核心芯片采用RFM公司的OOK/ASK通用無線射頻收發(fā)器芯片TR1000，其主要特點(diǎn)是：具有OOK和ASK兩種調(diào)制解調(diào)方式；具有調(diào)制發(fā)送和接收解調(diào)功能；中心工作頻率約為916.5? MHz；具有最高可達(dá)115.2 kb/s的基帶速率；工作電壓一般約為3 V左右；工作溫度范圍在：-40 ℃～-85 ℃。
1.2.1 OOK射頻發(fā)射模塊
由于ISO/IEC18000-6Type B 協(xié)議規(guī)定讀卡器到射頻標(biāo)簽端的射頻調(diào)制方式為99%的ASK(振幅鍵控)調(diào)制，在這里將其作為OOK(通斷鍵控)調(diào)制。當(dāng)引腳SECTRL1為“1”、SECTRL0為“0”時(shí)處于工作狀態(tài)，其電路如圖3所示。另外，為提高讀卡器的輸出功率需采用芯片設(shè)計(jì)功率放大電路。
1.2.2 射頻接收模塊
ISO/IEC18000-6Type B協(xié)議規(guī)定了從卡片到讀卡器的信號(hào)采用反向散射調(diào)制。而從調(diào)制波形來看其仍與ASK調(diào)制波形相類似。因此,在這里將TR1000的SECTRL1和SECTRL0引腳設(shè)置為高電平，而RXDATA作為基帶數(shù)據(jù)輸出引腳，其電路如圖4所示。
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1．3 天線模塊
非接觸IC卡與讀卡器之間的通信是按照一定通信協(xié)議通過天線系統(tǒng)由電磁波傳輸完成。本系統(tǒng)是遠(yuǎn)距離系統(tǒng)，是在微波范圍內(nèi)利用反向散射技術(shù)進(jìn)行工作，其模式與雷達(dá)有些類似。因此，天線設(shè)計(jì)的理論依據(jù)：參照雷達(dá)的原理，由讀卡器產(chǎn)生的高頻信號(hào)從讀卡器天線以一定的方向輻射到空間，在輻射范圍內(nèi)的射頻標(biāo)簽接收到的功率密度S為:?
由于天線的有效接收面積為：
最后得出讀卡器天線接收的功率為：
由式(1)～(5)可知，要想增大讀卡距離，除了提高讀卡器的發(fā)射功率以外，還要適當(dāng)提高天線的接收面積和增益。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的射頻頻率為915 MHz,其波長(zhǎng)約為328 mm,本系統(tǒng)采用微帶技術(shù)的圓極化天線,按照915 MHz矩形微帶天線的技術(shù)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)過程中考慮到天線的頻帶、工作頻率、工作環(huán)境等原因，饋電部分采用了3 dB雙分支微帶定向耦合器結(jié)構(gòu),用空氣作為填充介質(zhì),用鋁板制造微帶底板,天線的輻射部分為一塊正方形銅板,分別從各邊中點(diǎn)饋電，其他關(guān)鍵部分采用銅板。
1．4 通信模塊
為了使所設(shè)計(jì)的讀寫模塊能方便地嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中(如門禁、公交收費(fèi)、考勤) ,該讀寫模塊可通過3 種方式通信:RS232、TTL 串口和自定義兩線制通信模式進(jìn)行通信。通信方式的選擇,可在模塊中通過跳線來實(shí)現(xiàn)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)思想: 當(dāng)有射頻標(biāo)簽進(jìn)入距離射頻天線工作范圍內(nèi)時(shí), 讀卡器就可以讀到卡中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)單片機(jī)將所讀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, 如果讀卡成功則指示燈閃爍一次,同時(shí)蜂鳴器鳴叫一聲，并將標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間一起存入單片機(jī)內(nèi)的EEPROM, 接著在LED顯示器上顯示卡數(shù)據(jù)。如果沒有射頻標(biāo)簽進(jìn)入天線工作范圍, 則在顯示器上顯示當(dāng)前時(shí)間；如果讀卡出錯(cuò), 則顯示出錯(cuò)標(biāo)志。在與上位機(jī)通信時(shí), 將單片機(jī)內(nèi)部EEPROM存入的信息發(fā)往上位機(jī)。系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)了與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，完成了ISO/IEC18000-6Type B協(xié)議規(guī)定的對(duì)卡的各種操作。整個(gè)主程序包括：串行通信程序、射頻標(biāo)簽操作程序、底層程序以及防沖突程序。主程序如圖5所示。
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本文設(shè)計(jì)的RFID射頻讀卡器充分結(jié)合硬、軟件的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)符合ISO18000-Type B協(xié)議的射頻標(biāo)簽的讀寫,讀寫距離可達(dá)3 m。如果合理地設(shè)計(jì)天線系統(tǒng)并進(jìn)行優(yōu)化,還可以增加讀寫距離。該讀寫器可以方便地與包括PC機(jī)在內(nèi)的串口設(shè)備連接,易于針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象嵌入到其他各射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)中。由于所選控制器程序存儲(chǔ)單元為Flash存儲(chǔ),因此可重復(fù)編程,升級(jí)方便。該讀寫器具有響應(yīng)速度快、通信穩(wěn)定可靠、操作便利等優(yōu)點(diǎn),對(duì)RFID的推廣有重要意義。
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