繼計算機和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之后，物聯(lián)網(wǎng)的應用在各個領域迅速發(fā)展起來。射頻識別技術(RFID)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術之一。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性，實現(xiàn)對靜止或移動物體的自動識別[1]。RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、射頻卡等部分組成,其中射頻識別閱讀器根據(jù)應用場合可分為固定式閱讀器和手持式閱讀器[2]。手持式閱讀器靈活性大、便于操作人員快速完成某一區(qū)域內的信息采集。

    隨著物聯(lián)網(wǎng)射頻識別技術的不斷發(fā)展，RFID閱讀器被廣泛應用于制造業(yè)、物流、港口、碼頭、車輛及人員管理等領域。
1 硬件設計
1.1 硬件結構設計
    RFID閱讀器基于STM32單片機設計,芯片型號選擇為STM32F103RBT6。該芯片為LQFP64封裝， 內部有128 KB Flash和20 KB RAM,采用32位的ARM CortexTM-M3內核, 最高支持主頻72 MHz,擁有2個SPI接口、 2個USART接口、1個USB接口、2個I2C接口和7個定時器。支持SWD和JTAG調試模式及IAP和ISP編程。
    STM32單片機支持J-Link在線調試，J-Link調試有兩種模式：JTAG調試和SWD調試。在線調試的便捷性，可以極大縮短程序的開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。本系統(tǒng)采用的調試模式為SWD模式，只需2根SWDIO和SWCLK信號線，相比JTAG模式更加節(jié)約I/O口資源。閱讀器的硬件結構框圖如圖1所示。

1.2 電源模塊設計
    系統(tǒng)可使用直流電源或電池供電，外部直流電源電壓為8.4 V；電池電壓為7.2 V，2 600 mA/h的鋰電池。電源模塊設計原理圖如圖2所示。

    電源模塊工作原理：當插座J1連接外部直流電源時，電流可經(jīng)過D4給電池充電，直流電源經(jīng)開關JP1連接IRF7404的G極，使IRF7404的D極與S極斷開,則系統(tǒng)使用外部直流電源供電；當不使用直流電源、按下開關時，D4可將CD_POWER與電池斷開，IRF7404的G極為低電平, IRF7404導通, 則系統(tǒng)使用電池供電。SYS_
POWER電壓經(jīng)過LM2576S-3.3轉換為3.3 V為系統(tǒng)的各模塊供電。
1.3 MF RC522模塊設計
    MF RC522是閱讀器的讀卡芯片,工作頻率為13.56 MHz，工作模式支持ISO 14443A標準,芯片內部驅動器可以直接驅動閱讀器的天線，無需其他電路。MF RC522具有3種接口模式：SPI接口模式、UART模式和I2C總線模式[3]。其中SPI模式的通信速度最快，可達到10 Mb/s。
    MF RC522與主機接口模式有關的兩個引腳為IIC和EA：當IIC引腳拉高時，表示當前模式為I2C模式，若IIC引腳為低電平時,再通過EA引腳電平來區(qū)分。EA為高電平時，表示SPI模式；為低電平時，則表示UART模式[4]。本設計中MF RC522與MCU采用SPI通信，與AT45DB161共享一個MCU的SPI2接口。
    在系統(tǒng)中，MF RC522和天線電路一起作為單獨模塊使用，以便于更換與維修。天線模塊與主板之間通過插座連接。
    天線是閱讀器中的一個重要組成部分。其作用是向外發(fā)射一組固定頻率的電磁波,為射頻卡提供能量、傳遞數(shù)據(jù)。
    本系統(tǒng)中使用的是PCB天線，天線的設計關系到閱讀器的讀寫距離，甚至關系到閱讀器是否能正常與射頻卡通信。RC522的天線設計須注意以下兩點：(1)為了讓射頻卡能獲取足夠大的能量驅動本身的集成電路，設計天線時應該保證向外輻射足夠大的電磁波； (2)為了提高讀卡數(shù)據(jù)的準確性，需要考慮調諧電路的通頻帶，確保調制信號的準確性。
    天線的匹配電路可分為：天線線圈、LC諧振電路和EMC濾波電路。RC522的天線匹配電路如圖3所示，其中RQ為品質因素Q的匹配電阻，Lant為天線的電感。
1.4 顯示模塊設計
      閱讀器選用2.8英寸的TFT LCD觸摸屏。在本系統(tǒng)中移植了GUI模塊，使得人機交流界面操作更加便捷、友善。觸摸屏為四線電阻屏,使用ADS7843作為A/D轉換芯片。ADS7843是內置12位模/數(shù)轉換、低導通電阻模擬開關的串行接口芯片，模/數(shù)轉換輸出范圍0~4 095，工作電壓2.7 V~5 V，參考電壓VREF為1 V~VCC，轉換電壓的輸入范圍為0~VREF，最高轉換速率為125 kHz[5]。ADS7843與MCU的接口為SPI1。

    驅動層的程序基于硬件平臺，主要是為中間服務層提供硬件驅動接口函數(shù)，完成底層的硬件操作。編寫STM32的內部資源驅動程序時,調用了ST公司的固件庫函數(shù)。
    中間服務層主要是為上層應用程序提供庫支持和服務接口。中間服務層的程序在驅動層程序上開發(fā)，并封裝驅動程序的接口。如FATS文件系統(tǒng)是在AT45DB161的驅動程序上移植，為上層的應用程序提供文件創(chuàng)建、寫入、讀出、刪除等服務；GUI模塊是在LCD顯示驅動程序上開發(fā)，將LCD驅動的畫點畫線函數(shù)封裝成不同的控件，在控件上加載相應的數(shù)據(jù)結構，為界面應用程序提供控件的創(chuàng)建、銷毀等操作。
    應用層程序是面向用戶，通過調用中間服務函數(shù)和庫函數(shù)來完成相應的數(shù)據(jù)處理和控制功能等。
2.2 Free RTOS實時操作系統(tǒng)
    Free RTOS是一個輕量級的操作系統(tǒng),基本滿足較小系統(tǒng)的需要。該操作系統(tǒng)完全免費且源碼公開，同時具有可移植、可裁減、調度策略靈活的特點。
    在本設計中Free RTOS的任務之間的關系如圖5所示。

2.3 GUI模塊
    GUI模塊是一個中間服務層程序，為顯示應用程序提供控件顯示服務。如控件的顯示位置、尺寸、顏色以及控件響應的回調函數(shù)入口地址等。在本系統(tǒng)中GUI控件包含有文本框、編輯框、進度條、圖像框、下拉列表、按鈕等。每個控件都可以注冊一個回調函數(shù)，這個函數(shù)對應了該控件的響應功能函數(shù)。
2.4 FAT文件系統(tǒng)
    FatFs文件系統(tǒng)是中間服務層程序,建立在AT45DB161驅動程序上，文件系統(tǒng)提供了磁盤I/O接口和應用程序接口。磁盤I/O接口函數(shù)位于diskio.c文件，常用的接口函數(shù)有讀磁盤disk_read()和寫磁盤disk_write()。這兩個函數(shù)分別調用AT45DB161驅動程序的讀扇區(qū)和寫扇區(qū)函數(shù)。在文件系統(tǒng)中一個扇區(qū)的大小為512 B，與AT45DB161的頁大小一致。
    為了使FatFs文件系統(tǒng)與Windows的文件系統(tǒng)兼容，要使用FAT32格式來格式化磁盤。f_open()函數(shù)與f_close()函數(shù)必須要成對出現(xiàn)，即打開一個文件操作完成后必須要關閉這個文件。在對文件進行操作前必須先調用f_mount(0，&Fs)函數(shù)對工作區(qū)進行注冊，操作完成后也需要調用f_mount(0,NULL)函數(shù)對工作區(qū)進行注銷。
2.5 MF RC522驅動程序流程
    本系統(tǒng)中使用的射頻卡為Mifare1 S50,也簡稱為M1卡，該卡有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)有4個塊，每個塊可存儲16 B的數(shù)據(jù)。MF RC522對M1卡進行讀寫控制，分別有尋卡、防碰撞、選卡、認證、讀塊和寫塊等過程。
    MF RC522驅動程序流程如下：
    (1)尋卡:尋找感應區(qū)內所有符合ISO14443A標準的卡，尋卡成功后，返回卡的類型。
    (2)防碰撞:通過防碰撞命令查看多張M1卡之間是否發(fā)生碰撞，若發(fā)生碰撞，使用防碰撞算法進行處理；若未發(fā)生碰撞，則MF RC522與M1卡進行通信,如果通信成功，讀出M1卡中的序列號。
    (3)選卡:根據(jù)M1卡的序列號進行選卡。
    (4)密碼驗證:密碼驗證模式有驗證A密鑰和驗證B密鑰，通過這兩種模式來驗證塊地址、密碼和卡片序列號。
    (5)讀數(shù)據(jù)塊:根據(jù)提供的塊地址讀取塊數(shù)據(jù)。
    (6)寫數(shù)據(jù)塊:根據(jù)提供的塊地址寫入塊數(shù)據(jù)，操作完成后命令M1卡進入休眠狀態(tài)。
2.6 AT45DB161D驅動程序
    AT45DB161D是一個外部Flash存儲器，擁有2 MB的容量，分為4 096個頁，可配置為每頁512 B，還擁有2個512 B的緩沖區(qū)。在主存儲器正在編程時，緩沖區(qū)允許接收數(shù)據(jù)，且支持數(shù)據(jù)流式寫入。AT45DB161的初始化包括STM32的引腳配置和SPI2接口配置，初始化之后才能進行讀寫操作。讀寫頁操作流程如下：
    (1)讀頁操作流程
    ①檢測AT45芯片是否忙。若忙，則繼續(xù)讀忙，直到芯片空閑;若芯片空閑,則執(zhí)行流程②。
    ②向AT45芯片寫入命令0x53和頁地址。0x53命令是將Flash中整頁的數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū)1中。
    ③向AT45芯片寫入命令0xD4和頁偏移地址及數(shù)據(jù)長度。0xD4命令是讀緩沖區(qū)1中的數(shù)據(jù)。
    ④讀頁操作完成。
    (2)寫頁操作流程
    ①檢測AT45芯片是否忙。若忙，則繼續(xù)讀忙，直到芯片空閑;若芯片空閑，則執(zhí)行流程②。
    ②向AT45芯片寫入命令0x84、頁偏移地址及需要寫入的數(shù)據(jù)。0x84命令是將數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)1中。
    ③向AT45芯片寫入命令0x83和頁地址。0x83命令是將緩沖區(qū)1中的數(shù)據(jù)寫到Flash指定的頁。使用0x83命令，寫入前不需要對頁進行擦除操作。
    ④寫頁操作完成。
3 性能測試與實驗分析
3.1手持式閱讀器的功能測試
    需要測試的功能有對M1卡讀寫、文件讀寫、與PC機數(shù)據(jù)通信等功能。為了便于測試上述功能，將本設計應用在校園消費系統(tǒng)上進行測試。測試步驟如下：
    (1)用串口線將RFID閱讀器與PC機相連。運行PC機的上位機程序，設置串口參數(shù)為：波特率9 600 b/s，數(shù)據(jù)位8 bit，停止位1 bit，無校驗位，無流控制。
    (2)對M1卡讀寫功能測試。通過上位機軟件發(fā)送指令和數(shù)據(jù)至閱讀器，閱讀器將指定數(shù)據(jù)寫入M1卡。然后再將M1卡數(shù)據(jù)讀出，傳回給上位機軟件顯示，并比較寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)，如圖6所示。

    (3)文件讀寫測試。由于讀M1卡的數(shù)據(jù)以文件的形式存放在閱讀器的外部Flash中，該Flash由文件系統(tǒng)管理。用USB線連接閱讀器和PC機，閱讀器以盤符的形式在PC機上顯示，從磁盤中將文件復制到PC機上，用上位機軟件打開讀出軟件，記錄測試數(shù)據(jù)。
    (4)與PC機數(shù)據(jù)通信測試。以上兩項測試通過則表明閱讀器能與PC機進行正常通信。
3.2 性能測試與分析
    系統(tǒng)的性能測試主要是鋰電池的續(xù)航時間及RFID有效讀卡距離等。系統(tǒng)性能測試如表1所示。

    (1)鋰電池的續(xù)航時間需要分別測試最長待機時間和連續(xù)工作時間。
    ①最長待機時間測試：將鋰電池充滿電，閱讀器使用電池供電，將閱讀器開機而不使用，記錄待機時間。
    ②連續(xù)工作時間測試：將鋰電池充滿電，閱讀器使用電池供電,編寫一個測試程序,讓閱讀器定時每30 s讀取M1卡信息。記錄工作時間。
     ③用萬用表分別測量閱讀器的待機消耗電流和工作消耗電流，并記錄電流值。
    (2)RFID有效讀卡距離。將閱讀器固定不動，M1卡平行放在閱讀器天線平面的正上方200 mm處，將M1卡緩慢向閱讀器移動，直到閱讀器能正確讀取M1卡中數(shù)據(jù)為止。測量卡與閱讀器天線之間的距離并記錄數(shù)據(jù)。
    通過對上述的系統(tǒng)功能、性能進行驗證，分析實驗測出的相應數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的功能基本能達到了初期預設的技術指標。
    本文設計的閱讀器有良好的人機交流界面，可通過觸控操作，顯示屏可顯示M1卡中存儲信息。經(jīng)過實驗證明，在70 mm的范圍內能準確讀寫M1卡中的數(shù)據(jù)。該閱讀器具有超長待機和低功耗的功能。經(jīng)過實際功能測試，已成功地將該設計應用于校園消費系統(tǒng)。
參考文獻
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