射頻識(shí)別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification ）是從20世紀(jì)90年代興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的，且識(shí)別工作無須人工干預(yù)。它具有非接觸識(shí)別（識(shí)別距離可從10CM至幾十米）、可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體、可工作于各種惡劣環(huán)境、保密性強(qiáng)、可同時(shí)識(shí)別多個(gè)對象等優(yōu)點(diǎn)。與其它自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，它成功地解決了在自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中要求識(shí)別準(zhǔn)確、互動(dòng)、高速、防偽、安全、可靠和聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)等技術(shù)難題。因此，射頻識(shí)別技術(shù)已廣泛用于軍事、交通、生產(chǎn)、電子防偽、物流監(jiān)控和自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。

RFID系統(tǒng)由三部分組成：標(biāo)簽（Tag）、天線（Antenna）和閱讀器（Reader）。當(dāng)標(biāo)簽靠近閱讀器時(shí)， 受閱讀器發(fā)射的電磁波激勵(lì)，卡片內(nèi)的諧振電路產(chǎn)生共振并接收電磁波能量。當(dāng)標(biāo)簽接收到足夠的能量時(shí)，就將卡內(nèi)存儲(chǔ)的識(shí)別資料及其數(shù)據(jù)以無線電波的方式傳輸?shù)介喿x器并且接受閱讀器對卡內(nèi)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作。

本文利用MFRC530設(shè)計(jì)了高頻RFID閱讀器。該閱讀器利用STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對Mifare卡的控制，支持ISO14443和ISO15693通信協(xié)議，并通過USB接口將閱讀器拾取到的卡數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">上位機(jī)。該閱讀器具有硬件實(shí)現(xiàn)簡單、易于軟件二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于良好的電磁兼容性， 該系統(tǒng)比較穩(wěn)定， 通信可靠性得到了保證。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由射頻天線、MF RC530、微處理器和USB接口四個(gè)部分組成，具體的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微處理器選用STC89C52作為主控制器，單片機(jī)通過控制MF RC530驅(qū)動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)對射頻卡的讀寫操作。USB接口是用于下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)工作過程描述如下：

上位機(jī)通過USB接口與閱讀器主控模塊相連，發(fā)送讀卡、寫卡等命令，接收主控模塊的數(shù)據(jù)與操作。閱讀器通過射頻模及其輔助天線與卡片通信，實(shí)現(xiàn)與卡片的數(shù)據(jù)交換。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 RFID接口電路設(shè)計(jì)

我們選用的射頻基站芯片為MFRC530。MFRC530是PHILIPS公司應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該芯片高度集成射頻卡應(yīng)答信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，支持Mifare雙界面卡和典型的Mifare協(xié)議，完全集成了13.56MHz下的所有層的通信方式和通信協(xié)議，適用于各種基于ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場合，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近距離的天線（距離可達(dá)10CM）。該芯片具備并口和SPI兩種接口，可以直接連接到任何8位微處理器，這樣給閱讀器的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。MCU是通過對非接觸式IC卡讀寫芯片MFRC530內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來控制MFRC530的，任何射頻卡上的數(shù)據(jù)全部通過MFRC530來傳輸，通過對MFRC530不同的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對射頻卡的讀取操作。

RFID接口電路采用的是SPI接口通訊方式，單片機(jī)選用STC89C52。接口是以主從方式工作的，單片機(jī)為主器件，MF RC530為從器件。主器件具體的電路連接如圖2所示。

射頻接口描述如下：

MOSI：主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入，連接到單片機(jī)的P1.4口。

MISO：主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出，連接到單片機(jī)的P1.7口。

CLK：時(shí)鐘信號(hào)，由主器件產(chǎn)生，連接到單片機(jī)的P1.3口。

NSS：從器件使能信號(hào)，由主器件控制，連接到單片機(jī)的P1.5口。

E500：片選信號(hào)，連接到單片機(jī)的P1.6口。

R500：復(fù)位信號(hào)，連接到單片機(jī)的P1.2口。

圖2 射頻接口電路原理圖

2.2 天線設(shè)計(jì)

天線部分的原理圖如圖2所示，圖中右面的幾匝線圈作為閱讀器的天線，天線線圈中有個(gè)接地的中心抽頭，用來改善天線的性能。天線拾取的信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳，MF RC500 的內(nèi)部接收器對信號(hào)進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)。MF RC500 通過 TX1 和 TX2 提供 13.56 MHz 的能量載波驅(qū)動(dòng)天線。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制來得到發(fā)送的信號(hào)。

天線設(shè)計(jì)的重要參數(shù)是天線的電感，對讀卡器天線的構(gòu)造有如下基本的要求：

1.使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量Φ;

2.功率匹配，以便最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量;

3.足夠的帶寬，以便無失真的傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。

2.3 USB接口設(shè)計(jì)

USB接口的目的是將獲取的卡的數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機(jī)，接口芯片我們選擇CH374T。該芯片是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式，支持低速和全速的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸以及同步/等時(shí)傳輸，支持低速和全速USB通訊，兼容USB V2.0。CH374T兩種具備可選單片機(jī)接口：6MB速度的8位被動(dòng)并行接口和28MHz速度的SPI串行接口。在本設(shè)計(jì)中，我們選擇8位的并行接口，具體的接口電路原理圖如圖3所示。

CH374T的并口信號(hào)線包括：8位雙向數(shù)據(jù)總線D7-D0、讀選通輸入引腳RD#、寫選通輸入引腳WR#、片選輸入引腳CS#和地址輸入引腳A0。引腳連接描述如下：

8位數(shù)據(jù)總線與P0口連接;

RD#：讀選通輸入，低電平有效;

CS#：片選通輸入，低電平有效;

A0：地址/數(shù)據(jù)輸入，當(dāng)A0=1時(shí)，可以寫索引地址，當(dāng)A0=0時(shí)可以讀寫數(shù)據(jù)。

圖3 USB接口電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 卡程序設(shè)計(jì)

射頻卡與閱讀器之間的交易過程，實(shí)際上就是卡和讀卡器之間的數(shù)據(jù)交換和對卡內(nèi)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程。在數(shù)據(jù)交換過程中。為了確保卡和讀卡器之間數(shù)據(jù)的同步及數(shù)據(jù)能被正確接收、識(shí)別，需要建立系統(tǒng)的通信協(xié)議。在交易的過程中非接觸式卡遵守通信協(xié)議，根據(jù)接收的指令，在有限狀態(tài)機(jī)的控制下執(zhí)行一個(gè)工作過程，從而完成需要的功能，卡操作的具體流程圖如圖4所示。

圖4 卡操作流程

當(dāng)有Mifare卡進(jìn)入射頻天線10CM的范圍內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過MFRC530發(fā)送詢卡請求，Mifare卡回傳卡片形態(tài)、通訊協(xié)議、通信速率等，以便建立卡片與閱讀器的第一步通信聯(lián)絡(luò)，從而完成詢卡過程。

卡片與閱讀器完成以上兩個(gè)步驟后， 還必須進(jìn)行選卡操作， 即要使電子標(biāo)簽真正地被選中。被選中的卡回傳卡片的類型代碼，對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證過程要來回進(jìn)行三次密碼驗(yàn)證操作， 只有認(rèn)證成功，才允許進(jìn)行下一步的讀寫作。正確處理上述認(rèn)證后，即確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片。選擇卡之后，即可通過上位機(jī)指令對卡內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，這些操作主要包含數(shù)值的增減操作。

3.2 USB驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

CH374T有2種工作模式即主機(jī)模式和設(shè)備模式，并支持7個(gè)端點(diǎn)，根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，設(shè)置CH374T工作模式為設(shè)備模式，選擇端點(diǎn)0作為數(shù)據(jù)上傳和下傳端點(diǎn)。由于CH374T已經(jīng)固化了USB的驅(qū)動(dòng)程序，因此，只需要對其進(jìn)行初始化、設(shè)備枚舉和定義數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)即可，具體的數(shù)據(jù)傳遞過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)交換過程

初始化的過程就是設(shè)置設(shè)備的地址、清除中斷標(biāo)志、設(shè)置USB接口的極性、設(shè)置設(shè)備為高速狀態(tài)、開啟中斷數(shù)據(jù)傳輸和USB設(shè)備檢測中斷，當(dāng)設(shè)備正確連接后，延時(shí)后準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)備枚舉是所有設(shè)備必須執(zhí)行的一個(gè)步驟，設(shè)備枚舉對設(shè)備做必要的初始化，一次設(shè)備枚舉就是一次標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求的過程，主要包含獲取設(shè)備描述符。由于本設(shè)計(jì)是選擇端點(diǎn)0，所以該設(shè)備描述符的信息應(yīng)該為在端點(diǎn)0傳輸8個(gè)字節(jié)容量的信息包。獲取配置描述符獲取配置描述符有兩個(gè)過程，第一步首先得到配置描述符的總長度，第二次是獲取配置描述符便得到所有描述符數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)表明，由此方法設(shè)計(jì)的電路運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾性好，讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，安全性高，滿足自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的各種應(yīng)用。本設(shè)計(jì)在黃河根石位移檢測系統(tǒng)中已經(jīng)作為現(xiàn)場巡檢中使用，使用結(jié)果證明，本閱讀器性能可靠，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，可以在其他各個(gè)場所推廣和使用。

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