非接触式RFID的读写器系统设计

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引言
随着计算机和嵌入式系统的发展，IC卡已经融入人们的日常生活，并发展成几大类，其中非接触IC卡的出现引起了人们的特别关注。与之相应，能够读取非接触IC卡内信息的读写器(阅读器)也在不断地发展和更新。非接触式卡又称射频卡(应答器)，它使用无线电调制方式和阅读器进行信息交换。通常根据以下几种标准来设计，即ISO／IEC10536标准、ISO／IEC14443标准、ISO／IEC15693标准。根据ISO／IEC10536标准设计的卡称为"密耦合卡"，对应的阅读器也相应遵循ISO／IEC10536标准设计；根据ISO／IEC14443标准设计的卡是近耦合卡，对应的阅读器遵循ISO／IEC14443标准设计；根据ISO／IEC15693标准设计的卡是遥耦合卡，对应的阅读器遵循ISO／IEC15693标准设计。遥耦合卡比近耦合卡具有更远的读卡距离，但二者均采用13．56 MHz工作频率，均具有防冲突机制[1]。
本文以射频识别技术的实际应用为背景，以智能车辆识别系统的设计为实例，阐述了使用一种TI公司生产的工作于13．56 MHz的典型射频IC卡进行系统开发的方法。该系统采用性价比较高的PIC16F874单片机作为主控器件，具有更强的研究性、实用性和推广性。
1系统总体结构及方案设计
本系统采用基于IS015693协议的TI公司的工作于13．56 MHz的射频标签(RI-I02-112A，RI-I03-112A等)为射频信息钮，由基于RI-R6C一001A[2]的射频信息钮读头模块、天线、单片机、电源稳压模块(UA7805)、串口通信电路(MAX232)、液晶显示电路(SED1335、MAX749)[3]、无线收发模块(AYG一59C)[4]等组成。电源稳压模块把整个系统的工作电压稳定在5 V，MAX749芯片主要是为液晶模块提供所需的负电压。系统总体结构框图如图1所示。

把此系统用于城市的公交车运行情况的统计上，前提是要把每辆公交车上贴一个射频卡，在每一个站牌处安装一个由阅读器组成的系统(包括阅读器、液晶模块、无线收发模块)。该系统的工作过程如下：
首先，由应用软件通过单片机(PIC16F874)向射频信息钮读卡模块(RI-R6C一001A)发出指令(如读射频卡的UID)，射频信息钮读卡模块把单片机发过来的数据按所选择的射频协议(ISO15693)[5]的要求对数据进行编码和调制，然后经过天线发送出去。此时，在阅读距离范围内的电子标签(射频卡)收到此命令，经过认证，如果正确，则按命令的要求把自己的UID发送出去(如果错误，则返回错误信息)。读卡模块经过天线收到此信息，对其进行解调和解码后，通过SPI串口送给单片机。单片机把收到的数据通过RS232串口送给收发模块(AYG一59C)，收发模块以短消息的形式把数据发送给控制中心，然后控制中心把收到的数据以短消息群发的形式送给各个智能站牌。站牌处的无线收发模块收到此信息后，通过串口RS232送给单片机。单片机把此信息送给液晶显示模块，通过液晶显示模块乘客就可以知道公交车行驶的情况。
2系统硬件设计
硬件主要包括单片机MCU、RI一R6C-001A、液晶显示器、时钟电路、匹配电路及接口等外围电路。下面给出各部分的详细说明及相关设计。 2．1 MCU部分
图2为MCU加外围器件的应用原理[6]，也即控制部分电路原理。

控制部分首先辅助RI-R6C一001A工作。因为RI-R6C一001A芯片要正常工作，实现射频阅读器的功能，不但要有外围电路，而且还要有控制器对其进行适当的控制。PIC16F874控制器有丰富的位操作指令，有SPI串行口和精简的指令集，能够很容易地模拟RI-R6C-001A传送数据的时序以及时钟切换的时序。由于RI-R6C一001A对外只提供4个引脚(DOUT、DIN、SCLOCK、M-ERR)，所以控制器的接口电路相对较简单。DOUT、DIN、SCLOCK三个引脚分别连接到单片机的SPI串行口SDI、SDO、SCK三根线上，用来实现数据的串行传输。M-ERR引脚用来检测接收到射频卡中的数据是否发生错误(若有错误，则此引脚变为高电平)，因此把此引脚接到单片机的外部中断输入33引脚，用于检测接收数据是否有错误，进而单片机对其作出相应的处理。由于RI-R6C一001A在接收射频卡中的数据并把它发送给控制器时，要求控制器对其发送的数据是否结束作出判断，并且RI-R6C-001A不发送数据时就不再送时钟，所以在此电路设计中把RI-R6C一001A的SCLOCK引脚也接到了具有电压变化中断功能的RB4引脚。RB4引脚外接一个二极管，与软件结合起来，要求当控制器供应时钟时，RB4引脚处于高电平输出状态，经过二极管，RB4引脚不会输入时钟；当RI-R6C-001A供应时钟时，RB4引脚处于输入状态，SCLOCK信号输入此引脚，从而可以对发送数据是否结束作出相应的判断。其次控制器还要适时控制LCD的液晶显示，图2中，ADJ、CTRL是与MAX749相连的，提供LCD所需的-20 V电压；C5、C6、C7、E4、E7以及DO～D7是与LCD相连的控制信号与数据信号；同时也通过MAX232控制无线收发模块AYG一59C数据的发送和接收。
2．2射频部分
微处理器与RI-R6C一001A之间的通信主要通过几根连线实现，图3所示为射频芯片加外围器件的应用原理[2]。
射频电路由三大部分组成：RI-R6C一001A应用电路，与单片机相连的接口电路，天线发送、接收电路。在RI-R6C-001A应用电路中，L1、L2、C2组成的T型网络以及L3、C9组成的LC网络都起滤波作用，使RI-R6C-001A通过天线接收的数据不至于流向发送端TX-OUT，因为此芯片发送数据时频率是13．56 MHz，而接收信号的副载波频率是13．56 MHz／28和13．56 MHz／32(FM)或13．56 MHz／32(AM)，R-MOD端的电阻R2决定发送信号的调制深度；R3、L4、C10、C11组成串联谐振电路，匹配阻抗为50 Ω。可调电容C11用来准确调整电路谐振点在13．56 MHz，这一设计有利于阅读器正确的收／发信息。
3系统软件设计
RI-R6C-001A射频芯片正常工作时，一个基本的请求、应答时序如图4所示。


由图4可知，当控制器由发送转换为接收过程中，它同时由主动转化为被动，由发送时钟转换为接收时钟。这里有时钟切换问题。
a时刻表示控制器发送数据结束(发送数据时由控制器送出时钟)；b时刻控制器把DIN置高电平，为SCLOCK准备一个控制模式的转换或者准备一个结束信号ES1；c时刻DIN下降，控制器明确表明把SCLOCK的控制权交给射频芯片RI-R6C一001A(此时SCLOCK=O，并且控制器和射频芯片RI-R6C-001A的时钟线都处于输出状态)；d时刻DIN再次置高电平，表明控制器离开对总线的控制，直到DIN下降从而要求收回时钟的控制权。在d时刻，SCLOCK仍然等于O，但控制器的SCLOCK引脚为输入状态，射频芯片RI-R6C-001A的SCLOCK引脚为输出状态。d时刻之后，射频芯片RI-R6C-001A便开始把接收到的从标签过来的数据送给控制器，以便下一步对收到的数据进行处理。当射频芯片RI-R6C-001A控制时钟时，它将发送一个S2给控制器。S2对应于标签发过来的SOF，然后接着发送数据7位(图中所示)和一个ES2对应于标签过来的EOF。e时刻表示标签过来的数据射频芯片RI-R6C-001A传送结束。e时刻之后，控制器把DIN置低的目的是收回时钟的控制权，DIN引脚再一次出现一个高电平脉冲，表示控制器收回了对时钟的控制权，在高电平脉冲期间时钟将改变方向。根据需要，可以再进行下一次发送指令。
在智能车辆识别系统中，阅读器对应答器的操作主要是读标签的UID，因此，实现软件时，应严格按照图4所示的时序要求。其实，阅读器对接收到的一系列数据先进行判断，然后决定执行什么命令，再将该命令转换为应答器所能接受的无线处理方式。注意，由于阅读器对命令的分析和执行都需要时间，所以要保证操作完成的速度和正确性。例如，在发命令CMD之后，要有一个很短的时间延迟，再发二进制数据，以确保RI-R6C-001A能正确地动作。操作指令和参数均用十六进制数表示；同时，阅读器按照ISO15693无线协议规范，将命令信息包调制发出。当得到应答器的应答信息后，再向控制器发送操作结果信息。命令处理过程实际上是命令的解释和执行过程。下面以读一个标签的UID为例(其他命令的用法与之类似)，给出系统的工作流程，如图5所示。

下面是读标签UID的程序段[5-6]：




由SPI口模拟的RI-R6C-001A的时序结果如图6所示。图6中，上升沿采样数据，两幅图中均有两个信号，上面的是时钟信号SCLOCK，下面的是数据线DIN。起始位后，发送的数据是十六进制的7D，紧接着是停止位，然后又是一个起始位，依次循环。从时序图中可以看出，用SPI口能完全模拟该射频芯片的协议。
结语
本系统在完成硬件和软件设计后进行了制版、调试和测试。经过测试，阅读器完成了与IC卡之间的数据传输，已经可以使用。系统中程序的设计采用PIC16F87X汇编语言和C语言，通过利用PC机、仿真器以及MPLAB ICE集成开发环境，完成了软件的调试。如果硬件和软件设计合理，则可进一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、读写电路简单，应用必然会更加广泛。
作者：刘舒祺 牟志刚  文章来源：《单片机与嵌入式系统应用》