|
摘 要：本文介紹了一種RFID射頻識別系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[1]。該設(shè)計采用低頻125KHz傳輸信號，射頻卡選用EM4001，發(fā)射和接收信號采用集成模塊U2270B，信號的編碼和解碼采用曼徹斯特編碼，主控模塊采用STC89C51。經(jīng)驗證，該設(shè)計滿足門禁系統(tǒng)的要求。
0 引言 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新興的科技，是多學(xué)科交叉的融合，是未來發(fā)展的方向。而RFID射頻識別技術(shù)又是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心技術(shù)之一。筆者在教學(xué)過程中，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，用典型的元器件完成了一款125KHz低頻RFID射頻識別門禁系統(tǒng)的設(shè)計和實踐。通過對系統(tǒng)各個功能模塊的設(shè)計，鞏固了教學(xué)成果，鍛煉了學(xué)生。該設(shè)計采用集成模塊U2270B，完成無線射頻信號的發(fā)射和接收。使用繞制的銅線線圈作為天線發(fā)送和接收無線電波。采用常見的芯片STC89C51作為控制核心，完成無線電的收發(fā)時序、曼徹斯特解碼以及譯碼顯示等工作。通過Protel畫出電路圖后，在實驗室中制作單面板的實物，驗證了此設(shè)計的可行性。 1 設(shè)計原理和實現(xiàn)方案 1.1 工作原理 射頻識別(Radio Frequency Identification， RFID)是利用感應(yīng)、電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的一種自動識別技術(shù)。 射頻識別卡最大的優(yōu)點就在于非接觸，因此完成識別工作時無須人工干預(yù)，適于實現(xiàn)自動化且不易損壞，操作快捷方便。RFID技術(shù)是一個嶄新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，它不僅涵蓋了射頻技術(shù)，還包含了密碼學(xué)、通信原理和半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，是一個多學(xué)科綜合的新興學(xué)科。 RFID的基本工作原理：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號，讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。
1.2 功能 （1）讀卡器識別距離大于10mm。 （2）設(shè)計完成顯示ID卡卡號，可隨機讀取任意ID卡標(biāo)簽并顯示，顯示格式為：“success，ID:XXXXXXXXXX”（X代表0-9的數(shù)字）。 1.3 射頻應(yīng)答器設(shè)計 采用EM4001射頻卡：存儲容量：64bit；工作頻率：125KHZ；讀寫距離：2-15cm；芯片類型：EM瑞士微電 EM4100/EM4102；擦寫壽命：讀不限；外形尺寸：ISO標(biāo)準(zhǔn)卡/厚卡；封裝材料：PVC、ABS。 1.4 閱讀器設(shè)計方案 1.4.1. 125kHzRFID閱讀器設(shè)計 為了簡化硬件電路，采用集成射頻模塊U2270B完成125kHZ方波產(chǎn)生，功率放大與檢波，濾波放大等功能。此方案的優(yōu)點：電路簡單，易于實現(xiàn)。此方案的缺點：增加了程序的復(fù)雜性。125kHzRFID閱讀器的原理如圖2所示。 1.4.2. 基于U2270B的125kHzRFID閱讀器設(shè)計 射頻卡讀寫器的關(guān)鍵芯片是射頻卡基站芯片,它主要用于完成數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)射和射頻的接收以及數(shù)據(jù)的解調(diào)任務(wù)。由美國ATMEL公司生產(chǎn)的U2270B 是一種低成本、性能完善的低頻( 100～150kHz) 射頻卡基站芯片, 其主要特點如下: 1.載波振蕩器能產(chǎn)生100kHz～150kHz 的振頻率, 并可通過外接電阻進(jìn)行精確調(diào)整, 其典型應(yīng)用頻率為125kHz。 2.典型數(shù)據(jù)傳輸速率為5kbps( 125kHz時) 。 3.適用于曼徹斯特編碼和雙相位編碼。 4.帶有微處理器接口, 可與單片機直接連接。 5.供電方式靈活,可以采用+5V 直流供電, 也可以采用汽車用+12V供電,同時具有電壓輸出功能, 可以給微處理器或其它外圍電路供電。 6.具有低功耗待機模式, 可以極大地降低基站的耗電量。 7.125kHz 時的典型讀寫距離為15mm。 8.適用于對e5530/e5550/EM4001等射頻卡進(jìn)行讀寫操作。
圖2 125kHzRFID系統(tǒng)工作原理 圖3 U2270B內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 2 基于射頻芯片U2270B的125kHzRFID閱讀器電路設(shè)計 125kHzRFID由以下幾部分模塊電路構(gòu)成：控制電路、射頻模塊電路、射頻天線、顯示電路、聲光報警電路、串口通信電路、串口轉(zhuǎn)USB電路和電源電路。 2.1 控制電路設(shè)計 控制電路不僅要完成無線電收發(fā)的時序控制，還要進(jìn)行譯碼顯示，并完成和上位機的通信。由于射頻卡EM4001采用曼徹斯特編碼方式，而U2270B不能進(jìn)行曼徹斯特解碼，所以還需要控制單元進(jìn)行曼徹斯特的解碼工作。經(jīng)過對比和需求分析，最終決定采用STC89C51作為我們的主控芯片，其可以方便地支持串口燒錄，且價格便宜，功能完全滿足我們的需求。 2.2 射頻模塊電路設(shè)計 本課程設(shè)計采用射頻芯片U2270B完成射頻模塊的設(shè)計。參照U2270B芯片使用手冊中的典型電路連接，根據(jù)需求，采用第一種連接方式。 2.3 射頻天線設(shè)計 125kHzRFID射頻系統(tǒng)的應(yīng)答器和閱讀器都需要天線。而由于應(yīng)答器采用EM4001射頻卡，其內(nèi)部已經(jīng)集成了射頻天線。所以，我們只要研究閱讀器的射頻天線設(shè)計。 RFID射頻系統(tǒng)的天線制作方法有三種，線圈繞制法、蝕刻法、印制法。我們設(shè)計的125kHzRFID閱讀器天線只能采用線圈繞制法。下面簡述其設(shè)計過程。 實驗結(jié)果證實：在與天線線圈距離很小(x<R)的情況下，磁場強度的上升是平緩的。較小的天線在其中心(距離為0)處呈現(xiàn)出較高的磁場強度，相對來講，較大的天線在較遠(yuǎn)的距離(x>R)處呈現(xiàn)出較高的磁場強度。(R為天線半徑；x為作用距離。)在電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的天線設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)考慮這種效應(yīng)。 射頻識別閱讀器作用距離都對應(yīng)有一個最佳的天線半徑R。如果選擇的天線半徑過大，那么在與發(fā)射天線的距離x=0處，磁場強度是很小的；相反，如果天線半徑的選擇太小，那么其磁場強度則以x的三次方的比例衰減。 不同的閱讀器作用距離，有著不同的天線最佳半徑，它對應(yīng)著磁場強度曲線最大值。發(fā)射天線的最佳半徑對應(yīng)于最大期望閱讀器作用距離的file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCEB.tmp.png倍值： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCFB.tmp.png。 一般調(diào)諧過程當(dāng)中，由于天線線圈本身的電容對于諧振的影響很小，可以忽略不計，故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流，需要外加一個電容C，完成對天線的調(diào)諧，達(dá)到這一目的。 設(shè)計要求：設(shè)計一個期望最大作用距離為1cm，工作頻率在125 kHz的繞線天線，系統(tǒng)要求閱讀器天線線圈的半徑盡量小，不超過1cm。 具體設(shè)計步驟如下： 首先確定天線的最佳半徑，理想的最佳天線半徑應(yīng)當(dāng)為期望作用距離的file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCFC.tmp.png倍，在實際設(shè)計的時候，應(yīng)在保證系統(tǒng)要求的前提下，盡可能地接近最佳值。本設(shè)計閱讀器天線的最佳半徑取為0.8cm。 其次，再根據(jù)工作頻率以及系統(tǒng)本身的要求確定電感量的大致范圍，本設(shè)計中取電感量在600～800μH之間。 再者，用電感量與匝數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗公式大致估計繞線匝數(shù)。我們?nèi)‰姼辛吭?/font>700μH，用直徑為0.27mm的銅導(dǎo)線進(jìn)行繞制天線。由公式file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCFD.tmp.png (式中：L為線圈電感，單位為μH；A為天線線圈包圍面積，單位為cm2；D為導(dǎo)線直徑，單位為cm。) 計算出匝數(shù)：大概在266圈左右，繞完后，根據(jù)公式file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCFE.tmp.png，選取所用的調(diào)諧電容。 用相關(guān)的儀器如頻譜儀測量出諧振頻率，由于電感量只是估算的，而且選用的匹配電容也是具有一定標(biāo)稱值的。并不能做到與計算一致，所以總是會存在誤差�？搭l率的偏移情況，按電感量估算公式逐步增加或者減少線圈匝數(shù)，直到達(dá)到指定的諧振頻率125kHz。 2.4 LCD顯示電路設(shè)計 射頻信號經(jīng)射頻模塊U2270B接收，并經(jīng)由單片機解碼今后，送到顯示模塊。由于我們只要顯示出射頻卡唯一可識別的射頻卡號，所以只需要采用字符型LCD即可。此處我們選擇常用的字符型液晶LCD1602。 2.5 聲光報警電路設(shè)計 當(dāng)單片機完成射頻信號的曼徹斯特解碼工作之后，將所得的結(jié)果送交LCD1602加以顯示。為了方便用戶使用此RFID系統(tǒng)，正確顯示ID號的同時，驅(qū)動蜂鳴器報警提示，并由LED燈提示讀取成功。 2.6 串口通信電路設(shè)計 為了和計算機進(jìn)行通信，實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)傳輸，完成程序的燒錄，需要采用串口通信。本設(shè)計采用MAX232完成RFID閱讀器和計算機的數(shù)據(jù)串口通信。 2.7 串口轉(zhuǎn)USB電路設(shè)計 為了和計算機更方便地通信，常采用較為方便的和上位機進(jìn)行連接的方式，即采用USB的連接方式。此處，使用芯片CP2102將串口的信號轉(zhuǎn)化為USB連接。 2.8 電源電路 電路采用的芯片和其他元器件都可在5V電源下工作，因此通過電源適配器將220V交流電變?yōu)?2V直流電，并選用三端穩(wěn)壓芯片7805將12V直流電轉(zhuǎn)換為直流5V穩(wěn)壓電源。 3 印制電路板設(shè)計 Altium Designer軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)完美融合，使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高。 根據(jù)電路模塊的特點，我們將此125kHzRFID射頻系統(tǒng)劃分為兩大電路模塊：控制模塊和射頻模塊。由于射頻芯片U2270B采用SOP16貼片封裝，所以我們采用一塊單獨的單面板來制作。 電路原理圖和PCB圖如下圖所示： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBD0F.tmp.png file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBD10.tmp.jpg 圖4 125kHzRFID控制模塊原理圖 圖5 125kHzRFID射頻模塊原理圖 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBD21.tmp.jpg file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBD31.tmp.jpg 圖6 125kHzRFID控制模塊PCB圖 圖7 125kHzRFID射頻模塊PCB圖 鑒于用單面板進(jìn)行驗證設(shè)計，為了減小實現(xiàn)的難度，將整個RFID射頻識別系統(tǒng)分成了兩個獨立的小模塊(控制模塊、射頻模塊)分別加以實現(xiàn)。 4 125kHzRFID程序設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計包括如下幾個部分：U2270Ｂ控制、LCD1602驅(qū)動、聲光報警驅(qū)動和串口驅(qū)動和曼徹斯特特解碼。LCD1602驅(qū)動、聲光報警驅(qū)動和串口驅(qū)動相對簡單。U2270Ｂ不進(jìn)行解碼，由單片機完成解碼。解碼軟件設(shè)計相對較復(fù)雜，要對ID卡進(jìn)行解碼，首先應(yīng)掌握ID卡的存儲格式和曼徹斯特編碼方式，然后對解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。 （一） EM4100數(shù)據(jù)存儲格式 EM41001的64位數(shù)據(jù)信息，它由5個區(qū)組成：9個引導(dǎo)位、10個行偶校驗位“PO～P9’、4個列偶校驗位“PC0～PC3”、40個數(shù)據(jù)位“D00～D93”和1個停止位S0。 每當(dāng)EM4100將64個信息位傳輸完畢后，只要ID卡仍處于讀卡器的工作區(qū)域內(nèi)，它將按照順序發(fā)送64位信息，如此重復(fù)，直至ID卡退出讀卡器的有效工作區(qū)域。 （二） Manchester碼編碼方式 Manchester編碼：位數(shù)據(jù)“1”對應(yīng)著電平下跳，位數(shù)據(jù)“0”對應(yīng)著電平上跳。在一串?dāng)?shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時間間隔應(yīng)為1P。若相鄰的位數(shù)據(jù)極性相同(相鄰兩位均為“0”或“1”)，則在兩次位數(shù)據(jù)傳送的電平跳變之間，有一次非數(shù)據(jù)傳送的、預(yù)備性的(電平)“空跳”。電平的上跳、下跳和空跳是確定位數(shù)據(jù)傳送特征的判據(jù)。在曼徹斯特調(diào)制方式下，EM41001每傳送一位數(shù)據(jù)的時間是64個振蕩周期，其值由RF／n決定。若載波頻率為125 kHz，則每傳送一位的時間為振蕩周期的64分頻，即位傳送時間為：1P=64／125 kHz=512μs，則半個周期的時間為256us。 （三）Manchester碼解碼算法 利用STC89C51單片機進(jìn)行解碼，STC89C51的T口的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時間印記。當(dāng)一個輸入捕捉事件發(fā)生時，T口的計數(shù)器TCNTl中的計數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標(biāo)志位ICFl，產(chǎn)生中斷申請�？赏ㄟ^設(shè)置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來設(shè)定輸入捕捉信號觸發(fā)方式。本設(shè)計利用單片機的輸入捕捉功能進(jìn)行解碼。 由Manchester編碼特點可知，每位數(shù)據(jù)都由半個周期的高電平和半個周期的低電平組成，因此可將一個位數(shù)據(jù)拆分為兩位，即位數(shù)據(jù)“1”可視為“10”，位數(shù)據(jù)“0”可視為“01”，則64位數(shù)據(jù)可視為由128位組成。為了獲得完整且連續(xù)存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數(shù)據(jù)，即接收256位。則上一輪接收到的停止位后緊跟著的必然是本輪接收到的起始位，據(jù)此找出起始同步頭。再根據(jù)曼碼特點獲得ID卡的有效數(shù)據(jù)(“10”解碼為“1”；“01”解碼為“O”)并進(jìn)行LCR校驗，若校驗無誤，則將ID卡號輸出至PC機，并準(zhǔn)備下一次的解碼；否則，直接準(zhǔn)備下一次解碼。另外，在程序中首先定義一個數(shù)組bit[256]用來存放接收到的數(shù)據(jù)；定義一個變量用來標(biāo)記256位數(shù)據(jù)接收完成；定義一個變量用來標(biāo)記校驗有錯誤產(chǎn)生。由于無ID卡靠近讀卡器的有效工作區(qū)時，單片機輸入捕捉引腳輸入的是高電平，因此在主程序中先設(shè)定為下降沿觸發(fā)，清零計數(shù)器TCNTl，打開T／C1的輸入捕捉功能。 5 實驗驗證 該設(shè)計的實驗驗證效果如下所示，可以在10mm的距離上正確地讀取射頻卡的信息，并通過LCD1602準(zhǔn)確地進(jìn)行顯示。
6 結(jié)語 本設(shè)計采用了集成元件U2270B以及典型電路，繞制的天線，51單片機控制芯片，及簡單的外圍電路，搭建了一個低頻125KHzRFID門禁系統(tǒng)。該設(shè)計簡單實用，經(jīng)過驗證，讀取穩(wěn)定，作用距離滿足設(shè)計要求。
| 
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
