非接觸式RFID讀寫器系統的研究

1 引言
近年來，自動識別方法在服務領域、貨物銷售與后勤、商業、生產企業和材料流通領域得到快速的普及和推廣。自動識別的目的是提供關于個人、動物、貨物和商品的信息。

目前市面上的射頻卡的工作頻率為125kHz，功耗很大，因此要求應答器的線圈必須達到幾百匝，由此產生的較大繞線界面及需要附加的電容器很難封裝在小型塑料卡片內。

本方案采用13.56MHz工作頻率的應答器系統，它的應答器線圈由約5匝繞線組成，體積大大減小，便于攜帶，擁有新的市場，例如用非接觸IC卡(射頻卡)作為公共交通車票，也適用于門禁、考勤、會議簽到以及高速公路、加油站、停車場、公交等收費系統。同時還可考慮將其用于盲人導航系統，讀寫器安裝在拐杖中，射頻卡只有一元硬幣大小，可以方便地安裝在盲道上，用來提示重要建筑物和路口的信息。雖然現在也有GPS盲人導航系統，但因其成本高及存在一定的誤差，因而推廣受到限制。本系統采用性價比較高的AT90S8515型單片機作為主控器件，具有更強的研究性、實用性和推廣性。

2 通信協議
本系統的通信方式為串行、異步和全雙工。國際標準ISO14443規定了13.56MHz射頻卡的作用原理和工作參數，ISO14443標準由四部分組成：第一部分是物理特性；第二部分是射頻界面；第三部分是初始化和反碰撞；第四部分是傳輸協議。

標準規定了RFID系統的波特率為106Kb/s，載波頻率是13.56MHz，從閱讀器到射頻卡的數據調制到載波頻率上，并且采用10％ ASK、非同步時序和不歸零(NRZ)編碼方式；副載波是它的16分頻，也就是847kHz，從射頻卡到閱讀器的數據調制在副載波上，通信使用847kHz的副載波相移調制方式(PSK)和不歸零(NRZ)編碼方式。

本方案采用的射頻卡型號為AT88PF256-13，完全符合ISO14443，并且根據ISO14443規定了具體的傳輸數據包格式，如圖1所示。

從閱讀器到射頻卡的幀格式中沒有保護位(EGT)，從射頻卡到閱讀器的幀格式中含有保護位(EGT)。

3 硬件設計
主控器件是AVR系列中較為先進的AT90S-8515，通過它完成讀鍵盤和顯示，并控制其調制和解調單元，通過天線將信號耦合到應答器(PICC)，完成對應答器的讀寫操作。另外，還可以通過串行下載口進行在線編程和調試。

AT90S8515具有以下特點：
8k字節Flash程序存儲器；
512字節：EEPROM；
512字節SRAM；
32位(48 bit)通用I/O口；
32個通用工作寄存器；
1個可預分頻(Preseale)的8位定時器，計數器；
1個可預分頻，具有比較、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定時器，計數器；
2個外部中斷源；
片內模擬比較器；
可編程的UART；
可編程的看門狗定時器；
SPI口及2種可通過軟件選擇的省電模式。

3．1 輸入，輸出單元
AT90S8515外接4x4小鍵盤，其中含有特殊功能鍵SHIFT、KTR、KENT、KESC，完成輸入功能，再連接1個標準LCD，完成輸出功能。主控器件通過鍵盤得到操作命令字，將其轉換成ISO14443標準規定的幀格式，通過調制與耦合(天線)單元發送，應答器在其響應范圍內返回數據，通過耦合(天線)和解調單元到達主控器件，去掉幀頭和幀尾，通過標準LCD顯示。輸入，輸出部分的連接電路如圖2所示。

3．2 調制單元
射頻卡采用10％ASK調制。數據為0時，輸出信號的幅值為4.3V；數據為1時，輸出信號的幅值為4.8V。它的優點是信號不簡斷，保證了應答器的能源不中斷。其系統框圖如圖3所示。

3．3 解調單元
由應答器耦合到天線的返回信號，經過阻抗匹配、二極管檢波，得到847kHz副載波，再經過整形、濾波和放大后，接入PSK解調模塊，解調出106Kbit/s的數字信號，送人單片機進行處理。圖4所示為解調框圖。

PSK解調的目的有二：一是把速率由847kHz轉變為106Kbit/s，二是把相位翻轉的PSK信號轉化為O、1的數字信號。

4 軟件設計
主程序初始化后等待按鍵輸入，根據不同的鍵值進行不同的操作。該操作執行完后，再回到待機狀態，等待下一次按鍵輸入。圖5所示為主流程圖。

本系統采用的是分時方式，即發送1個命令幀就檢測是否接收到返回數據，如果接收到正確的幀頭，并接收到1個起始位，就開始接收數據：如果沒有接收到幀頭，表明應答器還沒有接收到命令或還沒有返回數據，這時就重新發送命令幀，直到接收到正確的幀頭為止。收/發分開的好處是程序簡化。由于應答器接收到命令幀到返回數據有延時，因此分時方式并不影響數據的正確接收。本系統的硬件設計預留了中斷接口，對于實時性要求較高的場合，也可以嵌人匯編中斷程序。

5 結束語
本系統在完成硬件和軟件設計后進行了制版、調試和測試。在測試過程中，閱讀器實現了本課題的預期目的，完成了與IC卡之間的數據傳輸。此系統也將為以后的射頻卡研究提供一定的參考價值。