非接触式RFID读写器系统的研究

1 引言
    近年来，自动识别方法在服务领域、货物销售与后勤、商业、生产企业和材料流通领域得到快速的普及和推广。自动识别的目的是提供关于个人、动物、货物和商品的信息。

    目前市面上的射频卡的工作频率为125kHz，功耗很大，因此要求应答器的线圈必须达到几百匝，由此产生的较大绕线界面及需要附加的电容器很难封装在小型塑料卡片内。

    本方案采用13.56MHz工作频率的应答器系统，它的应答器线圈由约5匝绕线组成，体积大大减小，便于携带，拥有新的市场，例如用非接触IC卡(射频卡)作为公共交通车票，也适用于门禁、考勤、会议签到以及高速公路、加油站、停车场、公交等收费系统。同时还可考虑将其用于盲人导航系统，读写器安装在拐杖中，射频卡只有一元硬币大小，可以方便地安装在盲道上，用来提示重要建筑物和路口的信息。虽然现在也有GPS盲人导航系统，但因其成本高及存在一定的误差，因而推广受到限制。本系统采用性价比较高的AT90S8515型单片机作为主控器件，具有更强的研究性、实用性和推广性。

2 通信协议
    本系统的通信方式为串行、异步和全双工。国际标准ISO14443规定了13.56MHz射频卡的作用原理和工作参数，ISO14443标准由四部分组成：第一部分是物理特性；第二部分是射频界面；第三部分是初始化和反碰撞；第四部分是传输协议。

    标准规定了RFID系统的波特率为106Kb/s，载波频率是13.56MHz，从阅读器到射频卡的数据调制到载波频率上，并且采用10％ ASK、非同步时序和不归零(NRZ)编码方式；副载波是它的16分频，也就是847kHz，从射频卡到阅读器的数据调制在副载波上，通信使用847kHz的副载波相移调制方式(PSK)和不归零(NRZ)编码方式。

    本方案采用的射频卡型号为AT88PF256-13，完全符合ISO14443，并且根据ISO14443规定了具体的传输数据包格式，如图1所示。

    从阅读器到射频卡的帧格式中没有保护位(EGT)，从射频卡到阅读器的帧格式中含有保护位(EGT)。

3 硬件设计
    主控器件是AVR系列中较为先进的AT90S-8515，通过它完成读键盘和显示，并控制其调制和解调单元，通过天线将信号耦合到应答器(PICC)，完成对应答器的读写操作。另外，还可以通过串行下载口进行在线编程和调试。

    AT90S8515具有以下特点：
    8k字节Flash程序存储器；
    512字节：EEPROM；
    512字节SRAM；
    32位(4×8 bit)通用I/O口；
    32个通用工作寄存器；
    1个可预分频(Preseale)的8位定时器，计数器；
    1个可预分频，具有比较、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定时器，计数器；
    2个外部中断源；
    片内模拟比较器；
    可编程的UART；
    可编程的看门狗定时器；
    SPI口及2种可通过软件选择的省电模式。

3．1 输入，输出单元
    AT90S8515外接4x4小键盘，其中含有特殊功能键SHIFT、KTR、KENT、KESC，完成输入功能，再连接1个标准LCD，完成输出功能。主控器件通过键盘得到操作命令字，将其转换成ISO14443标准规定的帧格式，通过调制与耦合(天线)单元发送，应答器在其响应范围内返回数据，通过耦合(天线)和解调单元到达主控器件，去掉帧头和帧尾，通过标准LCD显示。输入，输出部分的连接电路如图2所示。

3．2 调制单元
    射频卡采用10％ASK调制。数据为0时，输出信号的幅值为4.3V；数据为1时，输出信号的幅值为4.8V。它的优点是信号不简断，保证了应答器的能源不中断。其系统框图如图3所示。

3．3 解调单元
    由应答器耦合到天线的返回信号，经过阻抗匹配、二极管检波，得到847kHz副载波，再经过整形、滤波和放大后，接入PSK解调模块，解调出106Kbit/s的数字信号，送人单片机进行处理。图4所示为解调框图。

    PSK解调的目的有二：一是把速率由847kHz转变为106Kbit/s，二是把相位翻转的PSK信号转化为O、1的数字信号。

4 软件设计
    主程序初始化后等待按键输入，根据不同的键值进行不同的操作。该操作执行完后，再回到待机状态，等待下一次按键输入。图5所示为主流程图。

    本系统采用的是分时方式，即发送1个命令帧就检测是否接收到返回数据，如果接收到正确的帧头，并接收到1个起始位，就开始接收数据：如果没有接收到帧头，表明应答器还没有接收到命令或还没有返回数据，这时就重新发送命令帧，直到接收到正确的帧头为止。收/发分开的好处是程序简化。由于应答器接收到命令帧到返回数据有延时，因此分时方式并不影响数据的正确接收。本系统的硬件设计预留了中断接口，对于实时性要求较高的场合，也可以嵌人汇编中断程序。

5 结束语
    本系统在完成硬件和软件设计后进行了制版、调试和测试。在测试过程中，阅读器实现了本课题的预期目的，完成了与IC卡之间的数据传输。此系统也将为以后的射频卡研究提供一定的参考价值。