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基于RFID技术的射频卡读写器设计
作者：付磊 邱力军 漆家学
来源：RFID世界网
日期：2007-10-25 11:41:32
摘要：目的：研究探讨RFID技术在实践中的运用．方法：利用RFID技术，选用合适的射频模块(RFM-001)，单片机(89C2051)，天线(SA110)，EEPROM(AT24C16)等，将其有机组合；通过单片机控制射频模块，利用天线发出适合射频卡的共振磁场，有效地与射频卡实现数据通信．结果：所设计的射频卡系统稳定可靠，实现了射频卡的有效识别和卡内数额的增加与减少．结论：本设计灵活多变，可用于多种场合，多种情况；RFID技术在社会发展中的重要作用日益显现．
0 引言
射频识别(radio frequency identification，RFID)技术是从20世纪90年代开始兴起的一项自动识别技术．它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据．其主要优点是环境适应性强，不受雪雨，冰雹，灰尘等的影响，且可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强[1]．RFID技术已在世界各地得到广泛的应用，并在安全，金融，物流等领域发挥出巨大优势，以美国，日本和欧洲为首的发达国家对该技术的应用研究已达到相当高的水平，而我国则处于起步阶段，大多采用引进的技术成果，因而研究该技术已成为当今社会发展的必需．
人们将振荡回路移人交变场附近时，能量便通过振荡回路的线圈感应出交变磁场能量．如果交变磁场的频率与振荡回路的谐振频率相同，振荡回路就激发了谐振振荡．
振荡线圈上的振荡过程，可以根据交变磁场中振荡线圈的短时电压变化或电流变化得到．这种线圈电流的短时上升(或线圈电压下降)被称作降落(Dip)．Dip的相对强度取决于两个线圈的距离和其相对运动的速度．为了保证可靠的识别射频卡振荡回路，需要获得一个尽可能明显的Dip．但我们不能对振荡器进入磁场的速度施加特别的限制，只能考虑以无限小的速度接近振荡回路时所产生的一种无限小的Dip．所以，我们使产生磁场的磁场频率不是恒定的，而是“扫频”的．振荡器频率不断扫过最大和最小频率之间的范围，如果扫频的振荡频率正好命中了在射频卡里振荡回路的谐振频率，其振荡回路就开始起振，并由此在振荡器线圈的电流中产生一个明显的Dip．由电感耦合原理，再通过数据载波调制和解调技术[2]，由振荡回路组成的射频系统和由扫频回路组成的读写系统就实现了通信．
我们利用RFID技术，通过单片机控制射频模块，利用天线发出适合射频卡的共振磁场，使其可以有效的与射频卡实现数据通信，完成射频卡的识别和卡内数额的增加与减少．
1 材料和方法
1．1 材料
1．1．1 射频部分美国德州仪器公司(TI)在1991年创立TIRIS。它是一套完整的无线感应识别系统，其工作原理是：先由射频模块透过天线发出134．2kHz的电磁波(该电磁波可对感应器进行充电，充电时问一般在15—50 ms左右)，此时若有感应器出现在磁场范围内。就会利用磁能转换的原理，将接受到的电磁波转换为其所需的电能，并将感应器内所有的数据以FN调频的方式传送回去，此时射频模块停止发射电磁波，并经由天线接收感应器传回数据，并进行译码动作，如此便完成读卡动作．rITI将该套系统封装在集成电路芯片中，非常方便人们的使用和二次开发．
本系统的硬件解决方案中的射频部分就是利用TIRIS技术，分别选用RFM-001射频模块，卡片封装的RI—TRP—W4FF射频卡和SA110天线．
读卡控制过程：① 将TXCT设为低电平，延时50 ms后，再将TXCT恢复为高电平；② 再约过3 ms后，SCIO开始输出资料，为NRZ编码总共输出14字节资料，资料的具体构成由射频卡的存储格式决定．写卡过程：① 先发宽度为50 ms的脉冲为射频卡充电；② 再依次发出14字节数据的信号脉冲，然后读出卡返回的数据，校验写卡是否成功及数据是否正确．写入数据的格式由射频卡的写入格式决定．
选用的卡片封装的RI—TRP—W4FF射频卡为可读／写型，其中共有14bytes位数据存储空间[3]。读出格式：① 第1字节为起始字节，固定值为FEH；② 第2— 11字节为用户数据区；③ 第12字节为停止字节。固定值为FEH；④ 第l3，l4字节内数据值分别等于第2，3字节内数据值．写入格式如表1所示：
1．1．2 读写器部分射频卡系统读写器主要由单片机，射频模块和外围电路组成 [4]．单片机控制和协调读写器各功能模块的工作；射频模块和天线实现读卡器和射频卡之问的通信．外围电路由电源电路，EEP—ROM。RS232接1：3。键盘电路和LED显示电路等组成．
RFM-001射频模块只需要2根信号线与单片机连接，ATMEL公司的89C2051满足端口数的要求[5]，且其工作频率为1 1．0592MHz，与射频模块和RS232匹配．EEPROM采用AT24C16．由MAX232芯片完成UART与RS232的电平转换[6]，本系统预留了RS232接口。方便相关软件的开发和使用，实现单片机与Pc的通信。以便射频卡读写器实时向Pc机传送信息．
键盘采用中断方式的编码键盘。仅当有唯一一个键按下时，向单片机发送中断信号并提供所按的键的编码(4个二进制位)，对按键的监控由一片可编程逻辑芯片GAL22V10D完成[7]．当没有键按下或不止一个键按下时，输出中断信号为高，不引起单片机中断；当有唯一一个键按下时，输出中断信号为低。引起单片机中断，并通过4位数据线提供按键的编码信号．采用串行移位输入的静态显示电路．由单片机的普通并行端口模拟单片机串口的工作方式提供显示数据．其结构组成如图1所示．
我们设计的读写器在0～10 mm范围内符合IEC／ISO 1 1784标准的非接触射频卡．在0～10 mm范围内能寻找到卡片；在0～7．5 mm范围内，能正常完成各项设计功能，且运行稳定。基本上达到了技术指标要求；但在干扰强烈的环境中，工作距离有所缩短，稳定性能略有下降，还应增强抗干扰的能力．同时，系统各个模块独立性强，易于其他科技人员进行二次开发．比如，稍做改动就可以应用于考勤或门禁等不同情况．
3 讨论
在射频卡系统的应用中还应注重安全性，即数据在传输过程中稳定可靠性问题．数据加密是射频卡系统的生命所在，在今后的相关研究中，值得我们重视．总之，随着社会经济和科技的发展，射频卡技术会越来越广泛的应用于各行各业，特别是无线通信，身份识别，金融交易，公用交通等领域，射频卡技术的进一步研究和开发极具市场价值．
【参考文献】
[1]边丽红．非接触Ic卡技术及应用漫谈[J]．世界产品与技术，2000，9：26—28．
[2]Koji A，Hiroshige H．Ferroelectric memory circuit technology and the application to contactless IC card[J]IEICE Trans Electr，1998．4：488—485．
[3]王爱英．智能卡技术一Ic卡[M]．2版，北京：清华大学出版社，2000：16—24．
[4][德]Finkenzeller K．射频识别(RHD)技术一无线电感应的应答器和非接触Ic卡的原理与应用[M]．2版，北京：电子工业出版社，2001：68—74．
[5]李广弟．单片机基础[M]．北京航空航天大学出版社,1999;198-206．
[6]余永权．ATEML89系列Flash单片机原理与应用[M]．电子工业出版社，1997，10：196—211．
[7]Pobanz CW．A microwave noncontac identification transpondent using subharmonic interrogation[J]．IEEE trans Micmw Theory Techni.1995,43(7);1673—1679．
射频识别(radio frequency identification，RFID)技术是从20世纪90年代开始兴起的一项自动识别技术．它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据．其主要优点是环境适应性强，不受雪雨，冰雹，灰尘等的影响，且可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强[1]．RFID技术已在世界各地得到广泛的应用，并在安全，金融，物流等领域发挥出巨大优势，以美国，日本和欧洲为首的发达国家对该技术的应用研究已达到相当高的水平，而我国则处于起步阶段，大多采用引进的技术成果，因而研究该技术已成为当今社会发展的必需．
人们将振荡回路移人交变场附近时，能量便通过振荡回路的线圈感应出交变磁场能量．如果交变磁场的频率与振荡回路的谐振频率相同，振荡回路就激发了谐振振荡．
振荡线圈上的振荡过程，可以根据交变磁场中振荡线圈的短时电压变化或电流变化得到．这种线圈电流的短时上升(或线圈电压下降)被称作降落(Dip)．Dip的相对强度取决于两个线圈的距离和其相对运动的速度．为了保证可靠的识别射频卡振荡回路，需要获得一个尽可能明显的Dip．但我们不能对振荡器进入磁场的速度施加特别的限制，只能考虑以无限小的速度接近振荡回路时所产生的一种无限小的Dip．所以，我们使产生磁场的磁场频率不是恒定的，而是“扫频”的．振荡器频率不断扫过最大和最小频率之间的范围，如果扫频的振荡频率正好命中了在射频卡里振荡回路的谐振频率，其振荡回路就开始起振，并由此在振荡器线圈的电流中产生一个明显的Dip．由电感耦合原理，再通过数据载波调制和解调技术[2]，由振荡回路组成的射频系统和由扫频回路组成的读写系统就实现了通信．
我们利用RFID技术，通过单片机控制射频模块，利用天线发出适合射频卡的共振磁场，使其可以有效的与射频卡实现数据通信，完成射频卡的识别和卡内数额的增加与减少．
1 材料和方法
1．1 材料
1．1．1 射频部分美国德州仪器公司(TI)在1991年创立TIRIS。它是一套完整的无线感应识别系统，其工作原理是：先由射频模块透过天线发出134．2kHz的电磁波(该电磁波可对感应器进行充电，充电时问一般在15—50 ms左右)，此时若有感应器出现在磁场范围内。就会利用磁能转换的原理，将接受到的电磁波转换为其所需的电能，并将感应器内所有的数据以FN调频的方式传送回去，此时射频模块停止发射电磁波，并经由天线接收感应器传回数据，并进行译码动作，如此便完成读卡动作．rITI将该套系统封装在集成电路芯片中，非常方便人们的使用和二次开发．
本系统的硬件解决方案中的射频部分就是利用TIRIS技术，分别选用RFM-001射频模块，卡片封装的RI—TRP—W4FF射频卡和SA110天线．
读卡控制过程：① 将TXCT设为低电平，延时50 ms后，再将TXCT恢复为高电平；② 再约过3 ms后，SCIO开始输出资料，为NRZ编码总共输出14字节资料，资料的具体构成由射频卡的存储格式决定．写卡过程：① 先发宽度为50 ms的脉冲为射频卡充电；② 再依次发出14字节数据的信号脉冲，然后读出卡返回的数据，校验写卡是否成功及数据是否正确．写入数据的格式由射频卡的写入格式决定．
选用的卡片封装的RI—TRP—W4FF射频卡为可读／写型，其中共有14bytes位数据存储空间[3]。读出格式：① 第1字节为起始字节，固定值为FEH；② 第2— 11字节为用户数据区；③ 第12字节为停止字节。固定值为FEH；④ 第l3，l4字节内数据值分别等于第2，3字节内数据值．写入格式如表1所示：
1．1．2 读写器部分射频卡系统读写器主要由单片机，射频模块和外围电路组成 [4]．单片机控制和协调读写器各功能模块的工作；射频模块和天线实现读卡器和射频卡之问的通信．外围电路由电源电路，EEP—ROM。RS232接1：3。键盘电路和LED显示电路等组成．
RFM-001射频模块只需要2根信号线与单片机连接，ATMEL公司的89C2051满足端口数的要求[5]，且其工作频率为1 1．0592MHz，与射频模块和RS232匹配．EEPROM采用AT24C16．由MAX232芯片完成UART与RS232的电平转换[6]，本系统预留了RS232接口。方便相关软件的开发和使用，实现单片机与Pc的通信。以便射频卡读写器实时向Pc机传送信息．
键盘采用中断方式的编码键盘。仅当有唯一一个键按下时，向单片机发送中断信号并提供所按的键的编码(4个二进制位)，对按键的监控由一片可编程逻辑芯片GAL22V10D完成[7]．当没有键按下或不止一个键按下时，输出中断信号为高，不引起单片机中断；当有唯一一个键按下时，输出中断信号为低。引起单片机中断，并通过4位数据线提供按键的编码信号．采用串行移位输入的静态显示电路．由单片机的普通并行端口模拟单片机串口的工作方式提供显示数据．其结构组成如图1所示．
我们设计的读写器在0～10 mm范围内符合IEC／ISO 1 1784标准的非接触射频卡．在0～10 mm范围内能寻找到卡片；在0～7．5 mm范围内，能正常完成各项设计功能，且运行稳定。基本上达到了技术指标要求；但在干扰强烈的环境中，工作距离有所缩短，稳定性能略有下降，还应增强抗干扰的能力．同时，系统各个模块独立性强，易于其他科技人员进行二次开发．比如，稍做改动就可以应用于考勤或门禁等不同情况．
3 讨论
在射频卡系统的应用中还应注重安全性，即数据在传输过程中稳定可靠性问题．数据加密是射频卡系统的生命所在，在今后的相关研究中，值得我们重视．总之，随着社会经济和科技的发展，射频卡技术会越来越广泛的应用于各行各业，特别是无线通信，身份识别，金融交易，公用交通等领域，射频卡技术的进一步研究和开发极具市场价值．
【参考文献】
[1]边丽红．非接触Ic卡技术及应用漫谈[J]．世界产品与技术，2000，9：26—28．
[2]Koji A，Hiroshige H．Ferroelectric memory circuit technology and the application to contactless IC card[J]IEICE Trans Electr，1998．4：488—485．
[3]王爱英．智能卡技术一Ic卡[M]．2版，北京：清华大学出版社，2000：16—24．
[4][德]Finkenzeller K．射频识别(RHD)技术一无线电感应的应答器和非接触Ic卡的原理与应用[M]．2版，北京：电子工业出版社，2001：68—74．
[5]李广弟．单片机基础[M]．北京航空航天大学出版社,1999;198-206．
[6]余永权．ATEML89系列Flash单片机原理与应用[M]．电子工业出版社，1997，10：196—211．
[7]Pobanz CW．A microwave noncontac identification transpondent using subharmonic interrogation[J]．IEEE trans Micmw Theory Techni.1995,43(7);1673—1679．
