基于ARM的双频RFID读写设计

　　1 引言

　　RFID(Radio Frequency Identification Technology，无线射频识别技术)由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，显示出巨大的发展潜力和应用空间，被认为是21 世纪最有发展前途的信息技术之一。射频识别技术虽然有很多优点，但其技术本身也有局限性。对RFID 系统而言，低频系统具有良好的对水、肉体等可导媒介的穿透力，而速度、距离、抗冲突性较差;而高频系统则正好相反。如能结合各种频率系统，用其所长，则可以使RFID 适应多种场合，拓展其应用范围。本文设计的系统正是基于这一出发点，将低频和高频二种频率的RFID 模块组合在一起，构成双频系统，使系统兼具低频可穿透性和高频良好的距离、速度、抗冲突性等方面的优势。鉴于目前国内市场上应用最为广泛的射频卡和读写器实现方法，本文采用ARM 嵌入式系统作为微控制器，设计了能对低频125KHz 和高频13.56MHz 的二种频率RFID 卡操作的读写模块，实现了的双频 RFID 读写系统。

　　2 系统设计

　　由于ARM 微处理器具有运行速度快，接口功能丰富，其应用越来越广泛。本文采用三星公司的S3C44B0X，它是ARM7 系列的低功耗的32 位RISC 处理器，具有 ARM7TDMI内核，有丰富的内置部件，包括8K 字节Cache 和内部SRAM，带自动握手联络的2 通道UART，定时器，通用 I/O 口，ADC 和I2C-BUS 控制器等。尤其是它的内置液晶显示器接口，可直接连接LCD 显示器，无需专用LCD 显示器接口芯片，可使成本降低，很适合在本系统中使用。读写系统的结构如图1 所示。

　　图1 系统结构框图

　　整个系统由ARM 嵌入式系统(包括S3C44B0X,SDRAM 存储器和FLASH 存储器)，低频RFID 卡读写模块，高频RFID 卡读写模块，USB 接口，LCD 显示器以及蜂鸣器、状态指示灯等组成。RFID 模块是北京华闰得公司开发的具有串行数据通信接口的模块，低频读写模块是 CR001，为工作于125kHz 的EM4001 卡;高频模块是CR013，为工作于13.56MHz的MF 卡。由于RFID 模块具有TTL 电平的串行通信接口，这样ARM 微处理器可直接通过片上的二个UART 接口与其连接，不需要电平转换即可轻松实现与RFID 模块的通信。嵌入式系统与 PC 机的连接则通过USB 接口实现。

　　因为低频 RFID 卡一般都是只读卡，进入读卡器磁场范围后，就自动发出信号。ARM微处理器通过不断检测端口捕捉信号，一旦读到卡，就读取信息，并在LCD 上显示。对于高频卡，可根据需要进行读或写操作。

　　LCD 显示器采用320*240 点阵的STN 型彩色液晶模块，可直接与S3C44B0X 连接，成本也较低。对LCD 的显示控制直接使用 S3C44B0X 内部的LCD 驱动控制器实现，它能自动产生LCD 驱动控制所需的信号。在这种接口方式下，LCD 显示缓冲区映射在系统的存储器空间上，程序只需将像素点内容写入存储器对应地址就可以实现对应LCD 屏上像素点颜色的显示刷新，控制十分方便。

　　键盘和状态指示灯的操作控制采用 ZLG7290 实现。ZLG7290 是一款功能较强的按键处理和7 段数码管显示专业芯片，提供了I2C 串行接口和键盘中断信号，可方便地与S3C44B0X连接。

　　在上位机(PC 机)上，通过设计专门的软件实现对RFID 卡的读写操作，并对RFID 卡进行管理。由于PC 机功能强大，如再配上数据库系统，可以对大量用户的数据和信息进行存储和查询等处理，满足多种应用的需要。

　　3 系统的软件设计

　　3.1 RFID 模块操作

　　CR001 模块与S3C44B0X 的串口(UART0)相连，在接收数据前首先要对UART0 进行初始化。根据CR001 的使用规范，设置波特率为9600Baud，数据位为8 位，1 位停止位，无校验位。为使ARM 对低频RFID 卡及时作出响应，软件采用中断方式接收数据，即当 S3C44B0X 的UART0 接收到数据时，产生中断，在中断服务程序中接收CR001 模块的数据。

　　根据 CR001 射频读写模块的使用规范，CR001 模块输出的数据包有5 个字段，即起始符(STX，02H)、数据(10 个ASCII 字符)、校验和(2 个 ASCII 字符)、LD 和LF(0DH和0AH)、结束符(ETX，03H)。因此在软件设计中，当收到UART0 的数据时，首先要判断一个数据包的起始符和结束符，以确定一个数据帧的起止位置，然后再检验数据的校验和是否正确。只有在接收的数据无误时，再将其中的数据取出、存储，并在LCD 上显示。中断服务软件的流程如图2 所示。

　　图 2 CR001 模块的中断服务程序流程

　　CR013 射频读写模块是采用Philips 公司的Mifare 技术设计的微型嵌入式、非接触式IC卡读写模块，内嵌 ISO14443 Type A 协议解释器，并可直接驱动射频天线。这是一种以被动方式工作的卡，刚进入天线有效感应区的卡得电进入空闲(IDLE)状态，它只吸收感应区内的磁场能量，不会首先发出信号。当读卡设备发出请求信号，符合条件的卡才会响应。因此处理器与模块之间以一问一答式的半双工方式进行通信。

　　对 CR013 模块的读写过程相对较复杂，要执行一系列的操作指令，包括询卡、请求、防冲突、选卡、装载密钥、验证密码、读块、写块，这一系列的操作必须按固定的顺序。寻卡时，处理器需要执行请求、防冲突、选卡操作，与CR013 模块建立起通信关系，在通过装载密钥、验证密码操作后，才可进行读卡或写卡操作。

　　1)、防冲突

　　防冲突就是从多张卡中选出一张卡来操作，又叫防碰撞、防重叠。如果知道卡的序列号，则可跳过此步，直接执行下一步选卡命令。若不知道卡的序列号，则必须调用防碰撞函数，得到感应区内卡的序列号。若同时有多张卡在感应区内，防碰撞函数能检测到，并且从中选出一张卡的序列号来。

　　2)、选择卡片

　　根据上一步收到的卡号，发出选卡命令。经过这一步后才真正选中了一张要操作的卡，以后的操作都对这张卡进行。

　　整个寻卡过程包括请求、防冲突、选卡三个步骤。当微处理器发出寻卡命令时，实际上微处理器执行了以上3 个步骤。为防止死锁，本文设置每步操作的最大次数为3 次，若3次不成功则寻卡失败。程序流程如图3 所示。

　　图3 CR013 模块寻卡程序流程

　　3)、密钥装载和验证密码

　　微处理器发出读、写命令后，在进行读写操作前必须先执行密钥装载和验证密码。验证密码又叫认证、证实。模块将装载到读卡芯片FM1702SL 中的密码与卡中指定扇区的密码进行认证，如果密码相同，则认证成功，卡允许进行读写操作。

　　3.2 LCD 显示软件设计

　　LCD 用于显示用户操作界面，为此需要在屏幕上绘制图形，显示数据和文字。在对LCD 控制器进行操作前，首先要对LCD 控制器的专用寄存器进行初始化，内容包括定义3个LCD 控制寄存器，3 个帧缓冲区地址寄存器和3 个颜色查找表寄存器。

　　为了在 LCD 上显示字符和图形，需要建立绘图和字符显示库函数。绘图函数包含一些基本的绘图功能，如画点、画线、画矩形框和区域填充等。其中画点是最基本的函数，其它函数都可以调用画点函数实现。

　　为了在 LCD 上显示字符，还要建立ASCII 字符和汉字字符的点阵库和显示函数。显示ASCII 字符的原理是在特定的坐标位置画点，形成人们可以识别的字符图形。点的坐标根据建立的ASCII 字符点阵库来确定。ASCII 字符的点阵库可以根据字符的点阵位置生成点阵数组供调用。汉字的显示原理与ASCII 字符相同，事先也要建立汉字点阵字库，这一过程可通过专用的字库生成软件实现。另外，为了节省存储器空间，只需建立本系统要用到的汉字小字库，而不必生成所有常用字的点阵。

　　3.3 键盘和指示灯的软件设计

　　对键盘和指示灯的操作控制是由 ZLG7290 实现的，由于S3C44B0X 具有I2C 接口，因此可直接与ZLG7290 连接。编程时首先要对 I2C 总线进行初始化，然后打开键盘中断。当键盘有键被按下时，ZLG7290 的INT 引脚会产生一个低电平的中断请求信号。在ARM 的中断程序中通过I2C 总线读取键值，再根据键值完成相应功能。

　　3.4 USB 接口通信

　　为方便与 PC 机接口，本系统采用应用广泛的USB 接口与PC 机通信。因S3C44B0X 本身不带USB 接口，必须要进行扩展。但是，USB 接口协议非常复杂，固件编程和WDM 驱动程序的编写都是相当麻烦的工作。为降了设计难度，缩短开发周期，本文采用哈尔滨讯通公司的通用串行总线模块USB100。该模块内部封装了USB 协议和细节，即插即用，完全满足USB1.1 标准，对 USB 接口的操作如同对外部存储器操作一样方便，无需任何外接元件。

　　USB100 模块有2 根状态信号RXF 和TXE，用于与ARM 联络。RXF 为低表示模块有数据输出，ARM 可以读取数据;TXE 则表示USB100 发送缓冲区的状态，TXE 为低表示USB100 发送缓冲器未满，可以向发送缓冲区写数据。在编程时，可以采用查询方式实现数据的收发。

　　3.5 RTC 实时时钟显示功能

　　为了显示读卡和写卡的时间，需要使用实时时钟(RTC)。S3C44B0X 具有一个独立的RTC 功能模块，能够像钟表和日历一样保存并自动计算时间。RTC 的寄存器保存了表示时间的8 位BCD 码数据，包括秒、分、时、日、星期、月和年，编程时主要是对这些参数进行初始化设置。在LCD 上显示实时时钟时，需定时地从上述的寄存器中取出相应的数据。由于LCD 上字符是根据ASCII 码显示的，而RTC 的寄存器中存放的时间参数都以 BCD 码形式存储，因此在LCD 显示日期和时间之前，必须先对时间数据进行格式转换，即将BCD码转换为ASCII 码。

　　3.6 PC 机软件

　　PC 机软件基于windows 操作系统，采用Visual C# 2005 进行编程。软件的功能主要包括在PC 机上显示操作面板，通过与 ARM 嵌入式系统通信实现对RFID 卡的读写操作，并将卡的相关信息在PC 机上显示;此外，软件还能访问数据库，将从卡中读取的数据存入数据库中，或将数据库中的取出数据写入RFID 卡，还能根据用户的需要查询相关信息。数据库采用Microsoft office Access 数据库系统，并采用结构化查询语言(SQL)对数据库访问。

　　4 结束语

　　本文以 ARM 微处理器S3C44B0X 为核心，设计实现了RFID 双频读写器系统。在对高频RFID 卡的寻卡过程中，通过对最大操作次数的限制，有效地防止了死锁。系统具有LCD 显示器，通过键盘操作便可对RFID 卡的进行读写。设计的USB 接口可方便地与PC机连接，在PC 机上实现对 RFID 卡的操作。系统功能强，使用灵活，可满足多种应用场合。由于采用了低成本的ARM 微处理器，简化了硬件，提高了系统的性价比。