一种RFID新型阅读器的设计与实现

引言

　　RFID 技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还包括通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。同其他一些识别技术相比，射频识别技术具有高效快捷、非接触、无污染、识别率高等突出优点。因此，对 RFID技术的认识和研究具有深远的理论意义。

1. RFID 系统分析
 
　　系统属于遥耦合中的疏耦合射频识别系统，主要由应答器、阅读器、天线、通讯模块及人机接口等几部分组成。

当阅读器向应答器发送数据时，数据处理机将该数据先送给射频接口电路，与振荡器产生的本振信号相同，产生出调制信号，然后由天线传送给应答器，IC 卡根据不同的命令做出不同应答。当阅读器接收应答器传回的数据时，由天线接受来自应答器的调制信号，经过射频接口将数据还原，然后在单片机中作相应的处理，可以通过人机界面进行互动或者由通讯接口传送给上位机。

　　对于一个非接触式数据载体的读写操作，一般是严格按照“主一从”原则来进行数据交换，这意味着阅读器和电子标签的所有动作均应有通信协议或软件来控制。RFID 系统的阅读器均可以简化为三大基本功能模块：由收发系统组成的高频接口、控制系统以及和外界其它设备通信用的各种标准接口，如 USB 接口、RS232 接口、RS485 接口、与 Internet 连接的网口以及与打印机相连的并口等。

　　2．RFID 系统设计及接口实现

　　2.1 MCU 与 S6700 芯片接口电路设计

　　在此设计中选用了 PIC16F877A 单片机作为控制器，PIC16F877A 单片机有丰富的位操作指令，精简的指令集,能够模拟 RI-R6C-001A (RI-R6C-001A 芯片是TI 公司最新开发的针对应答器读写的多协议收发器)传送数据的时序以及时钟切换的时序。

S6700 阅读器芯片提供给用户数字接口的信号线为 DIN、DOUT、SCLOCK，通过这三根线可完成控制器与 RI-R6C-001A 芯片之间的数据传输。当 RI-R6C-001A 要发送数据时，时钟由单片机控制，当它要接收数据时，时钟由该芯片控制，设计中作者采用PIC16F877单片机的 RA0、RA1、RA2 与 SCLOCK、DIN、DOUT 通过模拟的方式来传输数据,执行符合射频系统标准的命令，MCU 与S6700 芯片接口电路如图2 所示。

　　2.2 阅读器通信接口

　　在 RFID 系统中，用作上位机的PC 机系统与阅读器之间经常要进行信息交换。由于系统中采用的单片机PIC16F877 带有串口，因而两者之间的通信可通过串行口完成。但是，在实际应用中有时主控PC 机和阅读器相隔很远，为保证数据能高速及时、安全地传至PC机，阅读器与PC 机之间采用RS485 协议的串行通行较为合理。

单片机 PIC16F877A 串行通信模块的 URXD、UTXD 电平符合 TTL/CMOS 标准，当PC 机的 RXMCU 有电平输入时，它首先通过 6N137 光电隔离，保护单片机不受干扰，由O 脚输出到 DI，从而转化为 RS485 电平由 Y、Z 输出。反之，PC 机的输出信号转换成的MAX490 的 A、B 端有输入，将首先转换为 R0 输出，然后经过光电隔离后最终由TXMCU 输出。

PC 机接口电路的具体实现如图4 所示，RS232 的电平标准如下：逻辑“0”的电平范围为-5V—15V，逻辑“1”的电平范围为5V-15V。这里选用的MAX232A 是MAXI 公司的RS232电平转换芯片。当PC 机的TXDPC 输出到R1IN 时候，首先由MAX232A 转换成TTL 电平由R1OUT 输出，经过6N137 光电隔离后输入DI 脚，从而装换为RS485 电平由Z，Y 输出。同理单片机输出信号转换成的 RS485 电平信号输入A，B 脚，经过MAX490 转换成TTL电平，再经过光电隔离最终由RXDPC 输出。必须强调的是在电路的连接中PC 接口电路中的MAX490 芯片引脚RSOUT+，RSOUT-必须和单片机侧MAX490 芯片引脚RSIN+、RSIN-两两错开相连的。这样才能正常的通信。

　　2.3 高频谐振功率放大器电路

　　高频谐振功率放大器电路可以工作在 A 类、B 类或C 类状态，考虑到C 类谐振功放适用于输入信号比较大、输出功率大、效率高，因此，在大功率射频功放电路中采用。功率放大器电路如图5 所示。

2.4 反冲突处理

　　在RFID系统中，阅读器与应答器之间的通信，不能排除可能会有一个以上的应答器同时处于阅读器的作用范围内，当在阅读器的天线区域中有多个应答器同时到达时，它们将几乎同时响应阅读器的指令而发送信号，这样就会产生信道争用的问题，信号互相干扰，阅读器不能正确接收数据，即发生了碰撞(Collision)。

　　为了提高系统的抗“碰撞能力”，就需要采用信道编码技术，对可能或已经出现的差错进行控制，信道编码是使不带规律或规律性不强的原始数字信号变换为带上规律性或加强了规律性的数字信号，信道译码器则利用这些规律性来鉴别是否发生错误，或进而纠正错误。

3 系统软件设计

　　系统如图 6 所示，初始化设置包括GPIO 设置，串口通信模块设置，中断设置包括外部中断和定时器中断设置。

当应答器进入阅读器的天线感应范围,经过一段时间的延迟，应答器上电复位，进入停顿状态，在此状态下可接收阅读器发送的请求应答指令，当应答器接到阅读器的请求应答指令后，返回卡的类型号，随即阅读器发送防冲突指令，系统进入防冲突循环中，防冲突循环结束后，阅读器发出选卡指令，选中其中一张卡，在此阶段，应答器处于准备就绪状态，被选中的卡随即进入激活状态。此后，阅读器可以发送多种不同的指令，发送完成后等待接受应答信息。

　　上述操作完成后，阅读器发送停止指令，应答器从激活状态返回到停顿状态，一次交易结束，单片机可以把关键信息作传输或显示。

4 结束语

　　经过大量的实验，基于S6700 的RFID 系统在读卡的实验中，多张卡同时到达读卡器工作范围时都可以准确的读出；在加上率放大模块并采用配套大功率天线时,可以有效增加读写距离，增加了读卡器在远距离读卡时的准确性。

　　本文的创新点：设计基于 S6700 阅读器芯片的新型阅读器，通过使用对中高频阅读器外加功率放大模块的方法，实现较远距离通信；在RFID 系统中集成设计了RS232/RS485通讯模块等，着重说明了其软硬件实现方法；讨论了RFID 系统的通信安全及突发的偶然因素，包括校验和防冲突设计，说明了循环冗余校验和防冲突算法的原理及实现方法。

　　参考文献:
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