基于UHF學(xué)生簽到系統(tǒng)硬件設(shè)計

PAGEJHJFHKSHFJDHFJKHSKDJHFJKHKFJHDSJKHJKHKJDSFHJKHJDHFJKSHFJKPAGEDHFKHFHDKSHFKLHFJKDHFJKSHJKDFHDJKHFJKDHFJKDSFHJKDSFHJKS基于UHF學(xué)生簽到系統(tǒng)硬件設(shè)計摘要射頻識別技術(shù)是利用無線信道實現(xiàn)雙向通信的一種識別技術(shù)。近些年來，射頻識別系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，現(xiàn)已涉及到人們?nèi)粘Ｉ畹暮芏喾矫妗Ｏ鄬τ?3.56MHz射頻識別系統(tǒng)，915MHz射頻識別系統(tǒng)有著讀取距離較遠，閱讀速度較快等優(yōu)點，是目前國際上RFID產(chǎn)品發(fā)展的熱點。本文基于ISO/IECl8000—6TypeB協(xié)議設(shè)計了一款915MHz頻段的學(xué)生簽到系統(tǒng)的射頻讀卡器硬件電路。在硬件設(shè)計中，選用單片機ATmega64作為主控制器，并以RFM公司的TRl000為射頻收發(fā)芯片進行了射頻收發(fā)電路的設(shè)計，并結(jié)合系統(tǒng)要求完成了主控部分、通信部分、指示部分的電路設(shè)計、調(diào)試并與軟件部分進行聯(lián)合調(diào)試，完成了基于UHF的學(xué)生簽到系統(tǒng)的硬件設(shè)計。關(guān)鍵字：UHF；RFID；讀寫器HardwaredesignofregisterssystembasedontheUHFAbstractRFID(RadioFrequencyIdentification)isoneoftheidentificationtechnologieswhichcanrealizeintercommunicationbyusingwirelesschannel.Inrecentyears，theapplicationofradiofrequencyidentificationsystemsismoreandmoreabroad．Andithasbeeninvolvedinmanyaspectsofpeople’sdailylife.Comparingwith13.56MHzRFIDsystems，the915MHzRFIDsystemhaslongerreadingdistanceandfasterspeed,etc，Nowadays，ithasbecomeahotspotinRFIDproducts，ThistextaccordingtoISO/IECl8000—6TypetheBnegotiatetheradiofrequencycardreaderhardwaretelephonethatthestudentlabelofdesigningastyleof915MHzbandoffrequencyarrivessystem.Designinthehardwareamid,choiceunipoleslabthemachineATmega64isamaincontroller,andtooktheTRl000ofRFMcompanyasaradiofrequencytoreceiveanddispatchchiptocarryonthedesignthattheradiofrequencyreceivesanddispatchestelephone,andcombinesystemtoaskforcompletinglordtocontrolfraction,correspondencefraction,indicationfractionoftelephonedesign,adjusttotry,andunitewithsoftwarepartsofprogresstoadjusttotry,completeaccordingtothelabelofUHFstudenttothedesignofsystem.KeyWords：UHF;RadioFrequencyIdentification;Reader目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1研究背景與意義 11.2RFID系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 41.3射頻識別系統(tǒng)的頻段和應(yīng)用領(lǐng)域 61.4本文開展的主要工作 72RFID技術(shù)工作原理及相關(guān)技術(shù) 82.1RFID系統(tǒng)組成及工作原理 82.1.1射頻識別系統(tǒng)原理 82.1.2射頻識別系統(tǒng)組成 82.2UHF的技術(shù)特點 102.3學(xué)生簽到系統(tǒng)介紹 102.4射頻讀卡器系統(tǒng)的介紹 102.5lSO/lEC18000—6協(xié)議 122.5.1lSO/lECl8000-6協(xié)議簡介 123學(xué)生簽到系統(tǒng)的UHF讀卡器的硬件電路設(shè)計 143.1射頻讀卡器硬件系統(tǒng)功能和讀卡器流程簡介 143.2主控模塊電路設(shè)計 153.2.1徽控制器及其復(fù)位電路 153.2.2RS-232串行通信接口電路 193.2.3電源及穩(wěn)壓電路 213.2.4指示裝置電路 223.3射頻收發(fā)電路設(shè)計 243.3.1射頻收發(fā)模塊芯片 243.3.2射頻發(fā)射模塊設(shè)計 263.3.3射頻接收模塊設(shè)計 273.3.4系統(tǒng)天線設(shè)計 29結(jié)論 31致謝 32參考文獻 33附錄A 341緒論1.1研究背景與意義射頻識別是無線頻率識別(RFID，RadioFrequencyIdentity)的簡稱，即RFID技術(shù)是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，自動識別目標并獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。與傳統(tǒng)的自動識別技術(shù)(如條形碼、接觸式IC卡)相比，RFID技術(shù)具有很多優(yōu)勢：可以定向或不定向的遠距離讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，無需保持識別的目標可見：可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)；可以在惡劣環(huán)境下工作；可以同時處理多個電子標簽；可以儲存的信息量很大；可以通過RFID標簽對物體進行物理定位等等。所以，隨著RFID技術(shù)的發(fā)展與成熟，開始廣泛應(yīng)用于社會各行業(yè)部門。射頻識別技術(shù)的發(fā)展過程，按照每十年可以劃分如下：1940—1950年：雷達的改進和應(yīng)用催生了RFID技術(shù)。1948年，HarryStockman發(fā)表的論文《CommunicationbyMeansofReflectedPower》成為了之后RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ)。1950-1960年：這時期RFID技術(shù)研究主要是實驗室實驗研究為主，對RFID各方面的理論進行研究，總體上還處于一個探索階段，還沒出現(xiàn)社會上的應(yīng)用。1960—1970年：RFID技術(shù)理論得到了一定的發(fā)展，一系列重要論文的發(fā)表，促使了其商業(yè)以及社會應(yīng)用的一些最初步嘗試。1970—1980年：RFID技術(shù)研究與相關(guān)的RFID產(chǎn)品研發(fā)取得很大的進步，理論研究也有一定突破，RFID技術(shù)得到快速發(fā)展，出現(xiàn)了一些最早的應(yīng)用。隨著1980-1990年間，微電子技術(shù)取得的重大的突破。在這段時期里，RFID技術(shù)及產(chǎn)品的越發(fā)成熟使它正式投入了商業(yè)應(yīng)用，社會涌現(xiàn)了各種商業(yè)上以及生活上的應(yīng)用。而RFID作為一門新興的通信技術(shù)領(lǐng)域也引起了更多專家學(xué)者的興趣，RFID技術(shù)將會極大地改變?nèi)藗兩畹睦砟畹玫揭恢碌墓沧R。1990-2000年：RFID技術(shù)持續(xù)發(fā)展，應(yīng)用更加深入到人們的日常生活中去。與此同時，RFID標準化的問題開始受到國際社會的重視，相關(guān)組織部門開始意識到統(tǒng)一標準對繼續(xù)促進RFID發(fā)展的必要性和重要性。進入2000年后，標準化的問題更加突出，而出于利益等沖突，不同國家之間始終沒有達成統(tǒng)一的標準。同時射頻識別產(chǎn)品種類更加豐富，而且趨向于和其他通信技術(shù)如傳感網(wǎng)技術(shù)、2G/3G移動通信技術(shù)融合發(fā)展，應(yīng)用也開始深入到社會生活的各個方面。目前，市場上多種RFID標準并存的局面，主要是因為RFID技術(shù)在全球范圍內(nèi)還沒有統(tǒng)一的標準，這在一定程度上阻礙了RFID的發(fā)展。但隨著RFID在全球物流行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的開始以及其他行業(yè)各種應(yīng)用的普及，RFID標準的統(tǒng)一問題已經(jīng)引起業(yè)界的廣泛重視。目前世界范圍內(nèi)形成了五大標準，這五大標準代表了不同集團或者國家的利益：EPCGlobal是由北美UCC產(chǎn)品統(tǒng)一編碼組織和歐洲EAN產(chǎn)品標準資質(zhì)聯(lián)合成立，在全球范圍內(nèi)擁有上百家跨國公司的大力支持，由于綜合了美國和歐洲廠商，EPCGlobal實力相對占上風(fēng)；AIM、ISO、UID標準則分別代表了歐美國家和日本，影響力僅次于EPCGlobal，也有部分行業(yè)巨頭支持；在五大標準中處于最弱位置的是IP-X標準，其成員以亞洲、非洲、大洋洲等國家為主。表1.1：各種射頻識別技術(shù)的比較系統(tǒng)參數(shù)條形碼識別技術(shù)光學(xué)符號識別生物識別技術(shù)接觸式IC卡識別射頻識別數(shù)據(jù)密度小小高很高很高機器的可讀性好好費時間好好個人的可讀性受制約簡單容易困難不可能不可能受環(huán)境的影響很嚴重很嚴重—可能（接觸）沒有光遮影響全部失效全部失效可能—沒有方向位置影響很小很小—一個方向沒有用壞/磨損有條件有條件—接觸沒有閱讀設(shè)備成本很低一般很高很低一般工作費用很小很小無一般無閱讀速度快較低很低較快最快閱讀距離0～50cm<1cm距離較近直接接觸0～10mRFID技術(shù)的一些主要應(yīng)用包括有：在物流跟蹤、管理及監(jiān)控方面：部分發(fā)達國家的機場、客運站等引進了RFID技術(shù)，應(yīng)用在行李物品管理中，實現(xiàn)了物品的跟蹤監(jiān)控，提高了分揀效率。2010年1月，中國電信惠州分公司、中國石化惠州石油公司、中國平安財產(chǎn)惠州支公司共同打造了新型物流信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)了貨物人員車輛可跟蹤的“物聯(lián)網(wǎng)”運營方式，對提高整個物流行業(yè)的效率效益具有深遠意義。在車輛識別和智能交通方面：一些國家的城市交通引進了RFID技術(shù)，應(yīng)用于車輛自動識別、車輛監(jiān)控跟蹤、自動收費等領(lǐng)域；煤礦山開采等行業(yè)也使用了RFID監(jiān)控系統(tǒng)，提高了在復(fù)雜環(huán)境中的工作效率。我國香港使用的“駕易通”：裝有RFID標簽的汽車在經(jīng)過收費站或者某些交通樞紐時可以被自動識別，無需停車繳費，大大提高了行車速度和效率。RFID技術(shù)在未來的智能交通方面還會有更大的發(fā)展空間。在射頻卡標簽用方面：RFID標簽廣泛應(yīng)用于門禁、票務(wù)等領(lǐng)域。日本的公共汽車和鐵路部門普遍采用基于RFID技術(shù)的電子票據(jù)。在我國，目前越來越來的票系統(tǒng)應(yīng)用RFID射頻卡，例如廣州地鐵的票務(wù)系統(tǒng)。2009年12月，我國鐵路系統(tǒng)火車票迎來了一次升級換代：基于RFID技術(shù)的智能火車票開始投入使用。在防偽技術(shù)方面：國際上大多數(shù)發(fā)達國家的公民身份證已經(jīng)內(nèi)置有RFID芯片，存儲著必要的持證者的身份信息，難以被非法盜取以及偽造。我國內(nèi)在此領(lǐng)域也已經(jīng)形成了包括第二代居民身份證在內(nèi)的相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用。RFID技術(shù)應(yīng)用于電子票據(jù)防偽，從而不再需要人工識別，實現(xiàn)人員的快速通過。2008年北京奧運會以及2010上海世博會則是票務(wù)防偽應(yīng)用方面最好的例子。隨著相關(guān)技術(shù)的進步和成熟以及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，RFID產(chǎn)品的成本將會不斷降低，應(yīng)用將會延伸到人們生活中的各個領(lǐng)域。不難預(yù)計，在未來數(shù)年內(nèi)，RFID技術(shù)將保持高速發(fā)展的勢頭，RFID系統(tǒng)中的各部分包括電子標簽、讀寫器、天線、中間件等方面將會取得新的進展。在“技術(shù)融合”的大背景下，RFID技術(shù)結(jié)合其他高新技術(shù)，比如2G/3G無線通信、GPS定位、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、生物識別等技術(shù)，由一維度信息采集向多維度信息采集方向發(fā)展的同時，形成一個層次結(jié)構(gòu)分明的信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)跨地區(qū)、跨行業(yè)應(yīng)用。1.2RFID系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀RFID的發(fā)展在世界范圍內(nèi)，以美國為代表的發(fā)達國家的RFID技術(shù)和應(yīng)用相對比較成熟，以中國為代表的發(fā)展中國家則基本處于起步或者追趕狀態(tài)。美國一直是RFID技術(shù)的強國，在標準制定、軟硬件開發(fā)、實際應(yīng)用等各個方面都代表著世界比較高的發(fā)展水平，尤其是應(yīng)用方面。歐洲RFID追隨美國的EPCGlobal協(xié)議標準，發(fā)展水平與美國基本處于同一階段。日本自主提出的UID標準則主要得到自己國家廠商的支持，國際廠商的使用比較缺乏，在國際范圍內(nèi)的影響力還有待提高。韓國也高度重視RFID技術(shù)的發(fā)展，政府給予了足夠的資助，但是對于標準的選擇上還是顯得模糊不清。在美國：一些RFID開發(fā)廠商的技術(shù)基礎(chǔ)深厚，研究能力強大與資金投入充足。例如，TI、Intel、Symbol、Microsoft和HP等大公司也積極研發(fā)RFID芯片和相關(guān)技術(shù)，開發(fā)RFID應(yīng)用軟件以及系統(tǒng)。這些大公司的投入是美國RFID技術(shù)始終領(lǐng)先于世界的重要原因。理論研究發(fā)達外，RFID技術(shù)在美國社會上的應(yīng)用也是十分廣泛。例如在物流方面，美國已經(jīng)有超過100多家企業(yè)采用了RFID技術(shù)進行物流跟蹤監(jiān)控。美國政府是RFID應(yīng)用的積極推動者，目前，美國國防部全部軍需物資都使用RFID標簽進行跟蹤和管理；美國社會福利局使用RFID技術(shù)追蹤各種表格和手冊；美國食品及藥物管理局利用RFID跟蹤最常造假的藥品。隨著物聯(lián)網(wǎng)的提出與普及，美國將再一步加快RFID技術(shù)的發(fā)展步伐，包括資金的投入、政策的支持，以確定其在物聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)先地位。在歐洲：也有Philips、STMicroclectronics、Checkpoint、諾基亞等大公司積極投入RFID技術(shù)的研究與產(chǎn)品生產(chǎn)中。而隨著RFID技術(shù)的成熟，歐洲許多大型企業(yè)都紛紛進行RFID的應(yīng)用試驗。例如，在2010年2月，歐洲Zetcs發(fā)布一套超高頻Gen2ePOD系統(tǒng)，用于加快電子交貨速度。ePOD結(jié)合智能卡技術(shù)和RFID、條碼掃描優(yōu)化追蹤和追溯過程，同時減少退貨投訴和損耗[1]。這套系統(tǒng)可在任意公司較為容易地安裝，產(chǎn)品無需與現(xiàn)有的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)整個供應(yīng)鏈的零錯誤追蹤。在日本：作為傳統(tǒng)的制造業(yè)強國，日本在RFID電子標簽研究領(lǐng)域起步較早，政府的資金投入和政策扶持力度比較大。因此同本是少數(shù)的RFID技術(shù)比較先進的亞洲國家。日本目前已經(jīng)有超過2億張射頻卡在各行業(yè)得到應(yīng)用，其中RFID應(yīng)用于交通和零售的市場增長迅速。ToppanForms是非接觸式支付卡的最大廠商之一，同本NFC手機的銷售量在2007年已經(jīng)達到4700-5000萬部，內(nèi)嵌RFID射頻芯片，手機即可進行小額支付，大多應(yīng)用于零售支付和交通車費的支付。值得注意的是，日本的RFID技術(shù)在民用方面發(fā)展得比較快，例如手機、射頻卡等。在韓國：主要通過產(chǎn)業(yè)資源部和情報通信部來聯(lián)合推動RFID的發(fā)展。自從2004年3月韓國提出IT839計劃之后，RFID技術(shù)的重要性得到了進一步的加強。在韓國政府的高度重視以及政策支助之下，韓國關(guān)于RFID的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用在近年來得到很大發(fā)展，應(yīng)用更是快速滲透到人們生活的方方面面中去。在我國，政府對RFID產(chǎn)業(yè)的扶持也是相當(dāng)大的。國家頒布的《2006-2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》和《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》中都闡述了發(fā)展RFID產(chǎn)業(yè)的重要性。指出推動RFID技術(shù)的快速發(fā)展，可以增強我國信息產(chǎn)業(yè)的國際競爭能力、推動建設(shè)創(chuàng)新型國家；科技部等十五個部委發(fā)表了《中國射頻識別(REID)技術(shù)政策白皮書》，國家還多次設(shè)立863專項基金支持RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的政策、經(jīng)濟環(huán)境。由此可見國家對RFID事業(yè)發(fā)展的重視程度。近年來，隨著東信和平、遠望谷等企業(yè)單以及清華同方等研發(fā)機構(gòu)的發(fā)展，同時隨著中國移動、中國電信、航空和鐵路等單位部門的應(yīng)用引進，我國RFID技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計都有了突飛猛進的發(fā)展，已經(jīng)成功應(yīng)用于包括車輛交通、電子票證、工業(yè)制造追蹤、物流管理、人員管理、資產(chǎn)管理、圖書管理、公共安全、食品追溯、防偽標識、動物標識、軍事應(yīng)用等社會各個領(lǐng)域的應(yīng)用。RFID技術(shù)正在以穩(wěn)健的步伐向前推進。據(jù)專家介紹，2008年-2010年，RFID技術(shù)將從培育階段逐步轉(zhuǎn)入成長階段，RFID行業(yè)面臨的問題將不再是以普及知識、教育客戶和試點應(yīng)用為主，而是轉(zhuǎn)向和行業(yè)客戶共同合作進行RFID技術(shù)的深入應(yīng)用、價值挖掘和成功案例的模式推廣，標準和成本的問題將在行業(yè)應(yīng)用的不斷深入和發(fā)展中得到解決。2008年RFID技術(shù)已經(jīng)在北京奧運會的電子門票、食品追蹤、車輛管理中得到了成功的應(yīng)用。而2010年上海世博會期間RFID的全方位應(yīng)用：浦東機場的防入侵系統(tǒng)鋪設(shè)3萬多個傳感節(jié)點，覆蓋地面、柵欄和低空探測，防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵；世博局發(fā)布的可承載世博手機票的RFID-SIM卡，具有購買世博會門票、刷手機入園、刷手機在園內(nèi)購物，甚至購買地鐵票功能；組織者根據(jù)“世博芯”了解各場館觀眾分布，及時有效調(diào)動車輛，提高交通效率等，更是帶動國內(nèi)RFID行業(yè)應(yīng)用與發(fā)展的一次新高潮。1.3射頻識別系統(tǒng)的頻段和應(yīng)用領(lǐng)域下表是根據(jù)射頻一般頻段的分類和具體的應(yīng)用情況一覽表。表1.2：各種射頻識別技術(shù)的應(yīng)用頻段系列典型頻段應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品特點135KHz低頻100-500KHz產(chǎn)品豐富，應(yīng)用于動物識別，進出控制，物品追蹤等管理中短距離識別，閱讀速度慢，產(chǎn)品價格低1.95-8.2MHz電子物品監(jiān)視，多用于零售業(yè)或者物品防盜領(lǐng)域13MHz系列中高頻10-15MHz可用于小區(qū)物業(yè)管理，大廈門禁系統(tǒng)，電子物品監(jiān)視及ISM中短距離識別，中速閱讀27MHz系列應(yīng)用于工業(yè)，科學(xué)及醫(yī)療行業(yè)430-460MHz系列應(yīng)用于工業(yè)，科學(xué)及醫(yī)療行業(yè)902-926MHz系列超高頻850MHz-5.8GHzGSM移動電話網(wǎng)，集裝箱識別和自動收費系統(tǒng)等長距離識別，高速閱讀，產(chǎn)品價格較貴2350-2450MHz系列用于工業(yè)、科研和醫(yī)藥行業(yè)5800-6800MHz系列非管理頻段，其中5.8G在部分國家已定為智能交通系統(tǒng)應(yīng)用頻段1.4本文開展的主要工作本文針對超高頻射頻識別技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，閱讀了大量文獻及資料?；贗SO/IEC18000-6TypeB協(xié)議對915MHz射頻讀寫器進行了設(shè)計及研發(fā)。主要開展了一下工作：（1）深入掌握UHF頻段的ISO/IEC18000-6TypeB協(xié)議。（2）設(shè)計應(yīng)用于學(xué)生簽到系統(tǒng)的基于AVRmege64單片機的915MHz讀寫器的硬件電路方案設(shè)計。（3）完成了基于讀卡器硬件電路的系統(tǒng)調(diào)試和測試。2RFID技術(shù)工作原理及相關(guān)技術(shù)2.1RFID系統(tǒng)組成及工作原理2.1.1射頻識別系統(tǒng)原理RFID系統(tǒng)的工作原理框圖如下圖2.1所示。讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號；當(dāng)RFID標簽進入讀寫器工作場時，其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而RFID標簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送出自身編碼等信息；讀寫器接收到來自標簽的載波信號，對接收的信號進行解調(diào)和解碼后送至計算機主機進行處理；計算機系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號；RFID標簽的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯，控制邏輯接收指令完成存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)或其他操作[2]。圖2.1射頻識別系統(tǒng)原理圖RFID針對常用的接觸式識別系統(tǒng)之缺點加以改良，采用射頻訊號以無線方式傳送數(shù)位資料，因此識別卡不必與讀卡機接觸就能讀寫數(shù)位資料。2.1.2射頻識別系統(tǒng)組成射頻識別系統(tǒng)一般由三部分組成：①讀寫器（Reader）一臺典型的讀寫器應(yīng)包含射頻信號發(fā)射單元器、高頻接收單元和控制單元。此外，許多讀寫器還都有附加的接口(RS232、RS485、USB)，以便將所獲的數(shù)據(jù)傳輸給另外的系統(tǒng)作進一步的處理或存儲。讀寫器的控制單元的功能包括：與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令；控制與射頻標簽的通信過程(主一從原則)；信號的編解碼。對一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行反碰撞算法，對射頻標簽與讀寫器間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密，以及進行射頻標簽和讀寫器間的身份驗證等附加功能。②標簽（Tag）RFID標簽是一種以無線方式傳送數(shù)據(jù)的信息載體形式，它具有數(shù)據(jù)處理及安全認證等特有的優(yōu)點。RFID標簽是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，主要由天線、諧振電容以及IC芯片組成，其種類可以分為無源標簽和有源標簽兩種。射頻標簽與讀寫器之間采用雙向驗證機制，即讀寫器驗證射頻標簽的合法性，同時射頻標簽也驗證讀寫器的合法性；處理前，標簽要與讀寫器進行三次相互認證，而且在通訊過程中所有數(shù)據(jù)都加密。此外，標簽中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。③天線（Antenna）射頻識別系統(tǒng)中的天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向無源標簽提供能量并在讀寫器和標簽之間傳送信息。系統(tǒng)的基本工作流程是：讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻標簽獲得能量被激活；射頻標簽將自身編碼等信息通過標簽內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻標簽發(fā)送來的載波信號傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。在耦合方式(電感一電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻標簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負載調(diào)制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區(qū)別，但所有的讀寫器在功能原理上，以及由此決定的設(shè)計構(gòu)造上都很相似，所有讀寫器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。高頻接口包含發(fā)送器和接收器，其功能包括：產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動射頻標簽并提供能量；對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻標簽；接收并解調(diào)來自射頻標簽的高頻信號。讀寫器的控制單元的功能包括：與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令；控制與射頻標簽的通信過程(主一從原則)；信號的編解碼。對一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行反碰撞算法，對射頻標簽與讀寫器間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密，以及進行射頻標簽和讀寫器間的身份驗證等附加功能。射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。影響射頻標簽讀寫距離的因素包括天線工作頻率、讀寫器的RF輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、射頻標簽的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、讀寫器和射頻標簽的耦合度，以及射頻標簽本身獲得的能量及發(fā)射信號的強度等，大多數(shù)射頻識別系統(tǒng)的寫入距離約是讀取距離的40％～80％。2.2UHF的技術(shù)特點UHF（超高頻，典型的915MHz）的RFID系統(tǒng)由于讀寫距離遠，多標簽識別快，抗干擾能力強及標簽的體積小，容量大，成本低的特點，已經(jīng)有越來越多的場景正在使用它了。在本次設(shè)計用采用了UHF頻段來作為信號。2.3學(xué)生簽到系統(tǒng)介紹學(xué)生簽到系統(tǒng)主要由讀寫器、天線、應(yīng)用系統(tǒng)等組成，用來對學(xué)生上課時進行簽到。讀寫器通過接收的數(shù)據(jù)用來對學(xué)生進行簽到識別，并發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)由天線發(fā)出信號。天線用來接收學(xué)生來到時候的接收信號。應(yīng)用系統(tǒng)是針對讀卡器識別信息進行學(xué)生簽到系統(tǒng)的信息管理。讀寫器的構(gòu)造的核心用單片機ATmega64作為主控制器，用來控制對所來學(xué)生簽到的讀寫技術(shù)作用。該系統(tǒng)主要應(yīng)用915MHz射頻卡讀寫器，原因是由于該系統(tǒng)具有技術(shù)成熟穩(wěn)定、遠距離傳輸效果好的特點2.4射頻讀卡器系統(tǒng)的介紹915MHz射頻識別系統(tǒng)工作的基本原理與一般的射頻識別系統(tǒng)相同，但是超高頻的讀寫距離遠、識別快、抗干擾能力強、成本低等特點已受到廣泛關(guān)注、因此加以介紹。射頻卡讀寫器系統(tǒng)組成框圖如下圖2.2所示，由微控制單元電路、射頻收發(fā)模塊電路、功率放大電路、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)電路、天線、檢波電路、串行通信接口和電源等部分組成。圖2.2915MHz射頻識別系統(tǒng)框圖串行通信電路：負責(zé)上位機與讀寫器的通信，使得系統(tǒng)可通過上位機指令控制讀寫器的工作過程。一般采用RS232接口或RS485接口，也可采用USB接口。在完善的RFID系統(tǒng)中也可加入以太網(wǎng)控制模塊實現(xiàn)對RFID系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制。微控制單元電路：讀寫器系統(tǒng)的控制模塊，負責(zé)對整個讀寫器系統(tǒng)工作過程進行控制，內(nèi)嵌程序?qū)崿F(xiàn)基帶數(shù)據(jù)指令的發(fā)送與接收和多卡狀態(tài)下的防沖突方案。射頻收發(fā)單元電路：在高頻頻段市場上有專用的RFID讀寫芯片，如13.56MHz頻段下的RI-R6C-001A和RC500等芯片。這些RFID專用芯片內(nèi)嵌了RFID通信協(xié)議，使得讀寫器的開發(fā)工作大大簡化。目前對于UHF頻段的讀寫器目前市場上沒有專用的RFID芯片，所以射頻讀寫模塊的開發(fā)一般可以采用兩種方案：一是采用搭建射頻電路實現(xiàn)的方法，用搭建的硬件電路實現(xiàn)射頻信號的調(diào)制與解調(diào)。二是采用通用無線射頻模塊來完成調(diào)制解調(diào)，射頻接口電路模塊完成對已調(diào)制信號的放大、匹配功能以滿足天線發(fā)射要求，實現(xiàn)上行射頻信號的檢波和調(diào)制以滿足射頻接收芯片的要求[3]。本文主要采用第二種設(shè)計方法。天線模塊：完成與標簽之間射頻信號的發(fā)送和接收功能。系統(tǒng)的基本工作流程是：串行通訊接口獲得從服務(wù)器(或者PC機)發(fā)送來的數(shù)字信號指令并把它在微控制單元中進行存儲，而后再轉(zhuǎn)發(fā)給射頻讀寫模塊，讀寫模塊經(jīng)過功率放大、濾波匹配等一系列工序把信號進行處理，變成有利于天線發(fā)射的載波信號，然后通過發(fā)射天線發(fā)送超高頻射頻信號[4]。當(dāng)射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫系統(tǒng)，讀寫系統(tǒng)對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。2.5lSO/lEC18000—6協(xié)議UHF頻段的標準最常見的是ISO/IEC18000-6標準，本文設(shè)計工作也是以ISO/IEC18000-6TypeB協(xié)議標準為基礎(chǔ)的。由于各國對頻段的使用要求不同，RFID標準涉及的方面又比較多等各方面原因，在超高頻頻段中至今還沒制定出一個統(tǒng)一的國際執(zhí)行標準?，F(xiàn)在國際上比較流行的標準有國際標準化組織制定的ISO/IEC18000等系列標準而ISO/IEC18000-6協(xié)議是ISO/IEC18000協(xié)議的一部分。所以可供射頻卡使用的幾種標準有ISO/IEC11784、ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC18000-6等等[5]。應(yīng)用最多的是IS014443、IS015693和ISOl8000-6，這三個標準都由的物理接口、協(xié)議和命令以及防沖突判斷機制四部分組成。2.5.1lSO/lECl8000-6協(xié)議簡介ISO/IEC18000-6協(xié)議是ISO/IEC18000協(xié)議的一部分。ISO/IEC18000是一系列標準。此標準是目前最新的也是最熱門的標準，原因是它可用于商品的供應(yīng)鏈，其中的部分標準也正在形成之中。ISO/IEC18000是基于物品管理的射頻識別(RFID)的國際標準，按工作頻率的不同分為7部分，第1部分：全球接受頻率；第2部分：低于135kHz的頻率；第3部分：頻率為13.56MHz；第4部分：頻率為2.45GHz：第5部分：頻率為5.8GHz；第6部分：頻率為860～930MHz；第7郁分：頻率為433MHz。其中，第6部分規(guī)定的UHF頻段因為適合遠距離識別并且對環(huán)境影響較小而成為目前國際上RFID產(chǎn)品發(fā)展的熱點，相應(yīng)亦成為人們關(guān)注的焦點[6]。以下介紹ISO/IEC18000-6《信息技術(shù)—針對物品管理的射頻識別(RFID)-第6部分：針對頻率為860～930MHz無接觸通信空氣接口參數(shù)》的閱讀器與應(yīng)答器之間的物理接口、協(xié)議和命令以及防沖突判斷機制。ISO/IEC18000—6標準定義了兩種類型的協(xié)議：TypeA和TypeB。TypeA協(xié)議：TypeA協(xié)議的通訊機制是基于一種“閱讀器先發(fā)言”，即基于閱讀器的命令與應(yīng)答器的回答之間交替發(fā)送的機制。整個通訊中的數(shù)據(jù)信號定義為以下四種：“0”，“1”，“SOF”和“EOF”。TypeB協(xié)議：本論文設(shè)計的系統(tǒng)是基于ISO/IEC18000-6TypeB協(xié)議下的，TypeB的傳輸機制也是基于“閱讀器先發(fā)言”的，即基于閱讀器的命令與應(yīng)答器的回答之間交換的機制。下面分四個方面：射頻通訊格式、指令幀格式、狀態(tài)轉(zhuǎn)換和防沖突機制、指令集分類。3學(xué)生簽到系統(tǒng)的UHF讀卡器的硬件電路設(shè)計3.1射頻讀卡器硬件系統(tǒng)功能和讀卡器流程簡介本設(shè)計中的硬件結(jié)構(gòu)主要可以分為五部分：主控模塊、射頻發(fā)射模塊、狀態(tài)指示、通訊、電源部分等，見圖3.1，各個部分的功能如下：主控模塊：讀寫器系統(tǒng)的控制模塊，負責(zé)對整個讀寫器系統(tǒng)工作過程進行控制。射頻收發(fā)模塊：用來收發(fā)射超高頻信號。狀態(tài)顯示：指示電源是否接通，通信接口收發(fā)狀況及出現(xiàn)故障的顯示。電源部分：電源轉(zhuǎn)換。由于系統(tǒng)設(shè)計中AVR工作所需要的電壓為5V，而射頻芯片工作所需要的電壓為3.3V，這就要求對電源進行5V-3.3V的轉(zhuǎn)換。通訊部分：負責(zé)上位機與讀寫器的通信，使得系統(tǒng)可通過上位機指令控制讀寫器的工作過程。控制射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)ISO/IECl8000-6TypeB協(xié)議下的命令的收發(fā)功能。系統(tǒng)硬件功能框圖所示圖3.1系統(tǒng)硬件框圖主控模塊由微控制器及其復(fù)位電路、指示裝置電路、RS232通信接口電路、電源電路、JTAG接口電路及輔助電路組成。讀卡器流程：本文所設(shè)計的讀卡器工作流程介紹如下：①主控制器由串行通信模塊從上位機接受命令，并對命令的類型和內(nèi)容進行判斷。②主控制器對接受到的命令進行基帶編碼。③主控制器將基帶碼傳送給射頻收發(fā)模塊，由射頻收發(fā)模塊完成對信號的調(diào)制、放大等功能。④由天線模塊完成對以調(diào)信號的發(fā)射。⑤射頻卡對命令操作完畢后，由天線接收射頻信號傳送給射頻收發(fā)模塊。⑥射頻收發(fā)模塊完成對射頻信號的解調(diào)，發(fā)送基帶數(shù)據(jù)給主控制器。⑦主控制器完成基帶解碼。⑧串行通信模塊對上位機進行數(shù)據(jù)回傳。3.2主控模塊電路設(shè)計主控制器是系統(tǒng)的核心部分，它負責(zé)接收用戶命令、對發(fā)送信號進行編碼和對接收信號進行解碼，主控制器與應(yīng)答器的通信過程經(jīng)由射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)。JTAG(JointTestActionGroup)接口主要用于在線調(diào)試以及設(shè)置主控制器的熔絲位等[7]。通過串行通信接口可以實現(xiàn)與PC機的通信過程。電源電路完成穩(wěn)壓與電壓轉(zhuǎn)換功能，系統(tǒng)提供指示電路用于工作狀態(tài)指示與報警功能。射頻收發(fā)模塊完成對基帶信號的調(diào)制發(fā)射和解調(diào)接收功能。主控模塊的組成部分有微控制器及其復(fù)位電路、指示裝置電路、RS-232通信接口電路、電源電路、及其輔助電路。本節(jié)將詳細介紹每個模塊的原理及其功能。3.2.1徽控制器及其復(fù)位電路系統(tǒng)選用AVR單片機ATmega64作為主控制器，它是Atmel公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的8位精簡指令集單片機。系統(tǒng)選用ATmega64作為主控制器主要基于以下三點原因：①很多指令都可以單時鐘周期執(zhí)行，易于UHF協(xié)議下讀寫命令通訊過程中的時序控制。②最高可以外接16MHz晶振，能夠提供足夠的基帶數(shù)據(jù)傳輸速率。③能夠比同價位的傳統(tǒng)8051單片機具有更多的片內(nèi)資源。④64K字節(jié)多次可編程程序存儲器。⑤ATmega64具有很強的抗干擾能力，集成有上電復(fù)位電路，使可靠性得到進一步的提高。(1)微控器及其外圍電路為控制器電路以ATmega64為核心，其外圍電路包括時鐘電路，電源保護網(wǎng)絡(luò)。圖3.2ATmega64封裝圖圖3.3微控器及周圍電路AVR單片機SECTRLl、SECTRL0、CECTRLl、CECTRL0四個引腳為射頻芯片控制引腳，使其在接收／發(fā)射／睡眠模式之間的工作模式進行轉(zhuǎn)換，從而控制其工作狀態(tài)?？煞譃橐韵聨追N狀態(tài)：①SECTRLl為“1”，SECTRL0為“1”則射頻發(fā)射模塊處于OOK發(fā)射狀態(tài)。②SECTRLl為“0”，SECTRL0為“0”則射頻發(fā)射模塊處于休眠狀態(tài)。③CECTRLl為“1”，CECTRL0為“1”則射頻接收模塊處于ASK接收狀態(tài)。④CECTRL1為“0”，CECTRL0為“0”則射頻接收模塊處于休眠狀態(tài)。引腳RXDATA為微控器端的基帶數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入引腳，引腳TXMOD是射頻模塊和控制模塊進行通訊的通道。在單片機的外圍電路中，上下接電源的電容和電抗組成一個電源保護網(wǎng)絡(luò)，因為輸入的電源為5V直流電，里面可能混有不規(guī)則的交流電壓，如果直接接入單片機的話，可能對某些部件構(gòu)成損壞，甚至燒掉整個單片機，所以必須對其進行保護。單片機外部還有一個石英晶振X1，它的頻率為13.56MHz，用來提供單片機工作的外部時鐘，而晶振要工作在一個特定串聯(lián)諧振頻率fq下，就必須給它兩邊加兩個保護電容，組成并聯(lián)振蕩回路，這樣才不致使單片機工作的時鐘頻率產(chǎn)生變化，進而可以穩(wěn)定的工作，提高系統(tǒng)的性能[8]。(2)復(fù)位電路復(fù)位是單片機的初始化操作。其主要功能是將程序記數(shù)器PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。在程序運行中，外界干擾等因素可使單片機的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或者跑飛。為了擺脫困境，可將單片機復(fù)位，以重新啟動。復(fù)位也可以使單片機退出低功耗工作方式而進入正常工作狀態(tài)。當(dāng)引腳的RESET上面的低電平持續(xù)時間大于最小脈沖寬度時，MCU復(fù)位。nRST引腳是復(fù)位信號的入射端，高電平有效。其有效時間應(yīng)持續(xù)在24個振蕩周期(即兩個機器周期)以上。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位兩種方式。下圖為具有兩種復(fù)位方式的電路，只要電源的上升時間不超過lms，就可以完成自動上電復(fù)位，即接通電源時就完成了復(fù)位操作。按動鍵KEY1，可實現(xiàn)手動復(fù)位。圖3.4復(fù)位電路3.2.2RS-232串行通信接口電路本設(shè)計中，為了提高系統(tǒng)的可適應(yīng)性，提供了兩種串行通信接口形式：USB和RS232。USB選用CP2101芯片來實現(xiàn)虛擬串口，RS-232采用MAX232芯片。（1）USB接口電路設(shè)計本設(shè)計中采用了USB接口，主要是考慮到這種通信接口在微型計算機的應(yīng)用越來越廣泛。USB是“UniversalSerialBus”的縮寫，意思是“通用串行總線”。但這并不是一種新的總線標準，而是電腦系統(tǒng)接駁外圍設(shè)備(如鍵盤、鼠標、打印機等)的輸入/輸出接口標準?，F(xiàn)在電腦系統(tǒng)對外圍設(shè)備的接口并無統(tǒng)一的標準，如鍵盤的插口是圓的、連接打印機要用9針或25針的并行接口、鼠標則要用9針或25針的串行接口。USB把這些不同的接口統(tǒng)一起來，使用一個4針插頭作為標準插頭。通過這個標準插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來，并且不會損失帶寬。也就是說，USB將取代當(dāng)前PC上的串口和并口。為了方便得實現(xiàn)微控制器AVRmeg64的UART接口與USB接口的轉(zhuǎn)化，設(shè)計采用了SiliconLaboratories(原Cygnal)公司生產(chǎn)的一款性能優(yōu)良的USB1.1到UART(TTL電平)橋接芯片CP2101。如下圖所示：圖3.5USB接口電路如圖3.5中USB即為CP2101，可以看出該芯片的外圍電路十分簡單，只需一只電容C22。CP2101的25、26兩個引腳與微控制器的UART接口連接，4、5兩個引腳與微計算機的USB接口的D+、D-進行連接。CP2101兼容USB2.0協(xié)議，可以應(yīng)用于工業(yè)級溫度范圍。芯片一端作為從設(shè)備以全速(FullSpeed：12Mbps)連接到計算機的USB上，芯片另一端是一個具有全部RS-232信號的TTL電平端口，可以通過電平轉(zhuǎn)換把芯片轉(zhuǎn)換成一個標準RS-232串口，也可以直接將該口連接到單片機UART口上（2）RS-232串行接口電路RS-232標準是是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(ElectroniIndustrieAssociation)與BELL公司一起開發(fā)的通信協(xié)議，它適合于數(shù)據(jù)傳輸率在0～20kbps范圍內(nèi)的通信。是目前PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，也被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出的正電平在+5～+15v之間，負電平在-5～-15V之間。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TLL電平，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TLL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點對點(即只用一對收、發(fā)設(shè)備)通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。在本文的設(shè)計中采用RS-232串行接口進行數(shù)據(jù)傳輸。其電路圖如下圖3.6所示。AVR單片機具有全雙工的串行通訊接口，通過它與PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。本設(shè)計采用MAX232芯片實現(xiàn)RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。RS-232串行通訊接口電路如圖3.6所示圖3.6RS-232串行通訊接口電路MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的一種RS-232接口芯片，使用單一電源電壓供電，電源電壓在3.0V～5.5V范圍內(nèi)都可以正常工作，其額定電流為300uA。只需外接四個0.1uF的電容，保證數(shù)據(jù)傳輸速率在120kbps下保持RS-232輸出電平?？梢院芊奖愕赝瓿蒚LL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX232內(nèi)部有一對調(diào)整充電泵，由增壓充電泵產(chǎn)生+5.5V、反向充電泵產(chǎn)生-5.5V的輸出電壓。由于電源電壓可在3.0V～5.5V之間變化，充電泵以間斷方式工作，如輸出電壓低于5.5V，則充電泵工作，如輸出電壓超過5.5V，則充電泵停止工作。每個充電泵需要一個浮動電容(C11，C12)和一個儲存電容(C14，C15)來產(chǎn)生V+、V-電源。其中圖中的TxD0和RxD0與單片機串行發(fā)送口和串行接收口相連，RSTXD0和RSRXD0通過連接器CNl連到PC機COM口的RXD和TXD端。3.2.3電源及穩(wěn)壓電路電源轉(zhuǎn)換：由于系統(tǒng)設(shè)計中AVR工作所需要的電壓為5V，而射頻芯片工作所需要的電壓為3.3V，這就要求對電源進行5V-3.3V的轉(zhuǎn)換，在這里選用的芯片為ASlll7-3.3，電壓轉(zhuǎn)換電路圖如下：當(dāng)接通電源把5V電壓從1腳輸入時，發(fā)光二級管D6開始發(fā)光，而從3腳輸出的電壓即為射頻芯片工作時所需要的3.3V電壓。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3.7所示圖3.7電壓轉(zhuǎn)換電路半導(dǎo)體器件ASlll7是一個低功耗正電壓管理芯片，它的輸出電流為800mA[9]。這個器件在電池電源使用中是一個非常好的選擇，可以作為SCSI總線和筆記本的主要終端，ASlll7可以轉(zhuǎn)換輸出的分別為2.85V、3V、3.3V和5V，本設(shè)計中主要用它輸出3.3V電壓供給射頻芯片TRl000工作。3.2.4指示裝置電路單片機應(yīng)用系統(tǒng)通常采用發(fā)光二極管和蜂鳴器來指示系統(tǒng)的狀態(tài)，它們的驅(qū)動電路比較簡單、易于實現(xiàn)且價格低廉。本系統(tǒng)設(shè)有3個狀態(tài)分為指示發(fā)光二極管和1個蜂鳴器。3個狀態(tài)指示中發(fā)光二極管包括1個電源指示和2個通信指示。電源指示發(fā)光二極管在接通電源的時候常亮，斷開電源熄滅；通信指示發(fā)光二極管在通信接口收、發(fā)數(shù)據(jù)時亮，平時處于熄滅狀態(tài)：蜂鳴器用來報告程序運行時的意外狀況，此外也可通過軟件設(shè)定在讀寫數(shù)據(jù)程序使其發(fā)出聲響。目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)了讓蜂鳴器發(fā)出連續(xù)聲響或者長時間間歇聲響的方法。它的鳴響時間可以通過BUZ端口的低電平時間加以控制。蜂鳴器電路如圖3.8所示圖3.8蜂鳴器電路當(dāng)BUZ端口處于低電平時，三極管導(dǎo)通，這時電壓加在蜂鳴器上，即發(fā)出響聲。對于二極管狀態(tài)指示電路當(dāng)電阻左端處于低電平時，不同的發(fā)光二極管導(dǎo)通，顯示出通訊接口處在數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送狀態(tài)中。如D4發(fā)光則表示讀寫器處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，如D5發(fā)光則表示讀寫器處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。二極管狀態(tài)指示電路如下圖3.9所示圖3.9二極管指示電路3.3射頻收發(fā)電路設(shè)計RFID讀卡器射頻電路部分開發(fā)通常采用芯片廠商提供的RFID專用讀寫芯片，這些專用芯片內(nèi)嵌了對應(yīng)頻段的RFID通信協(xié)議。如13.56MHZ頻段下的TI公司推出的RI-R6C-001A和菲利浦公司推出的MFRC500等[10]。但超高頻頻段目前沒有芯片供應(yīng)商推出專用的RFID射頻讀寫芯片。這就給讀寫器的開發(fā)帶來了一定的難度，也提高了開發(fā)的成本。超高頻頻段射頻讀寫模塊的開發(fā)一般可以采用兩種方案：一是采用搭建射頻電路實現(xiàn)的方法。用搭建的硬件電路實現(xiàn)射頻信號的調(diào)制發(fā)送與解調(diào)接收。二是采用通用無線射頻模塊來完成射頻信號的調(diào)制解調(diào)。本文主要采用第二種設(shè)計方法來實現(xiàn)射頻信號的調(diào)制解調(diào)工作。本文所設(shè)計的射頻收發(fā)模塊主要包括兩部分：OOK射頻發(fā)射電路：ISO／IECl8000-6TypeB協(xié)議規(guī)定由讀卡器到射頻卡端的射頻調(diào)制方式為調(diào)制深度為99％的ASK調(diào)制，也就是可以近似看作為OOK調(diào)制。本文設(shè)計了以TRl000為核心芯片的OOK射頻發(fā)射電路。為了提高系統(tǒng)的輸出功率，以達到更遠的讀寫距離，系統(tǒng)還設(shè)計了以RF2132為核心芯片的功率放大電路。ASK射頻接收電路：ISO/IECl8000-6TypeB協(xié)議規(guī)定由射頻卡到讀卡器端的射頻調(diào)制方式為反向散射調(diào)制。其調(diào)制方式與ASK調(diào)制類似，所以在解調(diào)端可以按照ASK方式解調(diào)。本文設(shè)計了以TRl000為核心芯片的ASK射頻接收電路。3.3.1射頻收發(fā)模塊芯片本設(shè)計中射頻收發(fā)模塊的核心芯片采用RFM公司的TR1000芯片。TRl000是一個單片OOK/ASK通用無線射頻收發(fā)器芯片，適合高穩(wěn)定、小尺寸、低功率、低價格的短距離無線數(shù)據(jù)通信和無線控制應(yīng)用。TRl000芯片具有以下主要特點：①射頻調(diào)制解調(diào)可采用OOK和ASK兩種方式。②同時具有調(diào)制發(fā)送和接收解調(diào)兩種功能。③中心工作頻率為915MHz。④工作電源電壓為3.3V。⑤提供最高可達115.2kbps的基帶速率。⑥接受靈敏度為-95dBm。⑦工作溫度范圍為-50℃至+100"C?？梢娫谡{(diào)制解調(diào)方式、中心工作頻率和基帶速率等方面來講，TRl000符合ISO/IEC18000—6TypeB協(xié)議的要求。表將TR1000各引腳功能介紹如下表3.1：TR1000引腳功能引腳功能1GND1，RFGND2VCC1，發(fā)射機輸出放大器和接收機基帶電路電源3AGCCAP，這個引腳控制AGC復(fù)位4PKDET，峰值檢波器電容5BBOUT，基帶輸出6CMPIN，內(nèi)部數(shù)據(jù)限制器輸出7RXDATA，接收芯片數(shù)據(jù)輸出8TXMOD，發(fā)射機調(diào)制輸出9LPFADJ，接收器低通濾波器帶寬調(diào)節(jié)10GND2，芯片地11RREF，外界基準電阻12THLD2，數(shù)據(jù)限制器2閥值調(diào)節(jié)13THLD1，數(shù)據(jù)限制器2閥值調(diào)節(jié)14PRATE，脈沖上下沿設(shè)置15PWIDTH，脈沖帶寬設(shè)置16VCC2，接收器RF部分與發(fā)射機振蕩器電源17CNTRL1，接受/發(fā)射/睡眠模式控制18CNTRL0，接受/發(fā)射/睡眠模式控制19GND3，芯片地20RFIO，RF輸入輸出本系統(tǒng)以TRl000為主要模塊設(shè)計射頻收發(fā)模塊，可分為射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊兩部分。3.3.2射頻發(fā)射模塊設(shè)計（1）OOK射頻發(fā)射器電路按照ISO/IECl8000-6TypeB協(xié)議要求，射頻信號發(fā)射調(diào)制采用OOK調(diào)制方式，這就要求將TRl000設(shè)置為OOK發(fā)射狀態(tài)，即將SECTRLl管腳設(shè)為“1”，SECTRL0管腳設(shè)為“1”。若兩管腳都設(shè)置為低電平則芯片處于休眠狀態(tài)。其中管腳TXMOD為基帶數(shù)據(jù)調(diào)制輸入管腳，接收微控制器發(fā)出的基帶數(shù)據(jù)信息。管腳TXMOD接有一個串聯(lián)電阻R6，可調(diào)整電阻值對輸出功率進行微調(diào)。下圖為OOK射頻發(fā)射電路原理圖：圖3.10OOK射頻發(fā)射電路（2）功率放大電路由于TRl000是一款低功率、短距離無線射頻通信芯片，其輸出功率有限，讀寫器的讀寫距離和讀卡器發(fā)射功率成正比，也就是說若想提高讀卡器的讀寫距離最有效的方法就是提高讀卡器的輸出功率，是對發(fā)射電路的功率放大。基于以上原因，本文以RFMicroDevice公司的RF2132為核心芯片設(shè)計了功率放大電路。RF2132是一種高功率、高效率的功率放大器，放大信號頻率范圍為800MHz到950MHz，最大可提供29dB的功率增益。功率放大電路如圖所示圖3.11功率放大電路3.3.3射頻接收模塊設(shè)計ISO/IECl8000-6TypeB協(xié)議規(guī)定，應(yīng)答射頻信號采用反向散射調(diào)制技術(shù)。由前述內(nèi)容可知反向散射調(diào)制波形與ASK調(diào)制波形類似，這就要求將TRl000設(shè)置為ASK發(fā)射狀態(tài)，即將SECTRLl管腳設(shè)為“1”，SECTRL0管腳設(shè)為“l(fā)”。若兩管腳都設(shè)置為低電平則芯片處于休眠狀態(tài)。其中管腳RXDATA為基帶數(shù)據(jù)輸出管腳，將解調(diào)出的基帶信息發(fā)送給微控器進行處理。下圖為ASK射頻接收電路原理圖圖3.12ASK射頻接收電路引腳2中，通過RF鐵氧體磁芯L3與電源相連，電源端接一個旁路電容C16，起到保護電源的作用。電容C2和C17使用誤差在±10％范圍內(nèi)的陶瓷電容，連接引腳5和6的電容C19是一個耦合電容，當(dāng)一個外部處理用于AGC時，BBOUT必須用串聯(lián)電容與外部數(shù)據(jù)恢復(fù)處理器和CMPIN相耦合。RXDATA可驅(qū)動一個10pF電容和一個500KΩ電阻的并聯(lián)負載，此管腳峰值電流隨接收機低通濾波器截止頻率增加而增加。在睡眠和發(fā)送模式，管腳成高阻態(tài)，此管腳在高阻態(tài)時，可用一個1000KΩ的上拉電阻或者下拉電阻確定邏輯電平。引腳LPFADJ用接地電阻調(diào)節(jié)接收機低通濾波器帶寬，引腳11RREF與地間接一個阻值為100KΩ的基準電阻，誤差范圍為±1％，如果THLDl和THLD2通過一個阻值小于1.5KΩ的電阻與RREF相連，此節(jié)點的電容加上RREF節(jié)點電容不應(yīng)大于5pF。引腳PRATE電阻接地，tPR1能用51KΩ～2000KΩ的電阻設(shè)置在0.1～5us的范圍。R14阻值的大小R14=404tPR1+10.5，誤差范圍為±5％，有利于以高數(shù)據(jù)速率工作。引腳15PWIDTH，此引腳設(shè)置RFAl的接通脈沖寬度tPW1，由一個接地電阻Rpw實現(xiàn)。TPW1能用一個電阻范圍為200KΩ～390KΩ的電阻在0.55～lus的范圍調(diào)節(jié)。3.3.4系統(tǒng)天線設(shè)計(1)系統(tǒng)天線收發(fā)原理射頻卡與讀卡器之間的數(shù)據(jù)信息交換，是按照一定的通信協(xié)議通過天線系統(tǒng)由電磁設(shè)完成的。這就需要對RFID射頻識別系統(tǒng)的天線收發(fā)原理進行分析。由于本系統(tǒng)屬于超高頻頻段的讀卡器系統(tǒng)，是在微波范圍內(nèi)利用電磁波進行工作的，其工作模式與雷達系統(tǒng)有些類似。對于一個電基本振子天線產(chǎn)生的輻射場分為近場區(qū)和遠場區(qū)。作用距離r<λ(波長)時的輻射場為近場區(qū)。對于近場區(qū)來講，它的電場同靜電場中的電偶極子的電場相似，磁場同恒定磁場中的電流元相似[11]。對于中高頻RFID射頻識別系統(tǒng)來說，射頻卡將在近場區(qū)中對天線的輻射特性產(chǎn)生影響，形成負載調(diào)制，這就是近距離RFID系統(tǒng)的傳輸機理。根據(jù)相關(guān)公式得出近場區(qū)的電場強度和作用距離的三次方成反比，磁場強度與作用距離的