基于15693協議的射頻識別讀卡器的設計

孫杰林，王中訓

(煙臺大學光電信息科學技術學院，山東 煙臺 264005)

隨著科技的不斷發展，人們對現代化需求越來越高，尤其是在電子行業飛速發展的時候，進入21世紀之后，射頻識別產品種類更加豐富，有源電子標簽、無源電子標簽及半無源電子標簽均得到發展，電子標簽成本不斷降低，規模應用行業擴大［1］。射頻識別技術在國外發展非常迅速，射頻識別產品種類繁多。在高速公路收費及智能交通方面，裝有射頻標簽的汽車能被自動識別，無須停車繳費，大大提高了行車速度和效率［2］。在貨物的跟蹤、管理及監控方面，射頻識別技術應用于旅客行李管理，大大提高了分揀效率，降低了出錯率。在智能書架的應用方面，大大提高了閱讀者找書的效率并節省了圖書館管理員大量的工作。

1 系統總體設計

整個系統以射頻收發芯片RC－632為核心，以NXP公司的LPC2138為系統的處理器。利用AMS1117－3.3典型的3.3 V電源芯片為ARM提供電源。讀卡器根據15693協議［3］不斷地發送射頻信號，其中心頻率為13.56 MHz。其系統的整體框圖如圖1所示。

圖1 讀寫器模塊整體框架結構

2 硬件系統設計方案

整個系統以射頻收發芯片RC－632為核心，不斷通過天線向外發射磁場，并接收磁場范圍內標簽返回的信息，通過將返回信息傳送到ARM處理器使其標簽信息顯示。

2.1 射頻收發芯片RC－632部分

RC－632接口電路如圖2所示。

圖2 RC－632接口原理圖

RC－632芯片射頻輸出級通過不平衡阻抗變換器實現雙端輸出至單端輸出的轉換，同時將阻抗轉換為50 Ω，連接至SPDT開關的RFC端。內置天線將阻抗變為50Ω后，連接至SPDT的RF1端。外置天線需將阻抗轉至50 Ω，再經同軸電纜連接至SPDT開關的RF2端。使用《RC500天線匹配計算專用工具》計算內置天線至50 Ω的阻抗匹配電路的參數［4］，即

RC－632芯片的典型輸出功率是200 mW(23 dB)，最大輸出功率為280 mW(24.5 dB)，輸出波形的電壓峰－峰值在10 V以下，為使射頻輸出穩定、可靠，選用耐壓50 V的NPO電容。

2.2 天線切換原理圖

圖3為天線切換原理圖。使用SPDT開關芯片HMC226E切換內置天線與外置天線，或切換兩個外置天線。

圖3 天線切換原理圖

2.3 串口電平轉換

圖4為串口電平轉換電路。通過S3開關切換，實現作為通常連接的串口應用，或ISP串口應用。

對于通信端口的濾波電路，R=100 Ω，C=100 pF，時間常數 τ=RC=100 Ω ×100 pF=10 ns，周期 T=2πτ=63 ns，頻率f==15.9 MHz，對于5 V的TTL信號，要保證高電平大于2.7 V，可以計算出信號頻率應小于13.5 MHz的信號。由于通信速率一般小于1 Mbit/s，因此，該濾波電路對于正常的通信信號衰減很小，不會影響到正常的通信。

圖4 串口電平轉換電路

3 固件總體設計方案

3.1 系統處理命令總流程

圖5為系統固件總體設計方案。系統復位后首先對CPU進行初始化配置，從E2PROM中讀出默認的運行參數，然后系統進入默認的主動工作模式中。

圖5 系統固件總體設計方案

3.2 各模塊描述

3.2.1 BootLoader程序

除完成基本的引導及CPU初始化功能外，其主要負責完成射頻模塊固件程序升級功能。

3.2.2 射頻模塊初始化程序

BootLoader程序模塊執行完后，跳轉到系統初始化程序。系統初始化程序完成ARM單片機的I/O口配置、定時器設置、中斷服務初始化、通信口初始化、系統緩沖區初始化、全局變量初始化等功能［5］。

3.2.3 串口接收數據處理模塊

在這部分模塊中，系統根據通信協議將數據進行解析，然后判斷工作模式，如為主動模式，則判斷是否為系統操作命令，若是則執行，否則應答錯誤，如為被動工作模式則根據解析的指令進行處理。

3.2.4 主動模式標簽檢測模塊

每次主循環執行一次沖突檢測，檢測到標簽后置標簽靜止，并上報上位機。

3.2.5 應答信息處理模塊

按應答類型可分為錯誤應答模塊和正確操作應答兩部分，根據命令的處理結果，完成對上位機的正確或錯誤應答。

4 系統測試

打開串口，設置好串口和波特率，使設備能夠成功與上位機完成通信，打開開始檢測，并將標簽放到讀寫器的天線上方，使天線發射的磁場能量能夠激活標簽，并將標簽內的信息上傳到上位機上并顯示出來。每個標簽都有自己的UID，最后在上位機上顯示能夠讀到的標簽的UID，如圖6所示。

5 小結

隨著科技的不斷發展和物聯網的逐漸實現，射頻識別技術已經迎來了發展的大好時機，成為一個新的經濟增長點。本系統設計的基于15693協議的射頻識別讀卡器，利用市場上較容易買到的元器件和處理器實現讀卡的功能，模塊化較強，條理清晰，本系統可利用性比較強，能夠利用在任何識別13.56 MHz的標簽，由于使用了獨立的射頻收發芯片RC－632，模塊性大大增強，克服了以前讀寫器原理復雜可控性差的問題［6］。

圖6 標簽檢測結果示意圖(截圖)

［1］武文娟，莊建東，陶煜，等.一種適用于RFID閱讀器的新型自動增益調節電路［J］. 電視技術，2011，35(19):58－61.

［2］孫穎，張敬敏，張志佳.一種基于MFRC500的Mifare1卡讀寫器的設計與實現［J］. 微機算計信息，2006，22(5):7－9.

［3］ISO/IEC Final Committee Draft 15693，Identification cards—contactless integrated circuit(s)card［S］.2000.

［4］張沅，周向陽.基于MF—RC500芯片的RFI D讀卡器的設計與實現［J］. 工業控制計算機，2008(21):3－5.

［5］沈安東，於曉明.基于嵌入式以太網的射頻卡讀卡器的設計［J］.蘇州大學學報，2010(12):9－13.

［6］張俊杰，喬誼正.非接觸式IC卡讀寫模塊的應用開發［J］.世界電子元器件，2004(2):44－46.