基于分立元件的低頻RFID閱讀器設計

安　健, 楊麥順, 桂小林

(西安交通大學 電子與信息工程學院, 陜西 西安　710049)

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基于分立元件的低頻RFID閱讀器設計

安健, 楊麥順, 桂小林

(西安交通大學 電子與信息工程學院, 陜西 西安710049)

針對目前的RFID閱讀器一般采用集成讀卡芯片作為基站成本較高,且不利于學生掌握閱讀器工作原理,為了滿足物聯網工程專業實踐教學的改革與創新需要,以物體標識技術為切入點,設計并實現了一種基于分立元件的125 kHz低頻RFID閱讀器系統。該系統主要由載波電路、濾波電路、放大電路、比較整形電路和STM32微控制器組成,能夠支持EM4100型和TK4100型RFID低頻卡讀取,具有低成本、低功耗、便攜式等優點。實驗結果表明,該閱讀器電路結構簡單,通過對電路的分析、測試和理解,學生能掌握RFID閱讀器讀寫原理。

物聯網； RFID閱讀器； 分立元件； STM32微控制器

物聯網工程專業是一門強調多類別知識綜合應用和系統能力培養的新型學科,而實踐教學是其人才培養過程中的核心方法[1]。考慮到現有物聯網實驗教學過程中存在的課程封閉、獨立,內容死板、陳舊等問題,而且已有大部分實驗設備是基于集成度較高的模塊化裝置,學生在使用過程中,更多的是完成一些基礎驗證性項目,對實驗現象和實驗結果產生的基本原理很難透徹掌握[2-3]。這種教學模式一方面將影響學生學習的積極性和創造性,另一方面也不利于學生今后開展實際工作。

本文以西安交通大學物聯網創新實驗室為實踐基地,以“物聯網RFID標識”專題實驗為切入點,通過方案論證、電路設計、電路板制作、程序調試、系統測試等步驟,設計并實現了一種基于分立元件的低頻RFID閱讀器,使學生深入理解和掌握RFID技術原理,進一步提高學生的工程實踐能力和創新意識。

1　低頻RFID閱讀器基本原理

典型的RFID系統是由標簽、閱讀器和后臺服務器組成。通常,閱讀器根據不同的工作頻率在特定區域形成電磁場,射頻標簽基于電感耦合或電磁反向散射的方式與閱讀器進行耦合并交換信息,后臺服務器通過對象名稱解析完成信息解碼并校驗數據的正確性以達到識別的目的[4]。

目前,常用的RFID閱讀器大都基于一體化讀卡芯片作為射頻基站,設備集成度較高,并不利于初學者掌握閱讀器讀卡原理的學習,很難直接應用于實驗教學[5]?；诖?本文采用分立元器件,設計并實現了一種工作在125 kHz頻段的低頻RFID閱讀器,通過對組成結構的遞階式剖析,方便學生在實踐過程中進一步掌握RFID的工作機理。本文設計的分立RFID閱讀器系統框圖見圖1。

圖1　RFID閱讀器系統框圖

低頻RFID閱讀器的工作流程主要包括[6]:

(1) 以射頻的方式向低頻標簽傳送能量；

(2) 從標簽芯片中讀出數據；

(3) 完成數據解碼,還原標簽信息；

(4) 和后臺服務器進行信息交互。

2　硬件設計

本文設計的分立式RFID閱讀器硬件部分主要由載波產生電路、檢波(濾波)電路、放大電路和比較整形電路等組成。

2.1125 kHz載波產生電路

如圖2所示,本閱讀器利用8 MHz晶體振蕩器Y1產生一個8 MHz正弦波,經CD4040分頻器分頻后輸出125 kHz方波信號,經過限流電阻后送入推挽式三極管功率放大器電路,放大后的載波(正弦波)信號發送到由天線和電容組成的諧振回路。諧振頻率為125 kHz,諧振電路的作用是為天線提供盡可能大的電流,使讀卡距離最大化[7]。

圖2　載波產生電路

2.2隔直、檢波、濾波電路

檢波電路的作用是濾除125 kHz載波信號，還原出有用的數據信號。在射頻ID卡靠近線圈時,線圈感應到能量后,調制信號經過濾波后經過包絡檢波電路,解調出包絡波形。經過包絡檢波電路后,獲得的信號為有一定失真的數字信號,仍無法作為數字序列信號輸入給處理器。因此,需要經過濾波、放大,產生無失真的數字信號。電路見圖3。

圖3　檢波、隔直、濾波電路

2.3濾波、放大電路

經過檢波、隔直、濾波后的信號比較弱,而且含有部分高頻分量,不能直接輸入微處理器,還需要經過濾波、放大電路進行處理,電路見圖4。圖中C5是交流反饋元件,對電容而言,頻率越高的信號容抗越小,反饋量越大,放大倍數越小,故起到放大低頻信號、抑制高頻信號的作用。本電路輸出的波形已形成質量較好的方波,用示波器在測試點F可以檢測到方波信號。

圖4　濾波、放大電路

2.4比較整形電路

為獲得質量更好的數字信號,信號經過濾波電路和放大電路后輸入比較整形電路(見圖5),進一步恢復原來的數字序列,可靠還原出原始波形,得到數字ID序列,直接輸入微控制器。交流放大后的信號輸入比較器LM358B的+端。LM358B的-端接一個分壓電路,比較后輸出。通過比較會消除高電平鋸齒紋。

圖5　比較整形電路

2.5微控制器

低頻RFID系統使用的微處理器選用ARM系列STM32103RET6的32位高檔單片機,微控制器選用8 MHz晶振作為系統時鐘。經檢波、濾波放大和整形后的ID卡的序列號輸入微處理器PA0引腳。經過微處理器進行曼徹斯特解碼后,通過串口將卡號上傳至PC機或后臺服務器等應用系統,完成信息的讀取和校驗等功能。

通過以上電路的分析、測試和理解,有利于學生深刻掌握RFID閱讀器的讀卡原理,對后續的學習和實驗會有很大的幫助。

3　軟件設計

3.1EM4100數據存儲格式

本文采用EM4100無線射頻芯片作為RIFD讀卡標簽。它由64位組成,主要包括引導位、數據位、停止位、行偶校驗和列偶校驗等5部分[8]。其中,引導位用于指示一個標簽的開始,其固定格式為9個1,出廠時已固化到芯片內,不可更改；數據位由8位廠商信息和32位可讀寫數據位組成,用于存儲標簽相關指示信息；停止位為1位,用于標志字符傳送的接收；校驗位一般用于判斷所傳輸數據是否正確,由10個行校驗位和4個列校驗位組成。EM4100在向閱讀器傳送信息時,首先傳送9個開始引導位,接著分別傳送由4個數據位和1個行校驗位組成的10組數據串,其次是4個列偶校驗位,最后是停止位。

3.2EM4100數據解碼過程

EM4100射頻卡通常采用曼徹斯特編碼,電平的下降沿表示位數據“1”,電平的上升沿表示數據“0”,電平的跳變時間間隔為1 ps。若傳送數據位中兩個相鄰數據位極性相同,則在其中進行一次“空跳”。在125 kHz的工作頻率下,EM4100每傳送一位的時間周期為64/125 kHz=512 μs。

當射頻卡靠近閱讀器天線時,通過電感耦合方式獲取能量并將經調制、檢波、濾波放大、比較整形后完整的曼徹斯特序列碼輸入上位機中。由曼徹斯特碼編碼規則可知[9],每1位數據分別由半個周期的高電平和低電平組成,基于此,可將64位數據拆分為128位,即數據“0”視為“01”,數據“1”視為“10”。通過2輪完整的64位數據傳輸,可以有效獲取標簽發送的信息,并通過校驗位來確定所發送數據的正確性。具體流程如圖6所示。

圖6　數據解碼流程圖

數據解碼過程如下:

(1) 確定起始位(同步):首先要準確找到數據1,按規則下降沿為1,上升沿為0；如果檢測到一個周期的高電平則可確定找到了數據1,找到1后即可同步,因為EM4100卡最后一位數據0,可作為判斷起始碼的特征。

(2) 數據接收:同步后開始接收引導數據即9個1,這部分軟件由一個循環完成,如果出錯則放棄接收；同步數據接收完后,開始接收數據,數據分11行5列接收,以利于校驗位的判斷,如出現錯誤則放棄所有接收的數據[10]。

(3) 數據解碼:解碼算法必須有足夠的冗余度,使其能夠對包含噪聲的信號進行解碼；本文采用的方法通過設置脈沖寬度來形成比較窗口,只要脈沖落在一定的范圍內就被譯成相應的碼[11]。本系統使用8 MHz時鐘,定時器倍頻為72 MHz,定時為1 μs,位傳送半個周期256 μs,則0.25周期對應的計數值是128 μs；0.75 μs周期對應384 μs；1.25周期對應的計數值是640 μs。為保證足夠的冗余,有效的周期范圍應該是128～384 μs,384～640 μs。

4　結果與討論

本文設計開發的125 kHz的低頻RFID閱讀器實驗板見圖7,它主要有載波形成電路和數據解碼器兩部分組成。

圖7　低頻RFID閱讀器實驗板

4.1載波電路測試

為了方便學生理解信號產生、變換等在不同階段的特征,分別在實驗板上設置了不同的測試點。使用示波器引腳連接圖7中的測試點A點,可觀察8 MHz晶振產生的正弦波波形,波形見圖8。

圖8　8M晶振產生的正弦波波形

用示波器連接圖7中的測試點B點,可觀察有卡時125 kHz載波波形,波形如圖9所示。

圖9　有卡時125KHz載波波形

將射頻卡放置在線圈附近,用示波器測試圖7中的G點波形,觀察并記錄測試ID卡曼徹斯特碼序列波形,正確的波形見圖10，是一串脈沖信號。

圖10　曼徹斯特碼波形

4.2射頻卡信息讀取

使用串口調試軟件ComMonitor,可以進一步驗證射頻卡的數據讀取信息[12]。首先,設置端口、波特率、校驗位、數據位以及停止位等參數信息；然后,將射頻卡放入讀卡原理機線圈附近。如果低頻原理機實驗板識別到ID卡,將向上位機間隔發送7個字節的16進制ID卡號。最后2個字節0D、0A為結束碼,其余5個字節為卡號。只要卡不離開感應區域,閱讀器就會不斷向上位機發送ID卡號。射頻卡讀卡信息如圖11所示。

圖11　射頻卡讀卡信息

5　結語

本文針對現有物聯網實驗教學存在的問題,以“RFID標識”專題實驗為研究切入點,設計并實現了基于分立式元器件的低頻RFID閱讀器。首先,介紹了125 kHz低頻載波信息的產生機理,并分別給出隔直、濾波、放大、整形電路原理圖,詳細說明了信號的產生、分析、轉換等機理；其次,對低頻射頻ID卡的數據格式、編碼原理和解碼過程做出了說明；最后,通過示波器和串口調試工具對本文設計的閱讀器實驗板進行了測試和驗證。通過硬件電路和軟件解碼原理的詳細講解,旨在構建一種開放式、互動式的實驗教學方法,也希望能夠達到拋磚引玉的作用,進一步提高學生的工程實踐能力和科技創新思維。

References)

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[12] 郭勇,何軍.STM32單片機多串口通信仿真測試技術研究[J].無線電工程,2015(8):6-9,42.

Design of low frequency RFID reader based on discrete elements

An Jian, Yang Maishun, Gui Xiaolin

(School of Electronics and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

The current RFID reader with high cost adopts integrated chip as base station,and it is not conductive to master its working principle for students. Additionally,in order to meet the new requirements of education reform and innovation of Internet of things,a 125 kHz low-frequency RFID reader system based on discrete components is designed and implemented which takes the object identification technology as the breakthrough point. The system consists of a carrier circuit,filter circuit,amplifier,comparator shaping circuit and STM32 microcontrollers. It supports EM4100 type low-frequency RFID card to read as well as TK4100 type,and it has the advantages of low cost,low power consumption and portable type. The experimental results show that the circuit structure reader system is simple. Therefore,it contributes to students’ deeper grasp of the reading and writing principle of RFID reader through analysis,testing and understanding of circuit.

Internet of things; RFID reader; discrete elements; STM32 micro controller

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.023

2016-03-31修改日期：2016-05-24

國家自然科學基金項目(61502380);陜西省自然科學基金項目(2014JQ8322);陜西省科技統籌創新工程項目(2013SZS16-K01);中央高?；究蒲袠I務費項目(xjj2014049)

安健(1983—)，男，山西晉中，博士，工程師，主要從事物聯網實驗教學、服務計算與群智計算等方向的研究.

E-mail：anjian@mail.xjtu.edu.cn

TP391.44

A

1002-4956(2016)9-0087-05