【正文】 .............. 40 軟件測試 ......................................................................................................... 40 本章小節(jié) ......................................................................................................... 42 第 6章 結(jié) 論 ................................................................................................................ 43 致 謝 ................................................................................................................................ 44 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 V 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 45 附錄 A 英文原文 ........................................................................................................... 46 附錄 B 漢語翻譯 ........................................................................................................... 54 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 課題研究背景和意義 射頻識別技術(shù)是 20 世紀(jì) 90 年代開始興起的一種 非接觸方式 的 自動識別技術(shù)， 該技術(shù)主要是 利用射頻信號通過空間耦 合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù) 。 本文給出了一套射頻卡讀寫設(shè)備的詳細(xì)設(shè)計方案。理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 摘 要 射頻識別技術(shù)是 最近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)， 利用射頻信號通過空間耦 合實現(xiàn)無接觸信息傳遞， 達(dá)到識別目的的技術(shù) ， 現(xiàn)己涉及到人們生活的方方面面， 有著廣闊的應(yīng)用前景。設(shè)計內(nèi)容包括硬件和軟件兩大部分，硬件具體的設(shè)計內(nèi)容包括 ： 低功耗射頻讀卡器供電電路設(shè)計、射頻讀寫核心模塊設(shè)計、微控制單元電路設(shè)計、串行通信電路設(shè)計、實時時鐘電路設(shè)計、液晶屏顯示電路設(shè)計和天線及其匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 ； 軟件具體的設(shè)計內(nèi)容包括 ： 上位機(jī)對射頻卡各種功能操作的程序設(shè)計和下位機(jī)對微控制器 MSP430 的單片機(jī)程序設(shè)計。 射頻識別技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù) ，能夠?qū)崿F(xiàn)識別自動化且不易損壞，可識別高速運動并可同時識別多個射頻標(biāo)簽，操作快捷方便； 安全防沖突，射頻卡的序列號是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號固化，不可更改，世界上沒有任何兩張卡的序列號相同； 射頻標(biāo)簽不怕油漬、灰塵污染等惡劣環(huán)境，且可以穿透非金屬物體進(jìn)行識別，抗干擾能力強(qiáng)。所以研究該技術(shù)已成為我國當(dāng)今社會發(fā)展的必然趨勢。在過去 10 年中，關(guān)于 RFID 技術(shù)的專利申請已經(jīng)有 6000 多件。在射頻識別技術(shù)的應(yīng)用方面，歐洲與美國基本處于同一階段。該年十月第一個停車場收費系統(tǒng)在馬來西亞被投入使用。 國內(nèi) RFID 現(xiàn)狀 國內(nèi)由于研究 RFID 比較晚，因而在該領(lǐng)域落后于發(fā)達(dá)國家，特別是 RFID 芯片的設(shè)計生產(chǎn)方面還比較落后。清華同方開發(fā)出的 THR10XX 系列是一套完整的射頻模塊解決方案，己在公交、身份識別等多個領(lǐng)域得到了廣泛的使用。它能對華虹 SHC110X 系列產(chǎn)品進(jìn)行操作，并能對 M1 系列卡片進(jìn)行操作。適用于各類計費系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。 20xx 年 10 月 863 計劃投入經(jīng)費一億兩千八百萬人民幣用于 ―射頻識別技術(shù)與應(yīng)用 ‖。本文共六章，組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章是緒論， 闡述了本課題的研究背景與意義、國內(nèi)外研究動態(tài)、以及課題研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)。 第五章對整個課題工作作出總結(jié)。 可靠性高、壽命長 卡與讀寫器之間無機(jī)械接觸，故不存在接觸式 IC 卡讀寫時出現(xiàn)的各種故障。 一卡多用 用戶可以根據(jù)需要靈活定義各存儲扇區(qū)的密碼和訪問條件，以便互不影響地分別滿足不同場合 、不同用途的要求。 發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo) 簽之間的射頻信號的耦合 類型有兩種： 電感 耦合。 射頻識別系統(tǒng)組成 射頻識別系統(tǒng)一般由以下三部分組成 ： 讀卡器 （ Reader） 一臺典型的讀卡器應(yīng)包含射頻信號發(fā)射單元器、高頻接收單元和控制單元。傳送到應(yīng)答器中去的數(shù)據(jù)通過發(fā)送器分支，而來自于應(yīng)答器的數(shù)據(jù)通過接收器分支來接收。加密邏輯過程，如應(yīng)答器與閱讀器之間的加密、還有信號編碼，常常是交由附加的理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 ASIC 組件來完成的，以減輕處理器計算密集型過程的負(fù)擔(dān)。作為通信協(xié)議使用的是各不相同的、常常是自定義的協(xié)議。此外，標(biāo)簽中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 數(shù)據(jù)塊可作兩種應(yīng)用： （ 1）用作一般的數(shù)據(jù)保存，可以進(jìn)行讀、寫操作。存取控制為 4 個字節(jié)，共 32 位，扇區(qū)中的每個塊（包括數(shù)據(jù)塊和控制塊）理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的。 射 頻識別系統(tǒng)分類 根據(jù)射頻識別系統(tǒng)的不同特點，射頻識別系統(tǒng)有多種分類方法，根據(jù)工作頻率劃分，有低頻、中頻、高頻 ； 根據(jù)存儲器是否可寫，可分為只讀型和可讀寫型 ； 根據(jù)讀卡器和應(yīng)答器誰先發(fā)送信息，可分為 TTF 型和 RTF 型 ； 另外根據(jù)應(yīng)答器內(nèi)是否內(nèi)置電源可分為有源型和無源型。在 UHF 頻段 （ 869MHz 和 902928MHz ） ，系統(tǒng)的識別距離遠(yuǎn)，可從幾米到幾十米。 按讀卡器和應(yīng)答器誰先發(fā)送信息分類 RTF （ Reader Talks First，讀卡器先發(fā)言 ） 和 TTF （ Tag Talks First，標(biāo)簽先發(fā)言 ）是兩種讀卡器抗沖突協(xié)議方式。因此，更適于工業(yè)環(huán)境的跟蹤和追蹤應(yīng)用。缺點是讀卡器要發(fā)射更大的射頻功率，識別距離相對較近等。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 射頻識別系統(tǒng)中信號的 編碼 與 調(diào)制 圖 是一個典型的數(shù)字通信系統(tǒng)模型，與數(shù)字通信系統(tǒng)相類似，射頻識別系統(tǒng)中閱讀器和應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)傳輸，需要三個主要的功能塊 :按從閱讀器到應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸方向，它們是閱讀器 （ 發(fā)送器 ） 中的信號編碼 （ 信號處理 ） 和調(diào)制器 （ 載波信號處理電路 ） 、傳輸介質(zhì) （ 信道 ） 、以及應(yīng)答器 （ 接收器 ） 中的解調(diào)器 （ 載波回路 ） 和信號譯碼（ 信號處理 ） 。傳輸介質(zhì) （ 信道 ） 把信息傳輸過一段預(yù)定的距離，射頻識別系統(tǒng)中采用的傳輸介質(zhì)是磁場 （ 電感禍合 ） 或電磁波 （ 微波 ） 。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 在為射頻識別系統(tǒng)挑選合適的信號編碼系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)考慮每種編碼的邊界條件，最重要的是調(diào)制后的信號頻譜，以及對傳輸故障的敏感度。未經(jīng)過調(diào)制的電磁波被稱作載波，調(diào)制的載波可以分為兩大類 ： 用正弦信號作為載波和用脈沖或一組數(shù)字信號作為載波。射頻識別系統(tǒng)中常常采用 的調(diào)制方法 也就是這三種?？梢赃x擇振幅鍵控 （ ASK ） 、頻移鍵控 （ FSK） 或相移鍵控 （ PSK） 調(diào)制作為副載波調(diào)制方法。真實的信息隨著基帶編碼的數(shù)據(jù)流對副載波的調(diào)制被傳輸?shù)絻蓷l副載波譜線的邊帶中。 對于 RFID 系統(tǒng)，由于信息碼元序列是一種隨機(jī)序列接收端無法預(yù)知也無法識別其中有無錯碼。 奇偶校驗 奇偶校驗是一種很簡單的而廣泛使用的校驗和法。 奇校驗是在每字節(jié)后增加一個附加位，使得 ―1‖的總數(shù)為奇數(shù)。偶檢驗時，校驗 位按如下規(guī)則設(shè)定 ： 如果每字節(jié)的數(shù)據(jù)位中 ―1‖的個數(shù)為奇數(shù)，則校驗位為 ―1；若為偶數(shù)，則校驗位為 ―0。 然而，奇偶校驗法并不是一種安全的校驗方法，其識別錯誤的能力較低。把一個數(shù)據(jù)塊的所有數(shù)據(jù)字節(jié)遞歸經(jīng) XOR 選通后即可產(chǎn)生 XOR 校驗和。 然而 LCR 并不很可靠，多個錯誤能相互抵消，在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)字節(jié)順序的互換根本識別不出來。 CRC 法的工作原理 :循環(huán)冗余碼校驗法是一種復(fù)雜的校驗方法，它不產(chǎn)生奇偶校驗碼， 而是將整個數(shù)據(jù)塊當(dāng)成一個連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù) M（ x） ，在發(fā)送時將多項式 M（ x）用另一個多項式 （ 被稱為生成多項式 G（ x）） 來除，然后利用余數(shù)進(jìn)行校驗。實際應(yīng)用時，發(fā)送裝置計算出 CRG 校驗碼。當(dāng)在讀寫器的天線區(qū)域中有多個射頻卡到達(dá)時，因為它們可能同時發(fā)送信號，將會產(chǎn)生信道爭用的問題，信號互相干擾，即發(fā)生了碰撞。如果有多個射頻卡同時位于一個讀寫器的可讀范圍內(nèi)，在信道共用、信號頻率相同的情況下，多個射頻卡同時將信號送入一個讀寫器的讀通道會產(chǎn)生信道爭用，各信號之間互相干擾，產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，從而造成讀寫器和射頻卡之間的通信失敗。目前的算法基本上分為兩種不確定性和確定性算法，分別是基于 ALOHA 算法和二進(jìn)制搜索算法。 時隙 ALOHA 算法 時隙 ALOHA 算法是 ALOHA 算法的改進(jìn)，它在 ALOHA 算法的基礎(chǔ)上把時間分成多個離散時隙，并且每個時隙長度要大于射頻卡回復(fù)的數(shù)據(jù)長度，射頻卡只能在每個時理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，每個時隙存在下面 3 種情況 無射頻卡響應(yīng) :在此時隙內(nèi)沒有射頻卡發(fā)送。這樣射頻卡或成功發(fā)送或完全沖突，避免了 ALOHA 法的部分沖突，使沖突周期減半為 T0。 一個幀包含多個時隙，每個時隙的長度要足夠讓一個射頻卡回答完，具體時間由讀寫器定義。當(dāng)在一個時隙中有多個射頻卡回答時，發(fā)生沖突，需要重新開始讀取過程。射頻卡應(yīng)答的序列號N~x 各位也不包括給讀寫器的補(bǔ)充信息，也不需要傳輸。 串行通信電路微控制器電路時 鐘 電 路R C 5 3 1 核 心 模 塊液 晶 顯 示 電 路天 線 圖 射頻讀卡器硬件結(jié)構(gòu)圖 供電電路設(shè)計 在許多實際應(yīng)用場合，需要使用低功耗的射頻讀卡器，如用饋線供電的公用電話機(jī)、便攜式讀卡器等。利用超級電 容存儲能量，在需要時瞬間提供大電流，就是本設(shè)計低功耗解決方案的思路。當(dāng)射頻模塊不使用時，可以將其關(guān)掉。 核心模塊電路設(shè)計 本設(shè)計射頻讀寫核心模塊選取的是 PHILIPS 公司生產(chǎn)的高集成 度射頻芯片 RC531。 振蕩器電路設(shè)計 振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號用于在同步時序電路中，提供給 RC531 的時鐘作為編碼和解碼的時基。本設(shè)計我們我們直接使用內(nèi)部時鐘振蕩器，只需外接一個 的晶振和 兩個 15pF 的 電容即可。通過并口連接即可由單片機(jī)方便的對 RC531 進(jìn)行控制。國際 EMC 規(guī)則規(guī)定了在一個寬頻范圍內(nèi)發(fā)射能量的大理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 小，因此，必須要有一個合適的濾波器過濾輸出信號以滿足此規(guī)定。電感的電感量應(yīng)選取 ， 177。 RC531 的內(nèi)部接收電路利用卡的回應(yīng)信號在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一原理來進(jìn)行工作。5%） 、 R16（ 選取 820Ω177。 該模塊的電路由于涉及到射 頻信號，發(fā)送和接收信號的頻率都達(dá)到了 ，而且還有高次諧波往外發(fā)射，因而其 PCB 設(shè)計要尤為注意，首先 TGND 和 DGND 要分開接地，并且接地線應(yīng)該具有高導(dǎo)電特性，且應(yīng)愈短愈粗愈好，這樣可以比較有效的避免射頻發(fā)射信號對單片機(jī)控制信號的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。 布線要注意信號線近距離平行走線所引入的 ―交叉干擾 ‖， 若無法避免平行分布，可在平行信號線的反面布置大面積 ―地 ‖來大幅度減少干擾。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 MSP430單片機(jī)的特點 MSP430 系列是一個 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，在1996 問世，由于它具有極低的 功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。 MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。因而可使其在 1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在 200～400uA 左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位 ； 模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出 A/D 轉(zhuǎn)換器 ； 16 位定時器 （ Timer_A 和Timer_B） 具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 PWM 等 ； 有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用 ； 具有較多的 I/O 端口，最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線 ； P0、 P P2 端口能夠接