【正文】 新的增長點，ＲＦＩＤ技術將與人們的日常生活密不可分。因此，如何保護持有人的隱私安全技術將是在目前和今后發(fā)展ＲＦＩＤ技術十分關注的課題；電子科技大學碩士學位論文第三是多樣性和復雜性：目前國內的應用還處于初級階段，應用效果不好評判。１．３射頻識別技術的標準化協(xié)議簡介一個完整的ＲＦＩＤ系統(tǒng)包括射頻標簽和讀寫器兩個部分，其中射頻標簽用來記錄需要被采集和識別的數(shù)據(jù)信息，而讀寫器負責對標簽上數(shù)據(jù)的讀寫操作。要實現(xiàn)安全、可靠、有效的數(shù)據(jù)通信目的，數(shù)據(jù)通信的雙方必須遵守相互約定的通信協(xié)議。１８０００協(xié)議族由國際標準化組織（ＩＳＯ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｆｏｒＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ）和國際電子技術委員會（ＩＥＣ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）制定，定義所使用的無線通訊頻道和對應的協(xié)議如下：１．ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００一ｌ：標準規(guī)范：ｋＨｚ以下；ＭＨｚ：２．ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００—２：１３５３．ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００—３：１３．５６４．ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００－４：２．４５ＧＨｚ：５．ＩＳＯ／ＩＥＣｌ８０００．６：８６０．９６０６．ＩＳＯ／ＩＥＣ】８０００．７：４３３．９２ＭＨｚ：ＭＨｚ。ＲＦＩＤ適用于不同的產(chǎn)業(yè)（如制造業(yè)、零售業(yè)等）［５－７］。如何系統(tǒng)的開發(fā)一款適合自身應用，同時具有相當通用性的ＲＦＩＤ讀寫器是很多企業(yè)和單位會遇到的問題。３．通過對ＲＦＩＤ讀寫器系統(tǒng)結構的介紹和分析，逐步提出和形成一套完整的具有通用性的ＲＦＩＤ讀寫器系統(tǒng)設計思路。接著構建了一個以Ｓａｍｓｕｎ的ＡＲＭ９芯片￥３Ｃ２４１０為核心的嵌入式硬件平臺，并在此基礎上設計和實現(xiàn)了便攜式低頻ＲＦＩＤ閱讀器的各個功能模塊的硬件電路，編寫了相關驅動和調試程序。６第一章ＲＦＩＤ基本娘坪和ＲＦＩＤ閱讀器系統(tǒng)結構第二章ＲＦＩＤ基本原理和ＲＦＩＤ閱讀器系統(tǒng)結構２１ＲＦＩＤ系統(tǒng)基本原理２１１ＲＦＩＤ系統(tǒng)模型射頻識別系統(tǒng)的基本模型如圖２—１所示籮一圍鬟歸足圖２－ＩＲＥＤ系統(tǒng)模型同稚墾上位機耦臺元件（線圈、微波天線）Ｉ乜予標簽與閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空陽Ｊ（無接觸）耦合、在耦合通道內，根據(jù)叫序哭系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。識別作用距離小于ｌｍ，典型作用距離為１０＇－－－＇２０ｅｒａ。２．１．２編碼和調制ＲＦＩＤ系統(tǒng)的基帶數(shù)字編碼部分通常采用非歸零碼、單極性歸零碼、曼徹斯特碼、密勒碼、改進型密勒碼、差分碼和脈沖間隔編碼（ＰＩＥ）。正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化的調制方式稱為二進制移相鍵控信號。第二章ＲＦＩＤ基本原理和ＲＦＩＤ閱讀器系統(tǒng)結構２．１．３數(shù)據(jù)的完整性與安全性數(shù)據(jù)完整性的主要技術指標為，誤比特率，誤碼率和誤讀率。２．１．４防沖突和反碰撞防碰撞技術是信號識別與處理的關鍵技術之一。早期的識別系統(tǒng)一次只能識別一個卡，而ＲＦＩＤ系統(tǒng)一次可以完成對多個射頻標簽的識別。３．時分多路（ＴＤＭＡ）：通道容量按時間分配，把單位時間劃分為多個時隙，識讀器和應答器在規(guī)定的時隙傳送信息。Ａｌｏｈａ防沖突算法由于延遲時間和檢測時間是隨機分布的，是一種不確定性算法，可分為非時隙、時隙以及自適應Ａｌｏｈａ防沖突算法，其中自適應Ａｌｏｈａ方法的信道利用率最高，它首先對標簽的數(shù)量進行動態(tài)估計，然后根據(jù)一定的優(yōu)化準則，自適應選取延遲時間和幀長，它的優(yōu)點是能顯著提高識別速率，缺點是復雜度明顯提高。ＲＦＩＤ閱讀器間的沖突主要來源于頻率干擾和標簽干擾，解決途徑是采用閱讀器防沖突算法。在實際ＥＴＳＩ標準中，閱讀器在同標簽通信前每隔ｌＯＯｍｓ探測數(shù)據(jù)信道的狀態(tài)，采用載波偵聽方式解決閱讀器沖突。ＲＦＩＤ技術首先在低頻得到廣泛的應用和推廣。該頻段的波長大約為２５００ｍ；２．除了金屬材料影響外，一般能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離；３．工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制；４．低頻產(chǎn)品有不同的封裝形式。如果通過數(shù)據(jù)控制負載電壓的接通和斷開，那么這些數(shù)據(jù)就能夠從感應器傳輸?shù)阶x寫器。電場的能量下降不是很快，但是讀取的區(qū)域不是很好進行定義。ＲＦＩＤ的另一個重要特征是ＲＦＩＤ標簽的供電。另外，ＲＦＩＤ系統(tǒng)還可以按照能否寫入標簽數(shù)據(jù)來分類。一個經(jīng)典的ＲＦＩＤ系統(tǒng)硬件架構如圖２．４所示：１２第二章砒Ｄ基本原理和ＩｕＦⅢ閱讀器系統(tǒng)結構圖２－４ＲＦＩＤ系統(tǒng)硬件架構框圖可以看出，要完整的實現(xiàn)ＲＦＤ閱讀器的功能，一個閱讀器系統(tǒng)至少需要包含四個模塊，即天線、射頻前端、控制模塊和接口部分。２．３．１．１模擬部分根據(jù)閱讀器和標簽之間能量和數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，閱讀器的模擬部分又可以分為電感耦合系統(tǒng)、微波表面波系統(tǒng)和時序系統(tǒng)。對輸入數(shù)據(jù)進行ＡＳＫ或ＦＳＫ調制，變?yōu)椋停幔睿悖瑁澹螅簦澹?、Ｍｉｌｌｅｒ或者ＮＰ，Ｚ碼。２．３．１．２數(shù)字部分從功能上來看，ＲＦＩＤ閱讀器的數(shù)字部分因該是一個完整的數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，必然包括處理器、存儲器、控制端口和數(shù)據(jù)端口這幾個組成部分。設計上，怎樣構建一個ＲＦｌＤ閱讀器的數(shù)字部分，主要取決于與模擬部分的接口匹配問題、處理和控制能力問題以及系統(tǒng)特征和功能上的要求。ＲＦＩＤ閱讀器的軟件，最簡單的可以簡化到只有控制數(shù)據(jù)接收解碼然后傳送給上位機，復雜的可能需要涉及實時控制、顯示、報警、通訊和組網(wǎng)等各種功能。通常的ＲＦＩＤ閱讀器是以單片機、ＡＲＭ等微處理器構成的嵌入式系統(tǒng)。此層面的軟件把上層應用軟件的控制命令下發(fā)到硬件，同時接收發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后上傳給需要數(shù)據(jù)的應用程序。２．４基于不同頻段的ＲＦｌＤ閱讀器設計和實現(xiàn)上的不同點比較由于工作在低頻、高頻和超高頻下的ＲＦＩＤ系統(tǒng)，其耦合方式、數(shù)據(jù)速率、操１６第二章ＲＦＩＤ基本原理和ＲＦＩＤ閱讀器系統(tǒng)結構作距離等方面都有比較顯著的差異，所以在進行不同頻段的ＲＦＩＤ讀寫器的設計時，系統(tǒng)各部分都會存在或多或少的不同，下面分別說明。對于低頻閱讀器，傳統(tǒng)上一般采用繞制的方式，如果須印制在ＰＣＢ上，須占用較多ＰＣＢ信號層和電路板面積。２．數(shù)字部分比較：相較于模擬部分，ＲＦＩＤ閱讀器的數(shù)字部分在對應不同頻率的模擬前端時，其差異要小一些。在設計之前，首先需要對系統(tǒng)進行功能分析，即弄清楚需要實現(xiàn)哪些功能，１７電子科技大學碩士學位論文達到怎樣的指標，這樣，才可能在選擇硬件電路和軟件平臺時有一個明確的標準和方向。另一個方法是使用成熟的模擬前端芯片，并按照其要求設計相應的天線即可。除了處理能力、系統(tǒng)功能和接口方面的考慮，還需要思考的一個問題是開發(fā)環(huán)境的構建，因為無論是何種的硬件構成，都需要一個完整可靠的開發(fā)和調試平臺，在此基礎上才能進行硬件電路的調試以及軟件系統(tǒng)的構建和開發(fā)。在這個過程中，同時可以檢查硬件設計上的錯誤和不足，為修改和完善做準備。本章重點介紹系統(tǒng)級的功能需求和特點分析、方案設計、功能模塊劃分和開發(fā)流程規(guī)劃等總體設計思路方面的內容；第四章會集中詳細介紹硬件電路的設計和相關驅動的開發(fā)；第五章將簡單介紹軟件平臺的構建和驅動及應用程序的開發(fā)。１９電子科技大學碩士學位論文下面針對這兩個特點，對本閱讀器系統(tǒng)的設計作一個整體上的指導思路的規(guī)劃。其次，當閱讀器需要在不同的場所進行使用，便攜式的閱讀器將帶來移動性上的巨大方便。這對電源模塊和系統(tǒng)中工作的各芯片、電路的選擇和設計都有一定的影響。４．其他功能作為一個便攜式的設備，可以移動和隨身攜帶，又有一定的通用性，那么用戶對于閱讀器肯定會有一些其他功能上的要求，使得攜帶這樣一個閱讀器就可以完成相關的所有任務，如：時鐘顯示、計算功能、計時定時等。從這兩個方面來考慮，軟件系統(tǒng)的底層需要操作系統(tǒng)的支持。２．嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。ＡＲＭ是一類嵌入式處理器的簡稱。１９９０年成立了ＡｄｖａｎｃｅｄＲＩＳＣＭａｃｈｉｎｅｓＬｉｍｉｔｅｄ（后來簡稱為ＡＲＭＬｉｍｉｔｅｄ，ＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｔＡＲＭ公司）。ＡＲＭ處理器的三大特點是：耗電少功能強、１６位／３２位雙指令集和眾多合作伙伴。ＣＰＵ功能上增加ＤＳＰ指令集提供增強的１６位和３２位算術運算能力，提高了性能和靈活性。在一片ＡＲＭ處理器基礎上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。３．系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層由實時多任務操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口、網(wǎng)絡系統(tǒng)及通用組件模塊組成。軟硬件的底層結合部分的工作大量在這一階段完成。４．１核心模塊４．１．１ＡＲＭ微處理器芯片選型核心模塊由ＡＲＭ微處理器芯片和儲存器構成，而設計上的第一個重點無疑是ＡＲＭ處理器的選擇。但由于系統(tǒng)沒有如視頻播放等對處理能力要求極高的功能需求，因此基于成本的考慮不需要用到ＡＲＭｌｌ；２．集成的控制和接口單元：本系統(tǒng)必須要用到的控制和接口單元有：ＴＦＴＬＣＤ控制器、ＵＳＢ接口控制器、串口傳輸單元和在線調試接口單元，因此所選ＡＲＭ芯片最好能集成功能需求中會用到的盡量多的控制器和接口單元，這樣可以減少需擴展的接口芯片和控制芯片的數(shù)目。基于上述四點的要求，我們選定Ｓａｍｓｕｎｇ的ＡＲＭ９芯片￥３Ｃ２４１０作為核心處理器，它具有如下特點：首先，其工作頻率高達２６６ＭＨｚ，處理速度快，處理能力強，能夠滿足我們的應用需求。第四，此款芯片具有豐富的ＩＯ和中斷資源：１１７個通用Ｉ／Ｏ、５６個中斷源、２４個外部中斷、支持快速中斷。同時還存在一個３２．７６８ｋＨｚ的晶振為ＲＴＣ提供時鐘，電路連接方式與主時鐘一樣。ｋ１１３１、…ＩｍＲＥＳＥＴ∞１?＿●■＿－ｏ躚ｓ矗Ｉ．＝｝圖４．２￥３Ｃ２４１０的復位電路按鍵產(chǎn)生的復位信號經(jīng)過防抖動的濾波處理后經(jīng)三個非門的緩沖和延遲送到￥３Ｃ２４１０的復位引腳。主存儲器方面，除了ＡＲＭ片內快速ＲＡＭ之外，還需要片外擴展一部分存儲空間供ＡＲＭ能直接２８第四章硬件電路設計及驅動代碼的編寫和調試訪問，用于存放操作系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。本閱讀器設計采用了ＳＤＲＡＭ作為主存儲器外加ＮＡＮＤＦｌａｓｈ作為輔助存儲器的方案：一方面是因為￥３Ｃ２４１０內部集成了ＳＤＲＡＭ控制和芯片選擇邏輯以及ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ控制器，用戶可以直接透明的對全部存儲空間進行操作；另一方面，可供選擇的ＳＤＲＡＭ和ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ產(chǎn)品非常豐富，并且同類產(chǎn)品的引腳分布上具有完全的兼容性，在設計的方便性和芯片的替代性方面具有明顯的優(yōu)勢。４．２．１在設計完成ＡＲＭ微處理器和存儲器構成的核心模塊之后，首先需要實現(xiàn)ＲＦＩＤＥＭ４０９５介紹ＥＭ４０９５是ＥＭＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ公司開發(fā)的一款ＣＭＯＳ集成的應用于１００ｋＨｚ－－－，１５０ｋＦＩｚ頻率的ＲＦＩＤ系統(tǒng)的收發(fā)前端芯片，其工作電壓為５Ｖ，主要完成的工作是：１．載波頻率的天線驅動；２．對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行ＡＭ調制；３．解調天線上感應到的ＡＭ調制信號。４．２．２天線設計４．２．２．１天線和其諧振電路的參數(shù)設計由于所設計的ＲＦＩＤ系統(tǒng)為低頻系統(tǒng)，發(fā)生在讀寫器和標簽之間的耦合方式為電感耦合，所以對其讀寫天線來說，最重要的參數(shù)是頻率、電感量、電阻值和天線Ｑ值。例如，本閱讀器使用天線設計的電感量為１４０１１Ｈ，頻率定在１２５ｋＨｚ，通過公式（４—１）可計算得到ｃｏ的值為１１．５８ｎＦ。我們選定ＣＤｖ，為１００ｐＦ而ＣＤｖ２為ｌｎＦ，代入到公式（４．３）中可以算得Ｃｕｓ的值為１１．５ｎＦ。１．外置式繞制的天線用銅線來繞制天線線圈時，其電感量由公式（４．５）計算得出：Ｌ爿：ＮａｕｏＲｌｎ（罌）ｄ（４．５）Ｎ為天線線圈的匝數(shù)；ＵＯ為磁導率，Ｒ為天線線圈的等效半徑；ｄ為漆包線的直徑。４．２．３ＥＭ４０９５的電路連接和驅動４．２．３．１ＥＭ４０９５的電路連接本設計實際應用的ＥＭ４０９５電路連接如圖４．７所示：３３電子科技大學碩士學位論文圖４．７ＲＦＩＤ模擬前端模塊電路連接從圖中可以看到，本設計中并存了兩塊讀寫天線，由于兩塊天線自身的電感量和電阻值很難保證完全一致，因此需要分別為其匹配諧振參數(shù)。ＥＭ４０９５與ＡＲＭ連接的信號有四個引腳，用于數(shù)據(jù)和時鐘的傳輸以及系統(tǒng)對ＥＭ４０９５的驅動和控制：１．ＤＥＭＯＤ—Ｏ：輸出信號，為ＥＭ４０９５感應到線圈上的ＡＭ信號后經(jīng)過解調后得到的曼徹斯特編碼信號，將之接收并解碼校驗后可得到所讀出的標簽的值。另外，ＥＭ４０９５在收發(fā)天線數(shù)據(jù)時，工作電流比較大，對電源輸入的穩(wěn)定性有較高的要求，在電源輸入部分加入可靠的電源濾波網(wǎng)絡是很有必要的。在微處理器中可以使用定時器配合ＩＯ口的輸出電平變化來實現(xiàn)這個功能。５．置高ＳＨＤ信號，ＥＭ４０９５停止工作。ＡＤＳ環(huán)境下查看所接收到的脈沖寬度的信息如圖４—１１所示：３７０］一２［電子科技大學碩士學位論文＾捌９２０Ｔ一■●ｔｃｈＴａｂ１２６８Ｔａｂ２ＩＴ．ｈ３ｌｔ“‘ＩＰ、２６９２７０２７工ｒＧＰＧＣＯＮ＝ｒＧＰＧＣＯＮｌ（０ｘ０３＜＜２２）；ｒＴＣＦＧＩ＝（Ｓ（（８）‘（－ＯｘＯＦＩＩＯｘ０１；ｒＴＣＦＧ０－２５０：ｒＴＣｌ諍Ｂ０－０ｘ００００ｊ可６；ｃｈ；Ｖａ工ｕｅ日Ｈｔ一【】一【ｌ】０Ｘ００３３縫ｊ．２７２２７３２７４２７５２７６２７７‘ＴＣ礬巾０一１７５００；ｒＴＣＩｆＰＢ２?０ｘ００００；ｒＴＣＮ＇ＴＢ２＝２００００；５Ｙｍ—Ｃｉｔ－ｌ；Ｏｘ００３Ｂ１２】０ｘ００４２一［３】Ｏｘ００３ＤｒＴＣＯⅡｔＣ１＜＜１３ＩＩ（工‘．ｃ１Ｉ；ｒＴＣＯＮ＝Ｃ１＜＜１Ｚ）Ｉ‘１＜＜１５ＩＩ一【４】０ｘ００２２～【５】０ｘ００１Ｄ—ｆ６】～［７】Ｏｘ００４０Ｏｘ００４０２７８２７９Ｚ８０２８１２８２Ｉ盯ｉｎｉｃＣＪ；ＣＫ‘ＯＩＩ‘１《ｃ３＇；ＩＲＯＥｎａｂｌｅＩｌ；Ｄｅｌａｙ，Ｓ（３００）；ｒＧＰＧＤＡＴ＝ｒＧＰＧＤＡＴ＆Ｉ—１０ｘ０３＜＜？｝＇ＩＩＯ