【文章內容簡介】 接收發(fā)來的數(shù)據與保存。整個系統(tǒng)的原理圖為： M C U M F R C 5 0 0 M 1卡 圖 21射頻系統(tǒng)原理圖 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 7 射頻芯片的內部結構介紹 下圖給出了射頻芯片的內部電路中，我們在設計的時候需要實際操作的并不多，主要是 FIFO 寄存器、控制寄存器、命令寄存器、 E2PROM、 Crypto1 加密模塊、可編程定時器以及中斷控制。 FIFO 寄存器有 64 個字節(jié)，在與射頻卡通信的時候，所有的發(fā)送的數(shù)據都必須先送到 該寄存器，而卡的返回值也是先送到 FIFO 中，然后我們才通過控制 MCU 對其讀取；控制寄存器在我們進行實物調試的過程中也是相當重要的，可通過對一些寄存器寫入控制字，讓該芯片內部自行產生一個標準信號送出來，檢測該信號就可以判斷出電路是否正確，也可通過查詢于一些控制寄存器，用于判斷某些操作過程是否已完成（例如對 E2PROM 的編程是否完成等）；命令寄存器主 要是寫入一些命令碼，用于控制射頻芯片的動作； E2PROM 中存放著出廠的時候寫入的一些數(shù)據（設備號以及初始化文件），閱讀器在與卡通信前所需的密鑰也是寫進 E2PROM 中 的；Crypto1 加密模塊可以說是芯片的核心部分，系統(tǒng)的三重驗證就是通過這個模塊來完成的，它關系到數(shù)據的安全 [3]。 但是該部分各個公司做的都不一樣，屬于核心機密，不 對外公開；可編程定時器和中斷控制的使用類似與單片機 ，定時器可用于看門狗、監(jiān)視等模塊的設計，中斷可以根據設計者的實際需要進行設置。該芯片還提供了有效的調制解調電路，用于同一標準的射頻卡信號。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 8 狀 態(tài) 機命 令 寄 存 器可 編 程 定 時 器中 斷 控 制并 串 轉 換校 驗 位 c r c 產 生 和 校 驗幀 產 生 和 校 驗位 編 碼位 解 碼串 行 數(shù) 據 切 換調 制電 路3 2 * 1 6 字 節(jié)E P R O M訪 問控 制電 壓 檢 測 與p o nR e s e t 控 制振 蕩 器（ 1 3 . 5 6 M h z ）電 源 上 電檢 測驅 動 電 路并 行 接 口 控 制 電 路F I F O控 制 寄 存 器 B a n k密 鑰 緩 存 器C r y p t o l 加 密3 2 位 偽 隨 機 碼 產 生基 準 電 壓模 擬 調 試多 路 器解 調 器 （ 載 波 與副 載 波 解 調 器低 功 耗控 制N W R N R D N C S A L E D O ? ? . D 7V M I D A U X R X T V S S T X 1 T X 2 T V D D A V S SD V D DP S T P DI R Q圖 21 RC500內部結構框 方案分析與選擇 各方案的列舉 在世界范圍內，隨 著射頻技術的發(fā)展及逐步推廣，特別是在全球物流和商品供應鏈方面的應用；而且采用射頻技術的企業(yè)方面也會以自己的實際需要和考慮該技術是否能給其帶來實惠作為選擇的標準。所以單一的頻率已遠遠不能滿足客戶的要求，相反還會因為其對應的解決方案沒有市場，不成熟或不被客戶所接收從而阻礙了射頻技術的進一步發(fā)展。 針對單一頻率的射頻技術不能滿足目前以及潛在的市場，射頻技術行業(yè)主要在三個頻段上做出了對應的開發(fā)改進，這個三個頻段分為：低頻（ 125～ 134KHz）、高 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 9 頻（ ）、超高頻（ 860～ 960MHz）。我們對各個頻 段的選擇，主要是依據對應于該頻段下的電磁波的傳輸特性，這不僅僅是因為電磁波的傳輸特性決定了讀卡系統(tǒng)的工作原理（電感耦合和電磁耦合），還決定了射頻識別的距離以及相應讀卡器的制作難度和成本的高低問題。 下面我將對工作于不同頻段的讀卡系統(tǒng)的特性做出一些分析討論。 （ 1）低頻段 射頻技術低頻段的感應器的工作能量是通過電感耦合的方式從閱讀器的耦合線圈的輻射近場中獲得的。雖然該頻率下的磁場區(qū)分布比較均勻，但是場強下降的很快，所以識別距離很小，一般都在 以下。 該頻段的特性為： 低頻率讀寫器的功耗很低； 低頻段射頻 識別系統(tǒng)的性能不會隨著環(huán)境的變化而變化； 除了金屬材料以外，可以穿透任意材料而讀取距離不會發(fā)生顯著變化，所以對應的射頻卡可以用在含有水分較多的物品上（例如水果等）； 該工作頻率不會受到無線電的頻率管制和約束； 該頻段下典型的應用主要是動物識別、門禁、數(shù)據采集系統(tǒng)等。 對于低頻段讀卡器的設計，目前采用得最多的基站芯片是 U2270B 和 EM4095。兩者的區(qū)別為： EM4095 的外圍電路比 U2270B 的要簡單得多； U2270B 相對于 EM4095 來說，其穩(wěn)定性較差，受供電電源的影響較大，電源的紋波略大就很容易產 生干擾，所以利用這可芯片進行開發(fā)時，應采用獨立的電源芯片對其供電。而由于 EM4095 內部有鎖相環(huán)，電源波動影響較??； EM4095產生休眠的控制方式簡單 ,而 U2270B要進入休眠狀態(tài)則要求關斷腳高于6V； EM4095 可以讀取大多數(shù)的低頻卡。 由于以上兩款芯片內部沒有調試解調電路，所以在進行數(shù)據調制和解調的時候，應該特別注意。數(shù)據寫入射頻卡的時候，一般由數(shù)據的“ 0”和“ 1”控制振蕩器的起振和停振，并由天線產生帶有間歇的射頻場，不同的寬度分別代表“ 0”和“ 1”，這樣就完成了將基站芯片發(fā)射的數(shù)據寫入射頻卡的過程 。至于解調部分，則必須由 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 10 微處理器來完成，這就是它們的不足之處。 （ 2）高頻段 工作在該頻段下的感應器的外圍天線不需要再利用線圈進行繞制，可以通過腐蝕 PCB 板的方式進行制作。感應器一般是通過負載調制的方式工作的，也就是說通過感應器上負載的接通和斷開來促使閱讀器天線上的電壓發(fā)生變化，從而是實現(xiàn)利用遠距離感應器對天線電壓進行振幅調制。該頻段下的感應器獲取能量的方式和低頻段的一樣，都是通過電感耦合的方式從閱讀器的耦合線圈的輻射近場中獲得的。閱讀器的識別距離一般是 1m 以下。 該頻段的特性為： 除了金屬材料以外，可以穿 透大多數(shù)的材料，但是讀取距離往往都會降低，且感應器與金屬材料的物品要有一段距離； 該頻段在全球都得到認可，并沒有甚么特殊的限制； 該系統(tǒng)具有防碰撞處理部分，可以讀取多個射頻卡； 傳輸速度較快，而且價格不是很高。 該頻段下典型的應用為公交電子身份證、收費、門禁、票證、資產管理等。 在高頻這一塊，目前國內所采用的主流芯片是 Philips（ NXP）的 RC5XX 系列、上海復旦的 FM17XX 系列以及 EM4094： 基于 FM17XX 系列的讀寫器 由于該系列是寬電壓產品，工作電壓可以適用范圍為 3～ ，所以當電壓過低 的時候（一般指 3V 以下）有可能出現(xiàn)讀卡不成功的情況（有就是我們經常所說的盲區(qū)），雖說這和天線的設計也有著很大的關系，但是和芯片本身卻存在著更大的關系。 FM17XX 可以讀上海地區(qū)標準的非接觸式卡片并且可以兼容 RC5XX 系列，其本身的價格一般是進口芯片的 70％。 從總體上來說，基于 FM17XX 系列的讀卡器開發(fā)同 RC5XX 系列的讀卡器開發(fā)不管是在硬件電路發(fā)面，還是在軟件設計方面，都基本上相同。要說區(qū)別，就是射頻芯片的外圍電路了。如果將本來是 RC5XX 的外圍電路作為 FM17XX 的外圍電路，那就有可能使開發(fā)出來的讀卡 器產生盲區(qū)；反過來將 FM17XX 系列的外圍電路作為 RC5XX系列的外圍電路，也有可能產生類似的情況。至于這個問題，想要解決也是蠻簡單的。外圍的電路構架不變，只需將相應的元器件的值改變就可以了，如果采用適當?shù)脑骷?，也可以解決 FM17XX 系列的盲區(qū)問題。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 11 基于 EM4094 的讀寫器 該芯片和 RC500，都可以讀 Mifare1 卡，但是由于 RC500 和 Mifare1 卡都是Philips 公司生產的，所以 RC500 能通過三重驗證讀寫 Mifare1 卡，而 EM4094 卻不行。而它的優(yōu)點就是能讀 Sony 卡，這是 RC5XX 系 列無法辦到的；其價格比之 RC5XX系列也比較低。該款芯片還有一個非常有用的引腳 —— EN 引腳，其作用是使能或關閉射頻芯片。該引腳可有 MCU 進行控制，當 EN 引腳為低電平時，射頻芯片進入睡眠模式，這樣可以大大降低射頻芯片的功耗，對提高電池的使用壽命也特別有用。 基于 RC5XX 系列的讀寫器 較之以上兩款芯片，其總體性能都有所提高，主要是功耗和一致性好，使用也比較方便，代碼容易維護，讀卡速度快；且在安全性能方面得到了很大的提高。 另外， RC500 芯片內部發(fā)送器不需要增加有源電路就可以直接驅動外圍的天線，提供了比較可靠 的調制 /解調電路，用于與 ISO14443A 標準兼容的射頻卡，并且支持Crypto1 加密算法。 RC500 芯片提供了 8 位的并行接口，可以直接連接到 MCU 上，這就為用戶的開發(fā)設計提供了很大的靈活性。 （ 3）超高頻段 在該頻段下工作是，感應器位于閱讀器天線輻射場的遠場內，感應器與閱讀器的耦合方式為電磁耦合。感應器的工作能量從閱讀器天線的輻射場中獲得。由于閱讀器的天線采用的是定向的方式，所以閱讀器的讀取區(qū)域很難判斷。讀取距離一般為 2～ 5m。 該頻段的特性為： 超高頻段的電磁波不能通過很多材料，特別是灰塵、霧等懸浮顆粒 ； 讀取數(shù)據的速度很快，可以在很短的時間內讀取很多的射頻卡； 該系統(tǒng)的天線設計方面有兩種方法：有線型和圓極化，可以根據實際需要進行選擇。 該頻段下典型的應用為物流、產品供應鏈、行李等。 各方案的比較討論 （ 1）低頻段與高頻段的比較 從系統(tǒng)外圍電路設計的角度看，低頻段對外圍元件值不怎么敏感，只要元件取值的誤差控制在一定范圍內，讀卡器的讀取距離不會受到很大的影響；而工作于高 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 12 頻段射頻識別系統(tǒng)對外圍電路的設計要求很高，元件的取值必須很精確，否則對讀卡器的性能會有很大的影響； 在傳輸數(shù)據的時候，高頻段比低 頻段的安全性能要高，因為高頻段的數(shù)據傳輸速度比低頻段的高很多，并且其中夾雜著認證信息和加密信息，外部即使截取工作于低頻段的讀卡器一般都只具有讀卡功能，寫卡則需要專門的寫卡設備；而高頻段的讀卡器具有讀 /寫的功能； 低頻段的一般具有防碰撞模塊，而高頻段有； 低頻段的射頻芯片一般不具有調制解調模塊，而高頻段有； 由于低頻段可利用的頻帶較窄，傳輸速度慢，信噪比低，所以發(fā)送的信號容易受到干擾；而高頻段則相反。 （ 2）高頻段與超高頻段的比較 相對與超高頻段來說 ,高頻段的射頻卡價格較低 ,整個系統(tǒng)的功耗也比超頻段的低，抗液 體和金屬的干擾能力較強； 由于高頻段的讀卡距離比超高頻段的要短很多，所以數(shù)據的傳輸安全性能也比超高頻段的要高； 超高頻段的射頻卡是位于閱讀器天線輻射場的遠場內，系統(tǒng)在進行數(shù)據傳輸?shù)臅r候很可能因為外面電磁波的干擾，從而導致傳輸數(shù)據的丟失或者發(fā)生錯誤；也就是說超高頻段的讀卡準確性沒有高頻段的好； 目前， 的高頻波段是世界范圍內有效的高頻波段，且其功率也在世界的范圍內得到了統(tǒng)一，這就相當于為該波段的射頻識別技術在全球的推廣打下了堅實的基礎；而超高頻段的標準就不那么統(tǒng)一了，甚至還會有一些限制，從而導致不同地區(qū)超高頻射頻識別系統(tǒng)的不一致（例如美國和歐洲）；而有些國家都沒有給出超高頻段的頻率范圍，這阻礙了該技術的發(fā)展推廣； 經過多年的發(fā)展，高頻段的射頻識別技術也已趨于成熟，各種解決方案也受到了客戶的認可；而超高頻段射頻識別技術還需作進一步完善。 通過以上的分析，并沒有十全十美的東西，只有不斷的完善，而且關鍵在于如何去設計一個比較科學的系統(tǒng)，在性能和價格上取得一個比較高的性價比才是我們的目標?？紤]到高頻段的射頻識別系統(tǒng)在國內的發(fā)展已經很成熟，且在性能和價格方面也是最佳的選擇，所以本項目采用了 MFRC500 射 頻芯片來設計 RFID 讀卡器。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 13 芯片選擇及介紹 通過上述分析，已經確立采用高頻波段的射頻系統(tǒng)的方案，射頻芯片采用 philips公司的 MFRC500，單片機芯片選擇 ATMEL 公司的 ATMEGA16 下面就此兩款芯片做簡單介紹。 ATMEGA16 單片機介紹 （ 1）概述 ATmega16 是基于增強的 AVR RISC 結構的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，