【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 件調(diào)試，最終完成讀寫器的設(shè)計(jì)。 研究框架 本文有五章組成，第一章是緒論，介紹課題研究的背景、研究目的 和意義、研究?jī)?nèi)容、研究方法以及研究框架；第二章是系統(tǒng)組件原理，介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖以及各個(gè)組件的理論基礎(chǔ)知識(shí)；第三章是介紹非接觸式 IC 卡，主要講解 IC 卡的特點(diǎn)等相關(guān)內(nèi)容；第四章是讀寫器硬件電路設(shè)計(jì)，主要講解了芯片的選擇以及各模塊的電路接口；第五章是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，介紹了主程序流程圖和按鍵程序以及射頻讀寫模塊程序流程圖。 4 2 RFID 系統(tǒng)組件原理 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)可以有圖 1 來表示： 圖 1 射頻識(shí)別系統(tǒng) 正如已經(jīng)提到的，閱讀器和標(biāo)簽組成一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)，其中，閱讀器主要組成部件有接口電路 、控制模塊、通信模塊和天線；射頻卡（標(biāo)簽）主要部件有天線、電源、存儲(chǔ)器、功能模塊。除了這些，完成射頻識(shí)別的正常功能還需要中間件和外部計(jì)算機(jī)以及其他輔助設(shè)備等。 閱讀器理論基礎(chǔ) 閱讀器的功能 閱讀器是連接應(yīng)用層和 RFID 標(biāo)簽的橋梁，它以發(fā)射電磁波的形式為標(biāo)簽工作提供能量來源。一般來說，在射頻識(shí)別系統(tǒng)中閱讀器主要提供以下功能： （ 1） 提供能量給射頻標(biāo)簽，使標(biāo)簽正常工作； （ 2） 閱讀器能夠與中間件進(jìn)行通信； 5 （ 3） 閱讀器對(duì)通信過程進(jìn)行加密，判別真假標(biāo)簽，防止通信過程中的數(shù)據(jù)被竊取和篡改，保證通信安全； （ 4） 閱讀器 可以連接外部傳感器節(jié)點(diǎn)和控制電路； （ 5） 多天線的管理，如使用天線調(diào)制 [5]； 閱讀器的工作頻率 閱讀器工作頻率越高，可識(shí)別標(biāo)簽的最遠(yuǎn)距離越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速率也越高，對(duì)障礙物也越敏感。按照工作頻率不同，可以將閱讀器分為低頻閱讀器、高頻閱讀器、超高頻閱讀器和特高頻閱讀器。 表 1 為從中國(guó)無線電頻率分布表中選取的與 RFID 相關(guān)的頻段 [6] 表 1 低頻閱讀器和高頻閱讀器通常使用電感耦合的工作方式，工作距離一般小于一米，在我國(guó)，高頻閱讀器、高頻射頻標(biāo)簽基本都是使用 這一頻段的，例如我國(guó)居民二代身份 證、學(xué)校學(xué)生使用的校園卡等等。 6 射頻標(biāo)簽理論基礎(chǔ) 射頻標(biāo)簽的功能 在 RFID 系統(tǒng)中，射頻標(biāo)簽的數(shù)量要遠(yuǎn)多于閱讀器數(shù)量，是系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)載體，閱讀器的各項(xiàng)指標(biāo)都要考慮到標(biāo)簽的特點(diǎn)。所以，在射頻識(shí)別系統(tǒng)中標(biāo)簽的作用是無可替代的。一般來說，可以將標(biāo)簽的功能歸納為以下幾點(diǎn)： （ 1） 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存和物品相關(guān)信息如標(biāo)識(shí)符、生產(chǎn)日期等等，這是標(biāo)簽最為主要的功能 （ 2） 非接觸式讀寫，可以在一定的距離內(nèi)被閱讀器識(shí)別 （ 3） 標(biāo)簽可以從閱讀器發(fā)射的電磁場(chǎng)中獲取能量來保證自己的工作狀態(tài) （ 4） 安全加密，通過一定的安全協(xié)議來維持標(biāo)簽與閱 讀器之間的安全通信 射頻標(biāo)簽的分類 按照能量的獲取途徑的不同可以將標(biāo)簽劃分成有源和無源及半無源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽不依靠反射電磁波，它自身攜帶有電源，可以主動(dòng)地發(fā)送數(shù)據(jù)。它存儲(chǔ)容量較大，工作距離可以高達(dá)幾十米甚至上百米，可以應(yīng)用在貴重資產(chǎn)的管理上。缺點(diǎn)是功能復(fù)雜，價(jià)格昂貴。無源標(biāo)簽自身沒有能量來源，它依靠反射閱讀器發(fā)送的電磁波來獲取工作的電能。通過反射獲得的能量非常有限，所以無源標(biāo)簽的通信距離非常短，通常只有幾米，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也很小，它主要應(yīng)用于物品統(tǒng)計(jì)、跟蹤以及醫(yī)療、防盜等領(lǐng)域。無源標(biāo)簽不需要攜帶電 池、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以在某些場(chǎng)合非常實(shí)用。有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽各有所長(zhǎng)也各有劣勢(shì)，所以可以相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。半無源標(biāo)簽就是它們結(jié)合的產(chǎn)物，這種標(biāo)簽的集成電路板上也帶有電池，但只是一種輔助性的能量來源，半無源標(biāo)簽通過吸收閱讀器發(fā)射的電磁波的能量來喚醒芯片進(jìn)行工作傳輸數(shù)據(jù)，只有當(dāng)標(biāo)簽吸收的能量不足以完成工作時(shí)才會(huì)由電池提供能量 [7]。 RFID 的標(biāo)簽 無源標(biāo)簽的能量就是通過天線產(chǎn)生電磁波來提供的，這使的讀寫器和電子標(biāo)簽之間能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸的傳送數(shù)據(jù)信息。天線是使用 LC 諧振電路制成，具體參 7 數(shù)則是 通過射頻識(shí)別系統(tǒng)的載波頻率來確定。天線設(shè)計(jì)的好壞 將對(duì)無線識(shí)別距離產(chǎn)生重要 影響 。 RFID 的標(biāo)簽識(shí)別協(xié)議 RFID 防沖突協(xié)議 在射頻識(shí)別傳輸系統(tǒng)中存在兩類信號(hào)干擾，一類是由多個(gè)閱讀器同時(shí)發(fā)出信號(hào)引起的閱讀器間的沖突干擾，另一類是由多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)閱讀器引起的標(biāo)簽間的沖突干擾。這些信號(hào)干擾會(huì)阻礙閱讀器識(shí)別標(biāo)簽，降低識(shí)別率。閱讀器處理能力較強(qiáng)，存在基于時(shí)分多址（ TDMA）的防沖突協(xié)議。時(shí)分多址（ TDMA）將時(shí)間分割成非重疊的幀，而幀又被分成多個(gè)時(shí)隙，不同時(shí)隙可以對(duì)應(yīng)于不同用戶，這樣我們就可以 知道不同用戶的信息，從而完成多址連接。基于 TDMA 的閱讀器之間將整個(gè)時(shí)間段分割成多個(gè)間隔，只允許閱讀器在其分配到的時(shí)隙內(nèi)傳輸信息，這樣就能避免干擾?；跁r(shí)分多址的防沖突算法具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠用來檢測(cè)射頻標(biāo)簽之間的沖突。 防沖突算法 （ 1） 純 ALOHA 算法 純 ALOHA 算法是比較簡(jiǎn)單的基于 ALOHA 的標(biāo)簽防沖突算法。 圖 2 純 ALOHA 算法 如圖 2 所示，首先閱讀器廣播識(shí)別命令給標(biāo)簽，標(biāo)簽收到命令后就以長(zhǎng)信息 8 包的形式向閱讀器發(fā)送標(biāo)識(shí)符號(hào)。圖中白色代表標(biāo)簽信號(hào)，灰色部分代表沖突信號(hào)。當(dāng)有多 個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，那么在信道中它們的信號(hào)就可能會(huì)疊加造成沖突。這時(shí)閱讀器就要先進(jìn)行檢測(cè)是否有沖突，如果沒有，那么閱讀器就會(huì)正確識(shí)別標(biāo)簽并發(fā)送確認(rèn)信息；如果存在沖突，那么閱讀器就向標(biāo)簽發(fā)送錯(cuò)誤信息。標(biāo)簽在收到確認(rèn)信息后便不再發(fā)送標(biāo)識(shí)符，若收到錯(cuò)誤信息后便會(huì)等一段不定的時(shí)間再發(fā)送，直到收到確認(rèn)信息。這種算法比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)但性能 ALOHA算法較差。所以我們要用到時(shí)隙 ALOHA（ SALOHA）算法。 （ 2） 時(shí)隙 ALOHA 算法 時(shí)隙 ALOHA 算法將純 ALOHA 算法的時(shí)間分為多個(gè)時(shí)隙： 圖 3 時(shí)隙 ALOHA 算法 時(shí)隙 ALOHA 算法模型如圖 3 所示，白色代表標(biāo)簽信號(hào)，灰色代表沖突信號(hào)，每個(gè)標(biāo)簽在時(shí)隙開始時(shí)刻發(fā)送標(biāo)識(shí)符，所以要控制時(shí)隙的同步。時(shí)隙 ALOHA 協(xié)議信道利用率較高，達(dá)到了 %，約為純 ALOHA 協(xié)議的兩倍。 此外，在時(shí)隙 ALOHA 算法的基礎(chǔ)上，繼續(xù)改進(jìn)，還形成基于幀的時(shí)隙ALOHA（ FSA）防沖突算法。在 FSA 算法中，有空時(shí)隙、單時(shí)隙、沖突時(shí)隙這三種狀態(tài)時(shí)隙。在單時(shí)隙中，閱讀器能夠成功識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽，空時(shí)隙和沖突時(shí)隙均不能識(shí)別?；趲臅r(shí)隙 ALOHA（ FSA）防沖突算法的算法邏輯簡(jiǎn)單，標(biāo)簽在幀內(nèi)只發(fā)送一次 ，大大降到了沖突的發(fā)生概率，所以基于幀的時(shí)隙 ALOHA（ FSA）防沖突算法是目前 RFID 系統(tǒng)中最常用的的一種防沖突算 法 [8]。 9 3 非接觸式 IC 卡介紹 非接觸式 IC 卡的特點(diǎn)、分類和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 非接觸式 IC 卡的 特點(diǎn) ，壽命長(zhǎng) 非接觸式 IC 卡的 分類 IC 分：存儲(chǔ)卡、 CPU 卡、邏輯加密卡 ： 125KHz 的低頻卡， 的高頻或射頻卡，915MHz、 的超高頻卡、 的微波卡 ：無源卡和有源卡 分 ：讀寫卡和只讀卡。 非接觸式 IC 卡的 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 自從我國(guó)加入了 WTO 與國(guó)際化接軌后，越來越多的國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到，符合一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是包括 IC 卡在內(nèi)的所有商業(yè)化產(chǎn)品賴以生存的重要條件，是產(chǎn)品質(zhì)量的保證、市場(chǎng)維系拓展的基礎(chǔ)。 目前，可供 射頻卡 使用的幾種標(biāo)準(zhǔn)有ISO781 ISO1053 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 ISO14443 以及 ISO18OOO。應(yīng)用最多的是 ISO14443 和 ISO15693。 不過現(xiàn)在市面上使用最廣泛的還是采用 ISO14443協(xié)議的卡片 。 10 ISO1443 標(biāo)準(zhǔn)介紹 采用 ISO14443 協(xié)議的 射頻卡 ，常 被 分為 A、 B、 C、 D、 E 等類型 。這里主要介紹 Type A 卡。 Type A 技術(shù)設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單扼要，應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)周期可以很短，同時(shí)又能起到足夠的保密作用， 而且 可以適用于非常多的應(yīng)用 場(chǎng)合。 本課題 采用 的 Mifare 1 S50 型 IC 卡就是 ISO14443 協(xié)議的 Type A 卡 。 物理特性、射頻功率和信號(hào)接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成了整個(gè) ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)，它們都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。 ISO144431 定義了 IC 卡的物理特性。 ISO144432 定義了頻率、射頻能量、編碼等內(nèi)容。 ISO144433 定義了 Type A/Type B 的初始化和防沖突機(jī)制。其中 Mifare1就只到這一層。 ISO144434 定義了卡片的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 。 11 4 RFID 讀寫器硬 件設(shè)計(jì) 硬件電路器件的選擇 處理器的選擇 目前，在嵌入式處理器芯片中應(yīng)用得最為廣泛的就是 ARM 內(nèi)核 32 位芯片。ARM 內(nèi)核采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ RISC）體系結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是的指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制不是很復(fù)雜，這樣能夠有效降低有關(guān)硬件的復(fù)雜度 [11]。它的優(yōu)點(diǎn)有： （ 1） 具有大量的通用寄存器； （ 2） 具有比較簡(jiǎn)單的尋址方式； （ 3） 使用統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令格式； （ 4） 地址自增和自減的尋址方式又簡(jiǎn)化了程序中的循環(huán)處理；