【正文】 圖 讀寫器與電子標簽的通信 讀寫器 RFID 讀寫器又被成為“ RFID 閱讀器”，通過射頻識別信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要人工的操作，可以識別高速運動的物體以及可以同時識別多個標簽，使整個系統(tǒng)運行操作更加簡單方便。如今的社會上有著許多種讀寫器，主要可以分為低頻讀寫器，高頻讀寫器，超高頻讀寫器，雙 頻讀寫器（所謂的雙頻讀寫器就是指該讀寫器可以支持兩種協(xié)議的讀寫），防爆讀寫器等。本課題研究的是利用飛利浦公司的 MF RC500 芯片制作的可以支持 ISO14443A 標準協(xié)議的讀寫器?，F(xiàn)如今不同的 RFID 讀寫器出現(xiàn)在社會的不同領(lǐng)域中，超市中的食品保護，門禁系統(tǒng)的人員識別，停車場的車子的保護和防鉆具出入庫自動檢測系統(tǒng)設(shè)計 5 盜等，發(fā)揮著不同的作用。電子標簽也是一個芯片，該芯片不僅內(nèi)部存有天線，芯片中還存儲著能夠識別目標的信息。甚至現(xiàn)在有些電子標簽具有讀寫的功能，能夠非常及時地更新標簽的數(shù)據(jù)。電子標簽還具有防沖突性，因為一個 RFID 讀寫器經(jīng)常在同時訪問多個電子標簽，不會因為多個標簽 而數(shù)據(jù)發(fā)生沖突而改變。首先根據(jù)工作頻率可以分為低頻電子標簽，中高頻電子標簽，超高頻和微波電子標簽；其次根據(jù)其電能消耗可以分為有源式電子標簽和無源式電子標簽；最后還可以根據(jù)其應用可以分為物流標簽，圖書標簽，防金屬標簽等。對于不同的領(lǐng)域， RFID 將發(fā)揮不同的作用，所以也需要不同的應用軟件系統(tǒng)來對數(shù)據(jù)進行管理。此外， MF RC500 還支持ISO14443A 所有的層。方便的并行接口可以直接與任何 8 位微控制器相連接，這樣可以給讀卡器和終端的設(shè)計提供更多的靈活空間。 RC500 簡介 MF RC500 是飛利浦公司制造的芯片之一，它包括了 32 個管腳信息， 64 個寄存器及其并行接口。包括中斷請求，兩個發(fā)送器，片選，讀，寫，電源，數(shù)據(jù)總線，地址線，接收器等。 鉆具出入庫自動檢測系統(tǒng)設(shè)計 7 圖 MF RC500 管腳配置 其次該芯片內(nèi)部包含了 64 個寄存器。不同的寄存器的位和標志的狀態(tài)是不一樣的，這主要取決于它們的功能。 dy 動態(tài) 通過微控制器讀和寫，它們的內(nèi)容可被內(nèi)部狀態(tài)機自動寫入。 w 只寫 用于控制方式，可通過微控制器寫入但不能讀出。 MF RC500 支持與不同的微處理器直接接口，可與西南石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 個人電腦的增強型并口直接相連。 表 芯片支持的并口信號 總線控制信號 總線 獨立的地址和數(shù)據(jù)總線 復用的地址和數(shù)據(jù)總線 獨立的讀和寫選通信號 控制 NRD,NWR,NCS NRD,NWR,NCS,ALE 地址 A0， A1， A2 AD0… AD5 數(shù)據(jù) D0… D7 AD0… AD7 共用的讀和寫選通信號 控制 R/NW,NDS,NCS R/NW,NDS,NCS,AS 地址 A0， A1， A2 AD0… AD5 數(shù)據(jù) D0… D7 AD0… AD7 帶握手的共用讀和寫選通信號 控制 — nWrite,nDStrb,nAStrb,nWait 地址 AD0… AD5 數(shù)據(jù) AD0… AD7 RC500 特性 本次設(shè)計之所以選擇該芯片作為讀寫芯片，正是因為該芯片相對于其他的芯片來說，其獨有的特性更加適合本次設(shè)計。 （ 5） 非常靈活的中斷處理等。 鉆具出入庫自動檢測系統(tǒng)設(shè)計 9 3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 一個好的課題設(shè)計不僅需要有好的程序設(shè)計思想，還需要適合的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，也需要適當?shù)木帉懗绦虻能浖抡嫫?，燒寫器。整個設(shè)計的編程語言主要采用的是 C 語言，雖然大多數(shù)單片機開發(fā)使用的是匯編語言，但是匯編語言有一定的缺點：程序的可讀性和可移植性比較差，而且編寫的程序周期長，調(diào)試非常困難。除此之外， Keil 編程軟件是一個 51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，該軟件中包括了 C 編譯器，宏匯編，連接器，庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器。在課題設(shè)計的過程中，除了使用這些必要的 編程軟件外，我還使用了一個輔助軟件 Source Insight ，該軟件可以關(guān)聯(lián)整個系統(tǒng)使用的所有程序，而且能分析你的源代碼并在你工作的同時動態(tài)維護它自己的符號數(shù)據(jù)庫，并自動為你顯示有用的上下文信息。 系統(tǒng)總體架構(gòu) 系統(tǒng)可行性分析 （ 1） 微控制器的選擇： 對于一般的基于 RFID 做的射頻讀卡系統(tǒng)，在選擇微控制器的時候可以有兩種方案： C51 單片機中的 STC89 系列和 FPGA。雖然后者處理速度快，但本課題設(shè)計的系統(tǒng)對這方面也沒有太大的要求。 （ 3） 通信接口以及供電選擇： 射頻讀卡系統(tǒng)與應用軟件系統(tǒng)的通信一般有兩種情況：一種是直接采用串口進行西南石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 通信，另一種是用 USB 接口與 CH341 芯片連接組成串口的功能進行通信和供電。 通過以上三點的選擇，最后確定了整個系統(tǒng)是以 STC89C54RD+作微控制器，讀寫器芯片選擇 RC500 芯片，采用 USB 轉(zhuǎn)串口的方式進行通信和供電，最后通過顯示屏顯示出來。其中耦合模塊就是指讀寫器與電子標簽之間通過天線進行耦合，通信；高頻模塊是讀寫器在不斷地向周圍發(fā)射無線電波；控制模塊主要就是以 STC89C54RD+為主的微控制器；接口單元就是指 USB接口和 CH341 芯片組成的串口通信和供電。 （ 2） 當電子標簽進入到讀寫器的有效工作區(qū)域范圍內(nèi)，產(chǎn)生感應電流，從而激活能量，電子標簽被激活，使電子標簽將自身編碼信號通過內(nèi)置的射頻天線發(fā)送出去。 （ 4） 經(jīng)過解調(diào)和解碼后，將有效信息發(fā)送給移動數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。 硬件設(shè)計 通訊及電源模塊設(shè)計 本課題設(shè)計的自動檢測系統(tǒng)的 USB 接口有著非常重要的作用，首先整個系統(tǒng)的電源是靠 USB 接口與 PC 機相連接，給系統(tǒng)供給 5V 的電源；其次整個系統(tǒng)還是靠USB 接口與 PC 機相連接，實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機之間的通信。在異步串口方式下， CH341 提供發(fā)送使能，串口接收就緒等交互式 的速率控制信號以及常用的 MODEM 聯(lián)絡信號，用于將普通的串口直接升級到 USB 總線。通過USB 總線提供異步串口、打印口、并口以及常用的 2 線和 4 線等同步串行接口。 在打印口方式下， CH341 主要用于將普通的并口打印機直接升級到 USB 總線。 最后， CH341 還可以支持一些常用的同步串行接口，如 2 線接口和 4 線接口。 （ 1） TXD 和 RXD 引腳：這兩個引腳是與微控制器 STC89C54RD+的 TXD 和RXD 引腳相連接，實現(xiàn)微控制器控制讀寫器與測試應用軟件的通信。 （ 3） 8 號引腳：這兩個引腳都是連接在 USB 接口上的，兩者都是輸入類型的引腳，其中 7 號引腳作為中斷請求輸入，上升沿有效； 8 號則是自定義通用輸入。 天線模塊設(shè)計 為了能夠使讀寫器可以向外發(fā)射無線電載波信號和接收電子標簽發(fā)出的信號，所以必須在讀寫器內(nèi)部設(shè)置天線模塊。一般來說，天線可以分為全向天線和方向性天線。對大多數(shù)的 RC 500 芯片來說，都是低功耗設(shè)計，因此電子標簽和天線之間的耦合系數(shù)必須滿足一定的值，不能相差太大，一般不能低于 。 表 天線大小與距離的關(guān)系表 大小（ mmmm） 距離（ mm） 5050 7 6554 10 8554 12 為了能夠使天線能夠最大功率的傳輸信息，天線模塊的設(shè)計要考慮到 幾個主要的物理參量。經(jīng)過事實證明：對于圓形線圈的磁場強度來說，當較大的天線在較遠的距離處可以呈現(xiàn)出較高的磁場強度。然而實際中的電路設(shè)計大部分都可以等效成一 個 RLC 諧振電路 ，本課題設(shè)計的天線電路就是這樣的。天線獲取信號鉆具出入庫自動檢測系統(tǒng)設(shè)計 13 后通過天線匹配電路傳到 RC 500 芯片的 RX 引腳，然后再經(jīng)過該芯片內(nèi)部的處理，通過并行接口發(fā)出數(shù)據(jù)。這些引腳都有自己的功能，其中 TX1， TX2 引腳主要起到天線驅(qū)動器的功能，有輸出緩沖的作用； DVSS,TVSS,AVSS 起到電感隔離的作用，而 WMD 引腳則是模擬參考電壓。其中 R為 TX1 和 TX2之間天線線圈的電阻消耗 ， C 為線圈與 TX1 和 TX2 之間的電容消耗， L 為天線線圈電感。 一般來說，讀寫器設(shè)備與天線之間的連接方式有兩種。本課題設(shè)計的系統(tǒng)就是采用的第一種，直接匹配的天線。如圖 所示：其中 L1 和 L2 均為,兩個電容為 47uH。本次課題的設(shè)計就是采用矩形的天線線圈。本次設(shè)計采用 STC 系列單片機 作微控制器，是因為該系列的單片機相對于其他系列的單片機有一定的優(yōu)勢。而且使用時，直接使用STC_ISP 工具直接將 HEX 文件燒寫進去即可，非常簡單。 微控制器 STC89C54RD+和 MF RC500 芯片的主要引腳連接有： （ 1） 兩者的 /RD,/WR 引腳相連接，來控制讀操作和寫操作； （ 2） 兩個芯片的 /CS 相連接，控制整個系統(tǒng)的片選。 （ 4） 此外兩個芯片的 ALE,RST,IRQ 也是連接的，分別有地址鎖存控制信號，復位，中斷請求等功能，在整個微控制器中有非常重要的作用。本課題設(shè)計的系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括三個方面，包括主程序設(shè)計，顯示屏程序設(shè)計， ISO14443 標準協(xié)議程序設(shè)計。 主程序設(shè)計 本次設(shè)計的主程序包括兩種情況，一種是帶有顯示屏的，另一種是沒有顯示屏的。在帶有顯示屏的情況下，整個上位機先是默認的 ISO14443A 協(xié)議，然后再在顯示屏上出現(xiàn)歡迎界面。在主程序設(shè)計中還包括了與上位機中的程序的功能的相對應，由于鉆具出入庫自動檢測系統(tǒng)設(shè)計 15 整個設(shè)計采用的上位機是已經(jīng)設(shè)計好的軟件，所以在主程序設(shè)計中就必須編寫與上位機功能相對應的功能函數(shù)。 圖 主程序流程圖 從圖 可以看出整個主程序的流程圖，這里的開始主要是指給硬件供電，打開電源，系統(tǒng)初始化，芯片初始化后一個延時函數(shù)，這個延時時間非常短，基本上可以忽略不計，然后再是顯示屏初始化，顯示屏顯示歡迎界面。最后判斷卡是否移開，如果鉆具卡移開，讀寫器又處于尋卡狀態(tài)，如果沒有移開，顯示屏仍然顯示鉆具卡的信息，不 再尋西南石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 卡。上位機功能模塊，主要是用 switch case 結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)上位機功能函數(shù)的調(diào)用。該函數(shù)主要用來實現(xiàn)兩個功能： 功能一：設(shè)置整個系統(tǒng)的寄存器狀態(tài)，主要包括了 TMOD,PCON,SCON 等寄存器狀態(tài)的設(shè)置。 （ 2） 顯示屏初始化，用的是 initial_LCD（）來表示。用WriteCommand（ 0x06）表示； （ 3）初始化 RC500 芯片，用的是 Rc500Ready（）來表示。然后用MI_OK 來代表卡，當 status 不等于 MI_OK 的時候，繼續(xù)賦值 status 為 PcdReset（），就是繼續(xù)復位。用 BELL = 0， redled = 0 來表示。A39。 其次是主函數(shù)中調(diào)用顯示屏模塊函數(shù)來實現(xiàn)顯示屏的顯示： （ 1）顯示屏初始化顯示：“西南石油大學計科，請刷鉆具卡！”。 在該函數(shù)中用一個 status 來標記是否有卡的存在，然后用 do while 來進行判斷，如果有鉆具卡的存在，調(diào)用底層文件 文件中的尋卡函數(shù) PcdRequest（）函數(shù)，并且賦值給 status。 底層文件 ISO14443A 協(xié)議中的尋卡函數(shù)主要有兩個參數(shù)變量，第一個參數(shù)變量表示的是尋卡的方式，通常情況下有兩種情況，第一種是用 0x52 表示尋所有符合ISO14443A 協(xié)議的卡，第二種是用 0x26 表示尋未進入休眠狀態(tài)的卡。 （ 3）顯示鉆具卡的 ID：直接調(diào)用顯示屏文件 中的函數(shù) disCardID（）來實現(xiàn)。 If（接收上位機指令的標志） { 接收上位機指令的標志 =0； //表示單片機接收到上位機的指令。 Case 命令碼 2：功能 2 函數(shù)； break。 Case 命令碼 4：功能 4 函數(shù)； break。 //返回錯誤 } } Void 功能 1 函數(shù)（） {}； Void 功能 2 函數(shù)（） {}； Void 功能 3 函數(shù)（） {}； Void 功能 4 函數(shù)（） {}； 功能函數(shù)主要包括以下幾個方面的功能： 功能一：尋卡，用 ComRequestA（）表示，只有尋卡后上位機才能對鉆具卡進行操作； 功能二：防沖撞，用 ComAnticoll（）表示，兩張卡同時進入到工作范圍時，讀寫器仍然能夠讀其中一張卡的內(nèi) 容； 功能三：休眠，用 ComHlta（）表示，進行休眠后在上位機中不能對鉆具卡進行操作，只有重新尋卡后才能進行操作； 功能四：讀塊，用 ComM1Read（）表示，可以讀取卡內(nèi)的內(nèi)容； 功能五：寫塊，用 ComM1Write（）表示，可以寫內(nèi)容到卡內(nèi)； 顯示屏程序設(shè)計 顯示屏程序設(shè)計主要在文件 中，從文件名可以看出整個系統(tǒng)的顯示屏采用的是 128X64 的顯示屏。首先用字符串組定義漢字 ；然后編寫各個函數(shù)，主要包括：寫命令，寫數(shù)據(jù)，系統(tǒng)初始化，顯示歡迎界面，掃描卡的類型，掃描卡的序列號等。