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一种基于SL RC400的射频卡读写器设计

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  [摘要] 本文提出了一种基于SL RC400的射频卡读写器的设计方案,该方案采用AT89C52单片机控制基站芯片SL RC400作为读写器的核心部分。本方案具有硬件实现简单、抗干扰能力强、易于二次开发等优点。
  [关键词] 射频卡 读写器 SL RC400
  
  一、引言
  RFID(Radio Frequency ldentification)是智能识别技术的一种,以此种射频技术制备的商品标签比条形码技术的标签又进了一大步。
  RFID射频标签是承印物与电子技术的一个典型组合应用。其在承印物上就包含了存有产品信息的IC芯片与天线组成的射频电路,通过天线接收来自专用阅读器所发射的射频信号,并应答出标签芯片中所包含的数据信息,也可送入主计算机进行处理,从而实现产品非接触式的识别、查找与管理,打破了传统条形码识别的局限性。因为RFID有移动数据库的特性,所以有人说,RFID有可能发展成为今后全球商品或物流中最广为采用的技术之一。
  目前,射频卡读写器设计中,使用较广泛的基站芯片有PHILIPS公司生产的SL RC400、MF RC500、MF RC632以及复旦微电子公司生产的FM1702。其中MFRC500、FM1702等芯片支持ISO14443的各层协议,而SL RC400则支持ISO15693的各层协议。
  本文提出了一种基于SL RC400基站芯片的射频卡读写器设计方案,该方案采用AT89C52单片机控制基站芯片SL RC400,具有硬件实现简单、易于软件的二次开发等优点。
  二、系统总体结构及方案设计
  本文采用AT89C52单片机、SL RC400芯片及外围电路实现读写器的基本组成。系统总体结构如图1所示:
  系统的工作方式是:单片机对SL RC400进行控制和通信,SL RC400驱动外围电路对IC卡进行读写操作。具体来说,单片机(即AT89C52)通过RS232串口接收PC机的指令,完成对卡的操作和整个读写器的管理;SL R400负责信号的编码、解码、调制和解调;外围电路则建立读写器同射频卡之间的联系。射频卡是系统的应用终端,接收读写器的指令并返回执行结果。
  三、系统的硬件设计
  系统的硬件部分主要包括AT89C52单片机、SL RC400、时钟电路、匹配电路及接口电路等外围电路。
  1.单片机AT89C52
  SL RC400基站芯片可与任何一种8位的单片机直接进行并口连接。系统选用了ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机—AT89C52。AT89C52片内含有8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256bytes的随机数据存储器,与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容。
  2.基站部分
  系统的基站单元采用PHILIPS公司生产的芯片。SL RC400是应用于13.56MHZ非接触高集成度IC卡读写模块的一员。该模块利用了先进的调制和解调概念,完全集成了在13.56MHZ下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。其内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近距离操作的天线(可达100mm),而接收器部分提供了一个稳定而有效的解调和解码电路直接用于ISO15693兼容的应答器信号。数字部分处理ISO15693帧和错误检测(奇偶&CRC)。此外,SL RC400方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器,对读卡器和终端的设计提供了极大的灵活性。
  3.时钟电路
  由于提供给SL RC400的时钟要作为同步系统的编码器和解码器的时间基准,因而时钟频率的稳定性是正确执行的一个重要因素,为了获得最佳性能,要求时钟抖动应尽可能小。系统时钟电路部分的设计如图2所示。
  4.匹配电路
  匹配电路包括EMC低通滤波器、天线匹配电路、接收电路和天线。匹配电路与基站芯片SL RC400的电路连接如图3所示。其中L0和C0构成
  低通滤波器,用于滤除高频噪声。C1、C2a以及C2b组成天线匹配电路,以便和C1、C2组成的低通滤波器的阻抗匹配。接收电路则由R1、、R1’、R2和C2组成,使用内部产生的VMID电势作为RX的输入电势,为了提供一个稳定的参考电压,必须在VMID与地之间接一个对地电容。
  在天线的设计中,最重要的是计算出天线线圈的电感量。天线的电感量一般采用经验公式进行估算。假设天线设计为环形或者矩形,则有:
  
  式中,l1为导体环一圈的长度;D1为导线直径或者PCB板上导体的宽度;K为天线形状因素(环形天线K=1.07,矩形天线K=1.47);N1为圈数。
  5.SL RC400与AT89C52的接口电路
  SL RC400支持与不同微处理器的直接接口。每次上电或硬件复位后,SL RC400也复位其并行微处理器接口模式并自动检测当前微处理器接口的类型。SL RC400与AT89C52的接口如图4所示:
  四、系统的软件设计
  MCU软件的设计主要包括以下几部分:AT89C52和SL RC400的初始化、控制SL RC400、与上位计算机的通信等。采用中断模式对SL RC400提供的中断信息进行处理。程序流程如图5所示:
  1.初始化操作
  初始化包括MCU的初始化以及SL RC400的初始化。当SL RC400的DVDD管脚或AVDD管脚上电复位,或者PSTPD管脚发生负跳变时,SL RC400自动执行复位和初始化操作,并将存储在E2PROM中的值加载到相应的寄存器中。
  2.对卡的操作
  整个系统的工作由对射频卡操作和系统后台处理两大部分组成。本文只对射频卡的操作流程进行简单介绍,其操作流程如下:
  复位请求:当一张射频卡片处在卡片读写器天线的工作范围之内时,程序员控制读写器向卡片发出REQUEST all(或REQUEST std)命令,卡片的ATR将启动,将卡片Block 0中的卡片类型(TagType)号共2个字节传送给读写器,建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作,读写器对卡片的其他操作将不会进行。
  反碰撞操作:如果有多张射频卡片处在卡片读写器天线的工作范围之内,阅读器天线将与每一张卡片进行通信,取得每一张卡片的系列号。由于每一张射频卡片都具有惟一的序列号(决不会相同),因此阅读器的天线将根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡操作。该操作使阅读器天线得到应答器的返回值作为卡的序列号。
  卡选择操作:完成上述二个步骤之后,阅读器天线必须对卡片进行选择操作。执行操作后,返回卡上的SIZE字节。
  认证操作:经过上述三个步骤,确认已经选择了一张卡片,阅读器天线在对卡进行读写操作之前,还必须对卡片上已经设置的密码进行认证。如果匹配,才允许进行读写操作。
  读写操作:该写操作是对卡的最后操作,包括读、写、增值、减值、存储和传送等操作。
  程序代码全部采用KEIL C编写,限于篇幅,这里不再赘述。
  五、结论
  该读写器最突出的特点是高性能、高稳定性和强兼容性,典型的读写距离为50厘米,在有效读写区域内无死区,读写操作可靠。可广泛应用在商业物流领域。
  
  参考文献:
  [1][德]Klaus Finkenzeller.无线射频识别技术(RFID)理论与应用.北京:电子工业出版社, 2001
  [2]欧全梅:基于89C51的IC卡读写器[J].微计算机信息,2005, 2: 119~121
  
  
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