| 以文本方式查看主題 - 曙海教育集團(tuán)論壇 (http://m.hufushizhe.com/bbs/index.asp) -- ARM技術(shù)討論專(zhuān)區(qū) (http://m.hufushizhe.com/bbs/list.asp?boardid=14) ---- 基于ARM的RFID閱讀器設(shè)計(jì) (http://m.hufushizhe.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=14&id=1435) |
| -- 作者：wangxinxin -- 發(fā)布時(shí)間：2010-11-18 8:48:26 -- 基于ARM的RFID閱讀器設(shè)計(jì) <FONT color=#0000ff><STRONG>RFID是Radio Frequency Identification的縮寫(xiě)，即射頻識(shí)別<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別的距離可達(dá)幾十厘米至幾米，且根據(jù)讀寫(xiě)的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息，同時(shí)，還具有極高的保密性，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></STRONG></FONT> <P> RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">其應(yīng)用范圍十分廣泛，主要有商品零售、商品防偽、交通運(yùn)輸、物流倉(cāng)儲(chǔ)、安全管理、醫(yī)療衛(wèi)生、圖書(shū)檔案和國(guó)防軍事等<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> RFID系統(tǒng)由三部分組成：1. 標(biāo)簽（Tag，即射頻卡），由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信；2. 閱讀器，讀取（在讀寫(xiě)卡中還可以寫(xiě)入）標(biāo)簽信息的設(shè)備；3. 天線，在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">本文主要介紹基于ARM，工作頻率在13.56MHz的RFID閱讀器設(shè)計(jì)方案<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> <STRONG> 1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</STRONG></P> <P> 1.1 系統(tǒng)主要芯片介紹</P> <P> 本設(shè)計(jì)方案的兩個(gè)主要芯片是LPC2212和MF RC500<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">LPC2212功耗低，性能高，接口資源豐富，可以在RFID閱讀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)一個(gè)多功能應(yīng)用系統(tǒng)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> MF RC500是PHILIPS公司生產(chǎn)的應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">MF RC500支持ISO14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線（可達(dá)100mm）；接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)奇偶CRC，此外它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</P> <P> 系統(tǒng)從功能上主要分為4大模塊：控制模塊、發(fā)送接收數(shù)據(jù)模塊、串行通信模塊和顯示模塊<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">各模塊組成的系統(tǒng)總框圖如圖1所示<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 控制模塊主要由微控制器LPC2212和晶振組成，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制工作<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 發(fā)送接收數(shù)據(jù)模塊主要由MF RC500、晶振和天線組成<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">MF RC500分為模擬部分和數(shù)字部分<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">模擬部分負(fù)責(zé)對(duì)射頻卡的發(fā)送接收操作，發(fā)送主要完成驅(qū)動(dòng)天線，提供13.56MHz的能量載波并根據(jù)寄存器的設(shè)置對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制；接收主要完成對(duì)射頻卡發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">數(shù)字部分則通過(guò)并口和中斷與微控制器LPC2212通信<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">MF RC500的能量載波由13.56MHz晶振提供，天線則主要由LC低通濾波器和LC諧振電路組成<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 串行通信模塊主要由RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)采用的9芯接口和電平轉(zhuǎn)換電路MAX232A組成<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">本模塊負(fù)責(zé)閱讀器與PC機(jī)通訊，可進(jìn)行程序下載，射頻卡信息修改等<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P align=center><IMG alt="" src="http://image.mcuol.com/News/070628184843030.gif" twffan="done" dypop="系統(tǒng)總框圖"></P> <P align=center>圖1 系統(tǒng)總框圖</P> <P> 顯示模塊主要由低復(fù)用率的通用液晶（LCD）驅(qū)動(dòng)器PCF8562和LCD屏組成<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">PCF8562與微控制器LPC2212可以通過(guò)兩線雙向的I2C總線通信，當(dāng)這兩條線連接到器件的輸出級(jí)時(shí)必須通過(guò)上拉電阻連接到正電源<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">顯示模塊負(fù)責(zé)卡片信息顯示<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> <STRONG> 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</STRONG></P> <P> 軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、射頻卡與讀寫(xiě)器通信模塊和LCD顯示模塊<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">下面詳細(xì)介紹以上模塊<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 2.1 系統(tǒng)初始化模塊</P> <P> 為了使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，必須在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">其中包括中斷向量表的建立和REMAP（重映射）操作、各種模式堆棧初始化操作、時(shí)鐘初始化操作、串口初始化操作和中斷選擇初始化操作<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> ARM7處理器有7種異常模式，其中斷向量位置是固定的（地址0x00000000-0x0000001C）<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">LPC2212采用64字節(jié)存儲(chǔ)中斷向量表<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">為了實(shí)現(xiàn)LPC2212在不同操作模式下對(duì)中斷的使用，必須對(duì)LPC2212中Flash的Boot Block塊和SRAM空間的一小部分REMAP<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">另外，需要對(duì)各種模式的堆棧進(jìn)行初始化<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> LPC2212振蕩器工作在振蕩模式，外部晶體振蕩頻率為20-25MHz，通過(guò)內(nèi)部PLL電路調(diào)整時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">程序首先使能PLL但不連接PLL，然后設(shè)置外設(shè)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻比，接著設(shè)置PLL的乘因子和除因子<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">設(shè)置完成后，把數(shù)據(jù)正確寫(xiě)入硬件，并等待PLL跟蹤完成<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">最后，使能PLL并使PLL連上系統(tǒng)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 串口是讀卡器與PC機(jī)通信端口，在使用前須設(shè)置串口波特率、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)字符格式和初始化FIFO（先進(jìn)先出隊(duì)列）<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 串口和RC500都是基于IRQ中斷，使用前，須對(duì)LPC2212中斷選擇寄存器進(jìn)行配置，把串口和RC500的中斷請(qǐng)求分配為IRQ模式<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 2.2 射頻卡與讀寫(xiě)器通信模塊</P> <P> 本系統(tǒng)采用M1（MIFARE 1）智能卡，本卡自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路，M1分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié)，以塊為存取單位，每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼及訪問(wèn)控制，可一卡多用<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">M1射頻卡與讀寫(xiě)器的通信流程圖如圖2所示<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P><BR> 復(fù)位應(yīng)答（Answer to request）：M1射頻卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當(dāng)有卡片進(jìn)入讀寫(xiě)器的操作范圍時(shí)，讀寫(xiě)器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為M1射頻卡，即驗(yàn)證卡片的卡型<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 防沖突機(jī)制 (Anti-collision Loop)：當(dāng)有多張卡進(jìn)入讀寫(xiě)器操作范圍時(shí)，防沖突機(jī)制會(huì)從其中選擇一張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡，該過(guò)程會(huì)返回被選卡的序列號(hào)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 選擇卡片(Select Tag)：選擇被選中的卡的序列號(hào)，并同時(shí)返回卡的容量代碼<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 三次互相驗(yàn)證(Three Authentication)：選定要處理的卡片之后，讀寫(xiě)器就確定要訪問(wèn)的扇區(qū)號(hào)，并對(duì)該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在三次相互認(rèn)證之后就可以通過(guò)加密流進(jìn)行通訊<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">（在選擇另一扇區(qū)時(shí)，則必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗(yàn)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">）</P> <P> </P> <P align=center><IMG alt="" src="http://image.mcuol.com/News/070628184843141.gif" twffan="done" dypop="通信流程圖"></P> <P align=center>圖2 通信流程圖</P> <P> 對(duì)數(shù)據(jù)塊的操作: 讀 (Read)：讀一個(gè)塊；寫(xiě) (Write)：寫(xiě) 一個(gè)塊；加（Increment）：對(duì)數(shù)值塊進(jìn)行加值；減（Decrement）：對(duì)數(shù)值塊進(jìn)行減值；存儲(chǔ)（Restore）：將塊中的內(nèi)容存到數(shù)據(jù)寄存器中；傳輸（Transfer）：將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫(xiě)入塊中；中止（Halt）：將卡置于暫停工作狀態(tài)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 2.3 LCD顯示模塊</P> <P> 顯示模塊完成射頻卡信息在LCD上的顯示功能<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">用戶(hù)可以顯示專(zhuān)用符號(hào)、數(shù)字、漢字和圖形<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">顯示模塊主要分為兩部分：第一部分是根據(jù)閱讀器從射頻卡讀入的信息確定要顯示的內(nèi)容，顯示圖形時(shí)，則要計(jì)算顯示坐標(biāo)；第二部分是根據(jù)系統(tǒng)所采用的LCD建立專(zhuān)用符號(hào)庫(kù)、漢字庫(kù)，顯示圖形時(shí)，則要把第一部分得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)CD上的顯示坐標(biāo)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> <STRONG>3 改進(jìn)的防沖突算法</STRONG></P> <P> 根據(jù)ISO14443協(xié)議，M1型卡傳統(tǒng)的防沖突算法是動(dòng)態(tài)二進(jìn)制檢索樹(shù)算法<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">它首先利用MANCH ESTER編碼“沒(méi)有變化”的狀態(tài)來(lái)檢測(cè)碰撞位，然后把碰撞位設(shè)為二進(jìn)制“1”，用SELECT命令發(fā)送碰撞前接收的部分卡片序列號(hào)和碰撞位，如果卡片開(kāi)頭部分序列號(hào)與其相同，則做出應(yīng)答，不相同則沒(méi)有響應(yīng)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">以此來(lái)縮小卡片范圍，最終達(dá)到無(wú)碰撞<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">圖3顯示了兩個(gè)卡片（PICC #1和PICC #2）的防碰撞流程<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> </P> <P align=center><IMG alt="" src="http://image.mcuol.com/News/070628184843182.gif" twffan="done" dypop="比特碰撞的選擇流程"></P> <P align=center><BR>圖3 比特碰撞的選擇流程</P> <P> 但是，傳統(tǒng)的防碰撞方法要求所有應(yīng)答器準(zhǔn)確同步，應(yīng)答器必須準(zhǔn)確地在同一時(shí)刻開(kāi)始傳輸他們的序列號(hào)<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">然而，在實(shí)際使用中，應(yīng)答器由用戶(hù)控制，可能產(chǎn)生異步發(fā)送數(shù)據(jù)，如果仍然采用傳統(tǒng)防沖突算法，有可能導(dǎo)致死循環(huán)，如圖4所示<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> </P> <P align=center><IMG alt="" src="http://image.mcuol.com/News/070628184843233.gif" twffan="done" dypop="尋卡死循環(huán)"></P> <P align=center><BR>圖4 尋卡死循環(huán)</P> <P> 為了解決死循環(huán)問(wèn)題，在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上設(shè)置了一個(gè)記錄碰撞位數(shù)的變量，如果第二次碰撞位數(shù)和第一次相等，則把SELECT發(fā)送的部分卡號(hào)增加一位，設(shè)為二進(jìn)制數(shù)“1”發(fā)送出去<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到應(yīng)答，則把增加位設(shè)為“0”發(fā)送出去<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">可以有效預(yù)防由于應(yīng)答器異步導(dǎo)致的死循環(huán)問(wèn)題<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">針對(duì)圖4的改進(jìn)流程如圖5<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> </P> <P><IMG alt="" src="http://image.mcuol.com/News/070628184843284.gif" twffan="done" dypop="改進(jìn)的防沖突流程"><BR>圖5 改進(jìn)的防沖突流程</P> <P> 4 結(jié)束語(yǔ)</P> <P> 本文給出了一個(gè)基于ARM的RFID閱讀器軟硬件框架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)射頻卡的基本讀寫(xiě)等功能<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">閱讀器采用的ARM微處理器，接口資源豐富，還有很多空閑接口，可在閱讀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，例如，可利用ARM的其它接口驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用射頻卡對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，只有卡內(nèi)信息正確，系統(tǒng)才能向電機(jī)發(fā)出控制命令，從而在硬件上增加了安全性<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">另外，改進(jìn)的防沖突算法也使讀卡器在應(yīng)答器異步發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下有效的避免死鎖<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done">本文對(duì)實(shí)現(xiàn)帶有RFID功能的多功能系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值<IMG src="http://www.21eic.com/ico/juhao.jpg" twffan="done"></P> <P> 參考文獻(xiàn)：</P> <P> [1]游戰(zhàn)清<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">李蘇劍等.無(wú)限射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">2004.</P> <P> [2]李駒光<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">聶雪媛等.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)詳解—基于S3C14510B系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">2003.</P> <P> [3]周立功等.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">2003.</P> <P> [4]Bhuptani Manish<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">Moradpour Shahram.RFID Field Guide Deploying Radio Frequency Identification Systems[M].Prentice Hall PTR<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">2005.</P> <P> [5]Klaus Finkenzeller.RFID Handbook:Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification[M].John Wiley & Sons<IMG src="http://www.21eic.com/ico/douhao.jpg" twffan="done">2003.<BR></P> |
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