引言

近年來，自動識別方法在許多領(lǐng)域如貨物銷售、后勤分配、商業(yè)部門、生產(chǎn)企業(yè)和材料運輸領(lǐng)域得到了快速的普及和推廣。一種技術(shù)上佳的解決方案是將數(shù)據(jù)存儲在一塊硅芯片里。在日常生活中，具有觸電排的IC卡是電子數(shù)據(jù)載體的普遍的結(jié)構(gòu)。然而，對IC來說，在許多情況下，機械觸點的接通是不可靠的。數(shù)據(jù)載體與一個所屬的閱讀器之間的數(shù)據(jù)進行非接觸傳輸將靈活的多。電子數(shù)據(jù)載體工作時所需的能量通過閱讀器非接觸地傳出來獲取。根據(jù)使用能量和數(shù)據(jù)傳輸方法，我們把非接觸的識別系統(tǒng)稱作射頻識別系統(tǒng)(RFID-Radio Frequency Identification)。本文介紹的是基于MF-RC500射頻讀寫模組、8051單片機以及Mifare1卡的射頻識別系統(tǒng)的設(shè)計。

系統(tǒng)組成

系統(tǒng)屬于近耦合射頻識別系統(tǒng)，主要由應(yīng)答器、閱讀器、通訊模塊、人機接口等幾部分組成。

應(yīng)答器也稱鄰近卡PICC(Proximity Card)，是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，即我們通常所說的卡片。應(yīng)答器由耦合元件以及微電子芯片組成。在閱讀器的響應(yīng)范圍之外，應(yīng)答器處于無源狀態(tài)。通常，應(yīng)答器沒有自己供電電源(電池)。只是在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，應(yīng)答器才是有源的。應(yīng)答器工作所需的能量，如同時鐘脈沖和數(shù)據(jù)一樣，是通過耦合單元(非接觸的)傳輸給應(yīng)答器的。

閱讀器也稱鄰近耦合設(shè)備PCD(Proximity Coupling Device)，具有讀/寫功能。由三部分組成：控制單元、發(fā)送器和接收器組成的高頻模塊、天線。

PCD的高頻模塊擔負以下任務(wù)：產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動PICC，并為其提供能量；對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給PICC；接收并解調(diào)來自應(yīng)答器的高頻信號。

PCD的控制單元擔負以下任務(wù)：與MCU8051通信，并執(zhí)行MCU發(fā)出的命令；控制與PICC的通信過程(主從原則)；信號的編碼解碼；執(zhí)行反碰撞算法；對PICC與PCD之間傳遞的數(shù)據(jù)進行加密和解密。

通訊模塊負責上位機(PC端)與下位機(閱讀器)的通訊，本系統(tǒng)采用了兩種方式：一種是RS232通訊，它應(yīng)用于PC機對一臺閱讀器的操作；一種是RS485通訊，它應(yīng)用于PC機對多臺閱讀器的操作。兩種通訊方式都可將PC機的命令傳達給閱讀器。

人機接口使系統(tǒng)具有良好的人機交互界面。本系統(tǒng)具有液晶顯示、鍵盤、語音輸出等部件。應(yīng)用者可通過液晶顯示或通過語音輸出判別卡片的號碼、基本個人信息、以及卡片中的余額是否正確。
為了使系統(tǒng)正確穩(wěn)定的工作，其他電路采用了x25045作為看門狗。如果系統(tǒng)在一定的時間內(nèi)工作不正常，看門狗可以將CPU復位使其重新工作。另外，x25045還內(nèi)置512 byte 的EEPROM，可將系統(tǒng)的各種參數(shù)(如機號、波特率等)存于其中。

工作原理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在PICC中。PCD的基本任務(wù)就是啟動PICC，與這個數(shù)據(jù)載體建立通信并且在應(yīng)用軟件和一個非接觸的數(shù)據(jù)載體之間傳送數(shù)據(jù)。電感應(yīng)答器PICC由一個電子數(shù)據(jù)作載體，通常是由單個微型芯片以及用作天線的大面積的線圈等組成。電感耦合應(yīng)答器幾乎都是無源工作的。這意味著：微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器PCD供應(yīng)。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，這種磁場穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。因為頻率范圍為13.56MHz的波長比閱讀器天線和應(yīng)答器之間的距離大好多倍，可以把應(yīng)答器到天線的距離間的電磁場當作簡單的交變磁場來對待。閱讀器天線線圈發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過一定距離的應(yīng)答器天線線圈。應(yīng)答器的天線線圈和電容器Ci構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過該回路的諧振，應(yīng)答器線圈上的電壓大值。將其整流后作為數(shù)據(jù)載體(微型芯片)的電源。

這兩個線圈的結(jié)構(gòu)也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合。閱讀器的天線線圈和應(yīng)答器之間的功率傳輸效率與工作頻率和應(yīng)答器線圈的匝數(shù)、被應(yīng)答器線圈包圍的面積、兩個線圈的相對角度以及它們之間的距離成比例。隨著頻率的增加，所需的應(yīng)答器線圈的電感，表現(xiàn)為線圈匝數(shù)的減少(135kHz:典型為100~l0000匝，13．56MHz：典型為3~10匝)。因為應(yīng)答器中的感應(yīng)電壓是與頻率成比例的，在較高頻率階情況下，線圈匝數(shù)較少對功率傳輸效率幾乎沒有影響。因為電感耦合系統(tǒng)的效率不高，所以只適用于低電流電路。只有功耗極低的只讀應(yīng)答器(＜135kHz)可用于lm以上的距離。具有寫入功能和復雜安全算法的應(yīng)答器的功率消耗較大，因而一般的作用距離<15cm，盡管個別的可達到80cm。

系統(tǒng)物理基礎(chǔ)

圖1是耦合的導體回路的等效電路圖。 在電感耦合射頻識別系統(tǒng)中，L1是PCD的發(fā)送天線，L2是PICC的天線。
圖1：等效電路

我們引入了耦合系數(shù)k來對導體回路的耦合作定性說明，使其與幾何尺寸無關(guān)。關(guān)系式如下：

K=M/\sqrt{L1 L2}
(L1、L 2分別為兩個線圈的自感系數(shù)；M為互感系數(shù))

耦合系數(shù)總在兩個極限情況0~1之間變化。K＝0：由于距離太遠或磁屏蔽導致去耦。K＝1：全耦合。兩個線圈緊密耦合，處于相同的磁通量中。只有很簡單的天線配置才能進行分析計算。兩個平行的、在x軸上同芯的導體回路的耦合系數(shù)可按照以下公式計算。式中r為天線半徑，x表示進x軸上的兩個導體回路之間的距離。 k(x)≈(r^{2}_{PICC} r^{2}_{PCD})/[\sqrt{r_{PICC} r_{PCD}} (\sqrt{x^{2}+r^{2}_{PCD}})^{3}]

當導體回路之間的距離為0而天線半徑相等，耦合系數(shù)k＝1。此時，導體回路互相重疊，并有相同的磁通量通過。實際上，電感耦合的PICC系統(tǒng)工作時的耦合系數(shù)可低至0.01以下。

系統(tǒng)選型與設(shè)計

1．Mifare系列射頻卡PICC的選型

系統(tǒng)PICC選用Mifare 1 卡片，該卡片主要特點如下:
1)容量為8K位EEPROM
2)分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)為4塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存取單位
3)每個扇區(qū)有獨立的一組密碼及訪問控制
4)每張卡有序列號，為32位
4)具有防沖突機制，支持多卡操作
5)無電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路
6)數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次
7)工作溫度：-20℃~50℃(濕度為90%)
8)工作頻率：13.56MHz
9)通信速率：106 KBPS
10)讀寫距離：10 cm以內(nèi)(與讀寫器有關(guān))

2．閱讀模塊PCD的選型與設(shè)計

系統(tǒng)選用Mf-RC500作為閱讀模塊，該模塊是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員，它利用了的調(diào)制和解調(diào)概念集成了在13.56MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議；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)動近操作距離的天線可達100mm；接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路用于ISO14443A 兼容的應(yīng)答器；信號數(shù)字部分處理ISO14443A 幀和錯誤檢測奇偶CRC ；此外它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗證MIFARE 系列產(chǎn)品；方便的并行接口可直接連接到任何8 位微處理器。這樣給讀卡器/終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。MF-RC500的特性略。

3． PCD天線設(shè)計

電感耦合射頻識別系統(tǒng)的PCD中的天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向PICC提供電源并在PCD與PICC之間傳送信息。因此，對PCD天線的構(gòu)造有以下幾個基本要求：

1)使天線線圈的電流大，用于產(chǎn)生大的磁通量；
2)功率匹配，以大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；
3)足夠的帶寬，以無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。
一般說來，天線是有一定負載阻抗的諧振回路，閱讀器又具有一定的源阻抗。為了獲得好的性能，必須通過無源的匹配回路將線圈阻抗轉(zhuǎn)換為源阻抗。然后，通過同軸線纜即可無損失且地將功率從讀寫器末級傳送到匹配電路。

在天線設(shè)計中，還有一個參數(shù)很重要，那就是品質(zhì)因數(shù)Q。用于電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的PCD天線，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的值。較高的品質(zhì)因數(shù)的值會使天線線圈中的電流強度大些，由此改善對PICC的功率傳送。與之相反，天線的傳輸帶寬剛好與品質(zhì)因數(shù)值成反比例變化，選擇的品質(zhì)因數(shù)過高會導致帶寬縮小從而明顯地減弱PICC接收到的調(diào)制邊。

品質(zhì)因數(shù)可以通過電感線圈的電抗與電阻的比值計算出來, 公式如下：
Q=(2 f_{0} Lcoil)/Rcoil
許多系統(tǒng)給出的佳品質(zhì)因數(shù)為10~30。Q值高為50~60，如果太高，卡將無法準確地識別復位響應(yīng)。

4．MCU8051與MF-RC500的接口設(shè)計

圖2是系統(tǒng)讀寫器MCU8051與MF-RC500的接口設(shè)計原理圖。

總結(jié)