基于S6700的閱讀器的設(shè)計與實現(xiàn)
文章出處：http://m.botanicstilllife.com 作者：王建宇，曾光 人氣： 發(fā)表時間：2011年10月17日
引言
RFID技術(shù)是一個嶄新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，它不僅涵蓋了微波技術(shù)與電磁學理論，而且還包括通信原理及半導體集成電路技術(shù)，是一個多學科綜合的新興學科。同其他一些識別技術(shù)相比，射頻識別技術(shù)具有高效快捷、非接觸、無污染、識別率高等突出優(yōu)點。因此，對 RFID技術(shù)的認識和研究具有深遠的理論意義。
1. RFID 系統(tǒng)分析
系統(tǒng)屬于遙耦合中的疏耦合射頻識別系統(tǒng)，主要由應(yīng)答器、閱讀器、天線、通訊模塊及人機接口等幾部分組成。
當閱讀器向應(yīng)答器發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)處理機將該數(shù)據(jù)先送給射頻接口電路，與振蕩器產(chǎn)生的本振信號相同，產(chǎn)生出調(diào)制信號，然后由天線傳送給應(yīng)答器，IC 卡根據(jù)不同的命令做出不同應(yīng)答。當閱讀器接收應(yīng)答器傳回的數(shù)據(jù)時，由天線接受來自應(yīng)答器的調(diào)制信號，經(jīng)過射頻接口將數(shù)據(jù)還原，然后在單片機中作相應(yīng)的處理，可以通過人機界面進行互動或者由通訊接口傳送給上位機。
對于一個非接觸式數(shù)據(jù)載體的讀寫操作，一般是嚴格按照“主一從”原則來進行數(shù)據(jù)交換，這意味著閱讀器和電子標簽的所有動作均應(yīng)有通信協(xié)議或軟件來控制。RFID 系統(tǒng)的閱讀器均可以簡化為三大基本功能模塊：由收發(fā)系統(tǒng)組成的高頻接口、控制系統(tǒng)以及和外界其它設(shè)備通信用的各種標準接口，如 USB 接口、RS232 接口、RS485 接口、與 Internet 連接的網(wǎng)口以及與打印機相連的并口等。
2．RFID 系統(tǒng)設(shè)計及接口實現(xiàn)
2.1 MCU 與 S6700 芯片接口電路設(shè)計
在此設(shè)計中選用了 PIC16F877A 單片機作為控制器，PIC16F877A 單片機有豐富的位操作指令，精簡的指令集,能夠模擬 RI-R6C-001A (RI-R6C-001A 芯片是TI 公司最新開發(fā)的針對應(yīng)答器讀寫的多協(xié)議收發(fā)器)傳送數(shù)據(jù)的時序以及時鐘切換的時序。
S6700 閱讀器芯片提供給用戶數(shù)字接口的信號線為 DIN、DOUT、SCLOCK，通過這三根線可完成控制器與 RI-R6C-001A 芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。當 RI-R6C-001A 要發(fā)送數(shù)據(jù)時，時鐘由單片機控制，當它要接收數(shù)據(jù)時，時鐘由該芯片控制，設(shè)計中作者采用PIC16F877單片機的 RA0、RA1、RA2 與 SCLOCK、DIN、DOUT 通過模擬的方式來傳輸數(shù)據(jù),執(zhí)行符合射頻系統(tǒng)標準的命令，MCU 與S6700 芯片接口電路如圖2 所示。
2.2 閱讀器通信接口
在 RFID 系統(tǒng)中，用作上位機的PC 機系統(tǒng)與閱讀器之間經(jīng)常要進行信息交換。由于系統(tǒng)中采用的單片機PIC16F877 帶有串口，因而兩者之間的通信可通過串行口完成。但是，在實際應(yīng)用中有時主控PC 機和閱讀器相隔很遠，為保證數(shù)據(jù)能高速及時、安全地傳至PC機，閱讀器與PC 機之間采用RS485 協(xié)議的串行通行較為合理。
單片機 PIC16F877A 串行通信模塊的 URXD、UTXD 電平符合 TTL/CMOS 標準，當PC 機的 RXMCU 有電平輸入時，它首先通過 6N137 光電隔離，保護單片機不受干擾，由O 腳輸出到 DI，從而轉(zhuǎn)化為 RS485 電平由 Y、Z 輸出。反之，PC 機的輸出信號轉(zhuǎn)換成的MAX490 的 A、B 端有輸入，將首先轉(zhuǎn)換為 R0 輸出，然后經(jīng)過光電隔離后最終由TXMCU 輸出。
PC 機接口電路的具體實現(xiàn)如圖4 所示，RS232 的電平標準如下：邏輯“0”的電平范圍為-5V—15V，邏輯“1”的電平范圍為5V-15V。這里選用的MAX232A 是MAXI 公司的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片。當PC 機的TXDPC 輸出到R1IN 時候，首先由MAX232A 轉(zhuǎn)換成TTL 電平由R1OUT 輸出，經(jīng)過6N137 光電隔離后輸入DI 腳，從而裝換為RS485 電平由Z，Y 輸出。同理單片機輸出信號轉(zhuǎn)換成的 RS485 電平信號輸入A，B 腳，經(jīng)過MAX490 轉(zhuǎn)換成TTL電平，再經(jīng)過光電隔離最終由RXDPC 輸出。必須強調(diào)的是在電路的連接中PC 接口電路中的MAX490 芯片引腳RSOUT+，RSOUT-必須和單片機側(cè)MAX490 芯片引腳RSIN+、RSIN-兩兩錯開相連的。這樣才能正常的通信。
2.3 高頻諧振功率放大器電路
高頻諧振功率放大器電路可以工作在 A 類、B 類或C 類狀態(tài)，考慮到C 類諧振功放適用于輸入信號比較大、輸出功率大、效率高，因此，在大功率射頻功放電路中采用。功率放大器電路如圖5 所示。
2.4 反沖突處理
在RFID系統(tǒng)中，閱讀器與應(yīng)答器之間的通信，不能排除可能會有一個以上的應(yīng)答器同時處于閱讀器的作用范圍內(nèi)，當在閱讀器的天線區(qū)域中有多個應(yīng)答器同時到達時，它們將幾乎同時響應(yīng)閱讀器的指令而發(fā)送信號，這樣就會產(chǎn)生信道爭用的問題，信號互相干擾，閱讀器不能正確接收數(shù)據(jù)，即發(fā)生了碰撞(Collision)。
為了提高系統(tǒng)的抗“碰撞能力”，就需要采用信道編碼技術(shù)，對可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯進行控制，信道編碼是使不帶規(guī)律或規(guī)律性不強的原始數(shù)字信號變換為帶上規(guī)律性或加強了規(guī)律性的數(shù)字信號，信道譯碼器則利用這些規(guī)律性來鑒別是否發(fā)生錯誤，或進而糾正錯誤。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)如圖 6 所示，初始化設(shè)置包括GPIO 設(shè)置，串口通信模塊設(shè)置，中斷設(shè)置包括外部中斷和定時器中斷設(shè)置。
當應(yīng)答器進入閱讀器的天線感應(yīng)范圍,經(jīng)過一段時間的延遲，應(yīng)答器上電復(fù)位，進入停頓狀態(tài)，在此狀態(tài)下可接收閱讀器發(fā)送的請求應(yīng)答指令，當應(yīng)答器接到閱讀器的請求應(yīng)答指令后，返回卡的類型號，隨即閱讀器發(fā)送防沖突指令，系統(tǒng)進入防沖突循環(huán)中，防沖突循環(huán)結(jié)束后，閱讀器發(fā)出選卡指令，選中其中一張卡，在此階段，應(yīng)答器處于準備就緒狀態(tài)，被選中的卡隨即進入激活狀態(tài)。此后，閱讀器可以發(fā)送多種不同的指令，發(fā)送完成后等待接受應(yīng)答信息。
上述操作完成后，閱讀器發(fā)送停止指令，應(yīng)答器從激活狀態(tài)返回到停頓狀態(tài)，一次交易結(jié)束，單片機可以把關(guān)鍵信息作傳輸或顯示。
4 結(jié)束語
經(jīng)過大量的實驗，基于S6700 的RFID 系統(tǒng)在讀卡的實驗中，多張卡同時到達讀卡器工作范圍時都可以準確的讀出；在加上率放大模塊并采用配套大功率天線時,可以有效增加讀寫距離，增加了讀卡器在遠距離讀卡時的準確性。
本文的創(chuàng)新點：設(shè)計基于 S6700 閱讀器芯片的新型閱讀器，通過使用對中高頻閱讀器外加功率放大模塊的方法，實現(xiàn)較遠距離通信；在RFID 系統(tǒng)中集成設(shè)計了RS232/RS485通訊模塊等，著重說明了其軟硬件實現(xiàn)方法；討論了RFID 系統(tǒng)的通信安全及突發(fā)的偶然因素，包括校驗和防沖突設(shè)計，說明了循環(huán)冗余校驗和防沖突算法的原理及實現(xiàn)方法。
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