潘未莊， 陳石平，高翔

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司， 廣州 510656)

采用讀卡機(jī)芯片F(xiàn)M1715SL設(shè)計(jì)的RFID讀卡機(jī)

潘未莊， 陳石平，高翔

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司， 廣州 510656)

根據(jù)車輛管理系統(tǒng)對(duì)身份識(shí)別需求，提出基于國(guó)產(chǎn)芯片的RFID讀卡機(jī)方案。數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)為ISO14443 TypeB的設(shè)備，在滿足安全保密前提下，很好地兼顧了使用方便和高效便捷，大規(guī)模的車載應(yīng)用驗(yàn)證了該方案的可靠性。

RFID；TypeB；FM1715SL；HR7P90H；ISO14443

引 言

某車輛管理系統(tǒng)對(duì)車輛使用者的身份識(shí)別有明確需求[1]，在車載強(qiáng)干擾環(huán)境下，要求準(zhǔn)確、快速地識(shí)別車輛使用者信息。結(jié)合車輛的具體使用情況，對(duì)比了IC卡、射頻卡、ID卡等，提出車輛安裝電子標(biāo)簽讀卡機(jī)和無(wú)源電子標(biāo)簽識(shí)別方案，最后確定無(wú)源RFID (Radio Frequency Identification, 射頻識(shí)別) 方案。RFID 是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。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)別過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，操作快捷方便。根據(jù)頻段不同，RFID分為低頻和高頻系統(tǒng)[2]。低頻近距離RFID系統(tǒng)主要有125 kHz和13.56 MHz頻段；高頻RFID系統(tǒng)主要有915 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。無(wú)源電子標(biāo)簽(RFID卡片)也叫被動(dòng)標(biāo)簽，在進(jìn)入讀卡機(jī)的識(shí)別范圍后接收射頻信號(hào)，部分射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電工作，然后將存儲(chǔ)在芯片中的信息數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡機(jī)。無(wú)源電子標(biāo)簽成本很低，有很長(zhǎng)的使用壽命，體積小，讀寫(xiě)距離較近。

在應(yīng)用中，讀卡機(jī)作為車載監(jiān)控終端[1]的一個(gè)傳感器安裝到車輛上，通過(guò)讀取不同的RFID卡，包括二代身份證，來(lái)識(shí)別不同的車輛使用者，完成身份識(shí)別、時(shí)間統(tǒng)計(jì)、考勤打卡和報(bào)警提醒等功能。

1 讀卡機(jī)總體設(shè)計(jì)

為提高信息安全，在總體設(shè)計(jì)時(shí)采取以下設(shè)計(jì)思路：元器件選型僅限在中國(guó)大陸設(shè)計(jì)制造廠商內(nèi)優(yōu)選；通信協(xié)議采用更安全的ISO14443 TypeB協(xié)議[3](協(xié)議同中國(guó)第二代身份證)。公交、食堂、商場(chǎng)、會(huì)所等多使用TypeA卡，但是相對(duì)TypeA卡來(lái)說(shuō)，TypeB卡芯片具有更高的安全性，接收信號(hào)時(shí)，不會(huì)因能量損失而使芯片內(nèi)部邏輯及軟件工作停止，支持更高的通信速率，抗干擾能力也更強(qiáng)，更能保證數(shù)據(jù)安全。

讀卡機(jī)以通用非接觸讀卡機(jī)芯片F(xiàn)M1715SL為核心，采用上海海爾集成電路有限公司的微控制器HR7P90H作為處理器，其他關(guān)鍵模塊包含交互接口、電源管理和RFID射頻等單元模塊。RFID讀卡機(jī)總體框圖如圖1所示。

圖1 讀卡機(jī)總體設(shè)計(jì)框圖

車載終端作為主設(shè)備，通過(guò)數(shù)據(jù)-電源復(fù)合接口，給讀卡機(jī)供電，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。電源管理模塊輸出讀卡機(jī)需要的電壓；RS-232驅(qū)動(dòng)電路完成串口通信的電平轉(zhuǎn)換；HR7P90H通過(guò)SPI口與FM1715SL進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)RFID卡的識(shí)別；FM1715SL的天線采用印制板天線，進(jìn)一步降低成本，提高可生產(chǎn)性；HR7P90H根據(jù)車載終端、卡片狀態(tài)等信息，通過(guò)蜂鳴器和LED實(shí)現(xiàn)聲光提醒。

讀卡機(jī)能讀取第二代身份證的全球唯一ID號(hào)，可省略卡片的采購(gòu)，車輛使用者的身份證可同時(shí)作為識(shí)別卡使用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括讀卡機(jī)芯片和控制器的接口電路、電源電路、時(shí)鐘電路和匹配電路等。

2.1 RFID卡專用芯片

從開(kāi)發(fā)難度、器件成熟度、生產(chǎn)供貨等方面考慮，選擇了上海復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計(jì)的FM1715SL，這是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片，支持13.56 MHz頻率下的TypeA和TypeB兩種非接觸通信協(xié)議，以及多種加密算法。FM1715SL具備高集成度的模擬電路，只需少量的外圍電路；操作距離達(dá)10 cm；支持ISO14443 TypeA及TypeB協(xié)議并內(nèi)置加密單元[4]。FM1715SL電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 FM1715SL外圍電路

接口電路：FM1715SL的數(shù)據(jù)總線是標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口，F(xiàn)M1715SL作為從設(shè)備，由微處理器通過(guò)SPI總線和FM1715SL輸出中斷完成通信控制。

發(fā)射電路：FM1715SL編解碼的參考時(shí)鐘是13.56 MHz，由晶體振蕩器及其驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。從TX1和TX2引腳發(fā)射出去的是調(diào)制的13.56 MHz載波信號(hào)，其頻譜除了有13.56 MHz外，還有高次諧波分量。圖2中L0和C0組成的濾波器用于過(guò)濾13.56 MHz的諧波功率，以滿足相關(guān)EMC規(guī)定的要求。

接收電路：FM1715SL的接收電路利用RFID卡的響應(yīng)信號(hào)調(diào)制到副載波的雙邊帶進(jìn)行通信。FM1715SL輸出VMD作為RX引腳偏置電壓，并采用電容C4進(jìn)行濾波穩(wěn)壓；電阻R1和R2組成RX和VMD之間的分壓電路。

天線設(shè)計(jì)：天線是RFID讀卡機(jī)的一個(gè)重要組成部分，讀卡機(jī)的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。天線建模有直接連接模型和50 Ω阻抗匹配模型等。由于卡片和天線直接距離設(shè)計(jì)小于5 cm，可使用簡(jiǎn)單、低成本的直接連接模型，將天線設(shè)計(jì)到PCB板上。天線模型如圖3所示。

圖3 直接連接天線模型

在讀卡機(jī)和卡片通信過(guò)程中，天線用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號(hào)的磁通量。而磁通量用于向RFID卡提供電源并在讀卡機(jī)和卡片之間傳送信息。因此，設(shè)計(jì)天線線圈的電流最大，以產(chǎn)生最大的磁通量。13.56 MHz屬于短波頻段，因此可以采用小型環(huán)狀天線，形狀有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本設(shè)計(jì)采用圖3所示的矩型天線。C1完成發(fā)射端的50 Ω的匹配，提高能量傳輸效率；C2與天線的等效電感L1組成13.56 MHz諧振網(wǎng)絡(luò)；R1用來(lái)調(diào)整天線的品質(zhì)因數(shù)Q。在天線設(shè)計(jì)中，Q是一個(gè)非常重要的參數(shù)，Q太小則天線的讀卡范圍內(nèi)有盲區(qū)，影響數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定和可靠；Q太大則讀卡距離縮短。Q一般取35較好[4]。為提高生產(chǎn)一致性，降低調(diào)試難度，PCB采用多層板設(shè)計(jì)，并通過(guò)疊層阻抗控制，精細(xì)設(shè)計(jì)矩形天線的電感和阻抗，同時(shí)模擬電路的電阻采用1%精度的貼裝型號(hào)，電容采用低溫度系數(shù)、低溫飄、1%精度、NPO介質(zhì)的貼片電容。

2.2 微控制器

HR7P90H是海爾公司高性能8位精簡(jiǎn)指令集微控制器，具有豐富的片上外設(shè)。其中，高速異步收發(fā)器UART實(shí)現(xiàn)與車載終端的通信；通過(guò)I/O端口完成4路LED、1路蜂鳴器的控制和1路SPI接口的模擬；內(nèi)置的防護(hù)電路滿足工業(yè)級(jí)ESD(Electrostatic Discharge)和EFT(Electrical Fast Transient burst) 標(biāo)準(zhǔn)，非常適合工業(yè)控制和汽車電子領(lǐng)域。HR7P90H內(nèi)置16 MHz振蕩器和上電復(fù)位電路，SOP28的小型貼片封裝，能極大地減少外圍電路，給FM1715SL的射頻和天線電路設(shè)計(jì)提供更多的板上面積。HR7P90H支持在系統(tǒng)編程(In-System Programming, ISP)和在線調(diào)試功能( In-Circuit Debugging, ICD)，電路設(shè)計(jì)了這兩種接口，方便開(kāi)發(fā)調(diào)試和批量生產(chǎn)[5]。

2.3 工業(yè)設(shè)計(jì)

工業(yè)設(shè)計(jì)充分考慮了車載環(huán)境的高溫、振動(dòng)等特殊性，兼顧用戶的便利性。把讀卡機(jī)設(shè)計(jì)成接觸式卡槽，方便固定卡片，一方面縮短了卡片到天線的距離，降低了印制板天線的設(shè)計(jì)難度，另一方面也減小了讀卡機(jī)的外觀尺寸，整個(gè)讀卡機(jī)僅比卡片略大一圈，更容易安裝。材料選擇阻燃型ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)，并在卡槽內(nèi)部設(shè)計(jì)多條尼龍壓條，進(jìn)一步提高卡片在車載環(huán)境下的穩(wěn)固性。讀卡機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 讀卡機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)圖

3 識(shí)別軟件設(shè)計(jì)

識(shí)別軟件的主要功能是自動(dòng)檢測(cè)進(jìn)入識(shí)別范圍的各種卡片，完成和車載終端的通信，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容和卡片信息，設(shè)置相關(guān)的指示燈和蜂鳴器。

軟件編程使用海爾公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境HR-IDE工具完成，HR-IDE支持C語(yǔ)言的編輯、交叉編譯、鏈接調(diào)試和仿真；考慮到軟件代碼的規(guī)模和復(fù)雜度，開(kāi)發(fā)調(diào)試使用了低成本的ICD仿真器。識(shí)別軟件開(kāi)發(fā)采用基于中斷驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)流處理架構(gòu)[6]，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 識(shí)別軟件流程圖

識(shí)別軟件主要由中斷服務(wù)程序、任務(wù)調(diào)度和各種子任務(wù)處理程序組成。整個(gè)軟件的中斷來(lái)源有串口通信的收發(fā)中斷、FM1715SL外部中斷和各個(gè)子任務(wù)觸發(fā)的軟中斷等。每個(gè)中斷服務(wù)程序都簡(jiǎn)潔短小，能快速完成設(shè)置標(biāo)志讀取數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)性高的工作，釋放處理器資源完成各種任務(wù)處理；任務(wù)調(diào)度模塊根據(jù)設(shè)置的標(biāo)志進(jìn)行子任務(wù)的調(diào)度，每個(gè)子任務(wù)完成就清除標(biāo)志后返回；子任務(wù)也可以設(shè)置標(biāo)志，從而觸發(fā)其他子任務(wù)的調(diào)度。

比如讀卡子任務(wù)完成讀卡后，會(huì)觸發(fā)中斷，設(shè)置標(biāo)志；傳輸子任務(wù)將卡號(hào)發(fā)送給車載終端；如果卡號(hào)無(wú)效或者定期無(wú)法讀取卡片，亦會(huì)觸發(fā)傳輸子任務(wù)，車載終端將發(fā)送點(diǎn)亮“無(wú)效卡”指示燈的指令，串口收中斷被觸發(fā)，指示燈設(shè)置子任務(wù)將被調(diào)用,“無(wú)效卡”指示燈亮起。

HR7P90H只有2 KB的SRAM，軟件架構(gòu)如果采用RTOS則難以實(shí)現(xiàn)，而采用串行的多函數(shù)架構(gòu)，則實(shí)時(shí)性、可靠性、擴(kuò)展性不能保證，調(diào)試難度大。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和任務(wù)處理合理劃分，將數(shù)據(jù)讀取采取中斷驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)通過(guò)標(biāo)志統(tǒng)一調(diào)度，數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理剝離，很好地滿足高實(shí)時(shí)性下多數(shù)據(jù)處理的要求。整個(gè)軟件架構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，編碼設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試和維護(hù)難度都較小。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 潘未莊, 陳石平. 采用北斗模塊的車載監(jiān)控終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測(cè)試, 2013(16):45-47.

[2] 羅恂,丁慶生.基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表的研制[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2006(9): 71-73.

[3] 李艷光, 趙振華.基于FM1715的TypeB卡讀卡機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2006, 6(11): 49-51.

[4] 上海復(fù)旦微電子股份有限公司. FM17XX系列技術(shù)手冊(cè)—通用非接觸讀卡機(jī)芯片， 2007.

[5] 上海海爾集成電路有限公司. HR7P90H/90J/91H/91J/92H/92J數(shù)據(jù)手冊(cè), 8位MCU，2012.

[6] 潘未莊, 黃瑞光. 采用FSM和消息機(jī)制的DSP語(yǔ)音抗噪系統(tǒng)[J]. 電聲技術(shù),2006 (2): 30-33.

潘未莊(工程師)，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；陳石平(工程師)，研究方向?yàn)楣I(yè)控制網(wǎng)絡(luò)；高翔(工程師)，研究方向?yàn)橐曈X(jué)結(jié)構(gòu)工業(yè)設(shè)計(jì)。

Design of RFID Reader Based on Reader Chip FM1715SL

Pan Weizhuang, Chen Shiping, Gao Xiang

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company,Guangzhou 510656,China)

According to identification requirements from the vehicle management system，a RFID reader solution based on domestic chip is proposed.The data interface is designed as ISO14443 TypeB. The reader prvovides has great facility and availability with good safety and security.The mass vehicle-based applications have validated the reliability of this solution.

RFID; TypeB; FM1715SL; HR7P90H; ISO14443

TP368.1

A

2014-02-27)