安　健, 楊麥順, 桂小林

(西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 陜西 西安　710049)

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基于分立元件的低頻RFID閱讀器設(shè)計

安健, 楊麥順, 桂小林

(西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 陜西 西安710049)

針對目前的RFID閱讀器一般采用集成讀卡芯片作為基站成本較高,且不利于學(xué)生掌握閱讀器工作原理,為了滿足物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新需要,以物體標(biāo)識技術(shù)為切入點,設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于分立元件的125 kHz低頻RFID閱讀器系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由載波電路、濾波電路、放大電路、比較整形電路和STM32微控制器組成,能夠支持EM4100型和TK4100型RFID低頻卡讀取,具有低成本、低功耗、便攜式等優(yōu)點。實驗結(jié)果表明,該閱讀器電路結(jié)構(gòu)簡單,通過對電路的分析、測試和理解,學(xué)生能掌握RFID閱讀器讀寫原理。

物聯(lián)網(wǎng)； RFID閱讀器； 分立元件； STM32微控制器

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一門強調(diào)多類別知識綜合應(yīng)用和系統(tǒng)能力培養(yǎng)的新型學(xué)科,而實踐教學(xué)是其人才培養(yǎng)過程中的核心方法[1]。考慮到現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)過程中存在的課程封閉、獨立,內(nèi)容死板、陳舊等問題,而且已有大部分實驗設(shè)備是基于集成度較高的模塊化裝置,學(xué)生在使用過程中,更多的是完成一些基礎(chǔ)驗證性項目,對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果產(chǎn)生的基本原理很難透徹掌握[2-3]。這種教學(xué)模式一方面將影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性,另一方面也不利于學(xué)生今后開展實際工作。

本文以西安交通大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室為實踐基地,以“物聯(lián)網(wǎng)RFID標(biāo)識”專題實驗為切入點,通過方案論證、電路設(shè)計、電路板制作、程序調(diào)試、系統(tǒng)測試等步驟,設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于分立元件的低頻RFID閱讀器,使學(xué)生深入理解和掌握RFID技術(shù)原理,進一步提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識。

1　低頻RFID閱讀器基本原理

典型的RFID系統(tǒng)是由標(biāo)簽、閱讀器和后臺服務(wù)器組成。通常,閱讀器根據(jù)不同的工作頻率在特定區(qū)域形成電磁場,射頻標(biāo)簽基于電感耦合或電磁反向散射的方式與閱讀器進行耦合并交換信息,后臺服務(wù)器通過對象名稱解析完成信息解碼并校驗數(shù)據(jù)的正確性以達到識別的目的[4]。

目前,常用的RFID閱讀器大都基于一體化讀卡芯片作為射頻基站,設(shè)備集成度較高,并不利于初學(xué)者掌握閱讀器讀卡原理的學(xué)習(xí),很難直接應(yīng)用于實驗教學(xué)[5]?；诖?本文采用分立元器件,設(shè)計并實現(xiàn)了一種工作在125 kHz頻段的低頻RFID閱讀器,通過對組成結(jié)構(gòu)的遞階式剖析,方便學(xué)生在實踐過程中進一步掌握RFID的工作機理。本文設(shè)計的分立RFID閱讀器系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1　RFID閱讀器系統(tǒng)框圖

低頻RFID閱讀器的工作流程主要包括[6]:

(1) 以射頻的方式向低頻標(biāo)簽傳送能量；

(2) 從標(biāo)簽芯片中讀出數(shù)據(jù)；

(3) 完成數(shù)據(jù)解碼,還原標(biāo)簽信息；

(4) 和后臺服務(wù)器進行信息交互。

2　硬件設(shè)計

本文設(shè)計的分立式RFID閱讀器硬件部分主要由載波產(chǎn)生電路、檢波(濾波)電路、放大電路和比較整形電路等組成。

2.1125 kHz載波產(chǎn)生電路

如圖2所示,本閱讀器利用8 MHz晶體振蕩器Y1產(chǎn)生一個8 MHz正弦波,經(jīng)CD4040分頻器分頻后輸出125 kHz方波信號,經(jīng)過限流電阻后送入推挽式三極管功率放大器電路,放大后的載波(正弦波)信號發(fā)送到由天線和電容組成的諧振回路。諧振頻率為125 kHz,諧振電路的作用是為天線提供盡可能大的電流,使讀卡距離最大化[7]。

圖2　載波產(chǎn)生電路

2.2隔直、檢波、濾波電路

檢波電路的作用是濾除125 kHz載波信號，還原出有用的數(shù)據(jù)信號。在射頻ID卡靠近線圈時,線圈感應(yīng)到能量后,調(diào)制信號經(jīng)過濾波后經(jīng)過包絡(luò)檢波電路,解調(diào)出包絡(luò)波形。經(jīng)過包絡(luò)檢波電路后,獲得的信號為有一定失真的數(shù)字信號,仍無法作為數(shù)字序列信號輸入給處理器。因此,需要經(jīng)過濾波、放大,產(chǎn)生無失真的數(shù)字信號。電路見圖3。

圖3　檢波、隔直、濾波電路

2.3濾波、放大電路

經(jīng)過檢波、隔直、濾波后的信號比較弱,而且含有部分高頻分量,不能直接輸入微處理器,還需要經(jīng)過濾波、放大電路進行處理,電路見圖4。圖中C5是交流反饋元件,對電容而言,頻率越高的信號容抗越小,反饋量越大,放大倍數(shù)越小,故起到放大低頻信號、抑制高頻信號的作用。本電路輸出的波形已形成質(zhì)量較好的方波,用示波器在測試點F可以檢測到方波信號。

圖4　濾波、放大電路

2.4比較整形電路

為獲得質(zhì)量更好的數(shù)字信號,信號經(jīng)過濾波電路和放大電路后輸入比較整形電路(見圖5),進一步恢復(fù)原來的數(shù)字序列,可靠還原出原始波形,得到數(shù)字ID序列,直接輸入微控制器。交流放大后的信號輸入比較器LM358B的+端。LM358B的-端接一個分壓電路,比較后輸出。通過比較會消除高電平鋸齒紋。

圖5　比較整形電路

2.5微控制器

低頻RFID系統(tǒng)使用的微處理器選用ARM系列STM32103RET6的32位高檔單片機,微控制器選用8 MHz晶振作為系統(tǒng)時鐘。經(jīng)檢波、濾波放大和整形后的ID卡的序列號輸入微處理器PA0引腳。經(jīng)過微處理器進行曼徹斯特解碼后,通過串口將卡號上傳至PC機或后臺服務(wù)器等應(yīng)用系統(tǒng),完成信息的讀取和校驗等功能。

通過以上電路的分析、測試和理解,有利于學(xué)生深刻掌握RFID閱讀器的讀卡原理,對后續(xù)的學(xué)習(xí)和實驗會有很大的幫助。

3　軟件設(shè)計

3.1EM4100數(shù)據(jù)存儲格式

本文采用EM4100無線射頻芯片作為RIFD讀卡標(biāo)簽。它由64位組成,主要包括引導(dǎo)位、數(shù)據(jù)位、停止位、行偶校驗和列偶校驗等5部分[8]。其中,引導(dǎo)位用于指示一個標(biāo)簽的開始,其固定格式為9個1,出廠時已固化到芯片內(nèi),不可更改；數(shù)據(jù)位由8位廠商信息和32位可讀寫數(shù)據(jù)位組成,用于存儲標(biāo)簽相關(guān)指示信息；停止位為1位,用于標(biāo)志字符傳送的接收；校驗位一般用于判斷所傳輸數(shù)據(jù)是否正確,由10個行校驗位和4個列校驗位組成。EM4100在向閱讀器傳送信息時,首先傳送9個開始引導(dǎo)位,接著分別傳送由4個數(shù)據(jù)位和1個行校驗位組成的10組數(shù)據(jù)串,其次是4個列偶校驗位,最后是停止位。

3.2EM4100數(shù)據(jù)解碼過程

EM4100射頻卡通常采用曼徹斯特編碼,電平的下降沿表示位數(shù)據(jù)“1”,電平的上升沿表示數(shù)據(jù)“0”,電平的跳變時間間隔為1 ps。若傳送數(shù)據(jù)位中兩個相鄰數(shù)據(jù)位極性相同,則在其中進行一次“空跳”。在125 kHz的工作頻率下,EM4100每傳送一位的時間周期為64/125 kHz=512 μs。

當(dāng)射頻卡靠近閱讀器天線時,通過電感耦合方式獲取能量并將經(jīng)調(diào)制、檢波、濾波放大、比較整形后完整的曼徹斯特序列碼輸入上位機中。由曼徹斯特碼編碼規(guī)則可知[9],每1位數(shù)據(jù)分別由半個周期的高電平和低電平組成,基于此,可將64位數(shù)據(jù)拆分為128位,即數(shù)據(jù)“0”視為“01”,數(shù)據(jù)“1”視為“10”。通過2輪完整的64位數(shù)據(jù)傳輸,可以有效獲取標(biāo)簽發(fā)送的信息,并通過校驗位來確定所發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。具體流程如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)解碼流程圖

數(shù)據(jù)解碼過程如下:

(1) 確定起始位(同步):首先要準確找到數(shù)據(jù)1,按規(guī)則下降沿為1,上升沿為0；如果檢測到一個周期的高電平則可確定找到了數(shù)據(jù)1,找到1后即可同步,因為EM4100卡最后一位數(shù)據(jù)0,可作為判斷起始碼的特征。

(2) 數(shù)據(jù)接收:同步后開始接收引導(dǎo)數(shù)據(jù)即9個1,這部分軟件由一個循環(huán)完成,如果出錯則放棄接收；同步數(shù)據(jù)接收完后,開始接收數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)分11行5列接收,以利于校驗位的判斷,如出現(xiàn)錯誤則放棄所有接收的數(shù)據(jù)[10]。

(3) 數(shù)據(jù)解碼:解碼算法必須有足夠的冗余度,使其能夠?qū)Π肼暤男盘栠M行解碼；本文采用的方法通過設(shè)置脈沖寬度來形成比較窗口,只要脈沖落在一定的范圍內(nèi)就被譯成相應(yīng)的碼[11]。本系統(tǒng)使用8 MHz時鐘,定時器倍頻為72 MHz,定時為1 μs,位傳送半個周期256 μs,則0.25周期對應(yīng)的計數(shù)值是128 μs；0.75 μs周期對應(yīng)384 μs；1.25周期對應(yīng)的計數(shù)值是640 μs。為保證足夠的冗余,有效的周期范圍應(yīng)該是128～384 μs,384～640 μs。

4　結(jié)果與討論

本文設(shè)計開發(fā)的125 kHz的低頻RFID閱讀器實驗板見圖7,它主要有載波形成電路和數(shù)據(jù)解碼器兩部分組成。

圖7　低頻RFID閱讀器實驗板

4.1載波電路測試

為了方便學(xué)生理解信號產(chǎn)生、變換等在不同階段的特征,分別在實驗板上設(shè)置了不同的測試點。使用示波器引腳連接圖7中的測試點A點,可觀察8 MHz晶振產(chǎn)生的正弦波波形,波形見圖8。

圖8　8M晶振產(chǎn)生的正弦波波形

用示波器連接圖7中的測試點B點,可觀察有卡時125 kHz載波波形,波形如圖9所示。

圖9　有卡時125KHz載波波形

將射頻卡放置在線圈附近,用示波器測試圖7中的G點波形,觀察并記錄測試ID卡曼徹斯特碼序列波形,正確的波形見圖10，是一串脈沖信號。

圖10　曼徹斯特碼波形

4.2射頻卡信息讀取

使用串口調(diào)試軟件ComMonitor,可以進一步驗證射頻卡的數(shù)據(jù)讀取信息[12]。首先,設(shè)置端口、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位以及停止位等參數(shù)信息；然后,將射頻卡放入讀卡原理機線圈附近。如果低頻原理機實驗板識別到ID卡,將向上位機間隔發(fā)送7個字節(jié)的16進制ID卡號。最后2個字節(jié)0D、0A為結(jié)束碼,其余5個字節(jié)為卡號。只要卡不離開感應(yīng)區(qū)域,閱讀器就會不斷向上位機發(fā)送ID卡號。射頻卡讀卡信息如圖11所示。

圖11　射頻卡讀卡信息

5　結(jié)語

本文針對現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)存在的問題,以“RFID標(biāo)識”專題實驗為研究切入點,設(shè)計并實現(xiàn)了基于分立式元器件的低頻RFID閱讀器。首先,介紹了125 kHz低頻載波信息的產(chǎn)生機理,并分別給出隔直、濾波、放大、整形電路原理圖,詳細說明了信號的產(chǎn)生、分析、轉(zhuǎn)換等機理；其次,對低頻射頻ID卡的數(shù)據(jù)格式、編碼原理和解碼過程做出了說明；最后,通過示波器和串口調(diào)試工具對本文設(shè)計的閱讀器實驗板進行了測試和驗證。通過硬件電路和軟件解碼原理的詳細講解,旨在構(gòu)建一種開放式、互動式的實驗教學(xué)方法,也希望能夠達到拋磚引玉的作用,進一步提高學(xué)生的工程實踐能力和科技創(chuàng)新思維。

References)

[1] 桂小林,安健,張文東，等. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[2] 安健,楊麥順,桂小林.物聯(lián)網(wǎng)感知與標(biāo)識專題實驗改革研究與探索[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(3):193-195.

[3] 王志英,周興社,袁春風(fēng)，等.計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設(shè)置研究[J].計算機教育,2013(9):1-6.

[4] 林天亮,陳曦.負載調(diào)制原理的無線射頻應(yīng)答器設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2015,34(8):112-114.

[5] 朱勇,張昕明,王寧，等.基于射頻識別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(6):17-19.

[6] 李輝.一種低頻RFID讀卡器的實用前端系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電通信技術(shù),2014,40(1):65-67.

[7] 張滬寅,黃建忠,周天瑛，等.RFID實踐教學(xué)平臺創(chuàng)新建設(shè)[J].計算機教育,2014(12):76-80.

[8] 敖華,陳淵睿,駱祖國，等.基于AVR單片機的125 kHz簡易RFID閱讀器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(7):111-114.

[9] 康文廣,王輝映.一種RFID的曼徹斯特解碼技術(shù)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(12):20-22.

[10] 李聰,谷曉忱,李建成，等.一種對時鐘偏差不敏感的無源RFID標(biāo)簽編解碼算法[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2013,35(3):126-131.

[11] 崔如春,譚海燕,肖志良，等.多通道多模式的低頻RFID閱讀器設(shè)計[J] .單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011,11(7):77-78.

[12] 郭勇,何軍.STM32單片機多串口通信仿真測試技術(shù)研究[J].無線電工程,2015(8):6-9,42.

Design of low frequency RFID reader based on discrete elements

An Jian, Yang Maishun, Gui Xiaolin

(School of Electronics and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

The current RFID reader with high cost adopts integrated chip as base station,and it is not conductive to master its working principle for students. Additionally,in order to meet the new requirements of education reform and innovation of Internet of things,a 125 kHz low-frequency RFID reader system based on discrete components is designed and implemented which takes the object identification technology as the breakthrough point. The system consists of a carrier circuit,filter circuit,amplifier,comparator shaping circuit and STM32 microcontrollers. It supports EM4100 type low-frequency RFID card to read as well as TK4100 type,and it has the advantages of low cost,low power consumption and portable type. The experimental results show that the circuit structure reader system is simple. Therefore,it contributes to students’ deeper grasp of the reading and writing principle of RFID reader through analysis,testing and understanding of circuit.

Internet of things; RFID reader; discrete elements; STM32 micro controller

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.023

2016-03-31修改日期：2016-05-24

國家自然科學(xué)基金項目(61502380);陜西省自然科學(xué)基金項目(2014JQ8322);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目(2013SZS16-K01);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(xjj2014049)

安健(1983—)，男，山西晉中，博士，工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)、服務(wù)計算與群智計算等方向的研究.

E-mail：anjian@mail.xjtu.edu.cn

TP391.44

A

1002-4956(2016)9-0087-05