（电路与系统专业论文）双模式rfid读写器的设计与实现.pdf

双模式r f i d 读写器的设计与实现 摘要 随着r f i d 技术的发展和我国高速公路规模的不断扩大，使用r f i d 技术解 决高速公路联网收费是当前的发展趋势。高速公路的联网运营，使其收费系统 开始了统一收费、通行费多业主拆分的时代。这就需要研制一种能够识别车辆 行驶路径的电子收费系统。本文创造性的提出了一种基于无源双模式射频卡技 术的收费系统，研制了双模式r f i d 读写器。 本双模式读写器包含了两种射频识别模式：一种是1 3 5 6 m h z 的射频识另l j 模式，是近耦合非接触逻辑加密卡读写技术；一种是9 1 5 m h z 的射频识别模式， 是远距离识别运动目标的技术。这种读写器使用的识别目标是一种无源的双模 式射频卡，即1 3 5 6 m h z 和9 15 m h z 两个工作频率的复合电子标签。读写器可 以实现对这个无源双模式射频卡进行可靠的近距离读写操作。 硬件实现中，采用了a r m 7 微控制器作为读写器的主控制器，构成了控制 和通信模块。以n x p 开发的射频收发芯片m fr c 5 0 0 进行了1 3 5 6 m h z 射频识 别模块的设计。以奥地利微电子公司开发的射频收发芯片a s 3 9 9 0 进行了 9 1 5 m h z 射频识别模块的设计。软件设计完成系统初始化、与p c 机的通信、对 两个射频模式的控制、射频卡读写等。 本双模式r f i d 读写器采用模块化设计方法、小型化、集成度高、可靠性 强。通过系统测试，达到了对识别目标进行近距离识别和相关操作的目的，各 项性能达到设计目标，稳定可靠。 关键词：射频识别读写器a r m 7 双模式无源 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fd u a l - m o d e r f i dr e a d e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr f i dt e c h n o l o g ya n dt h ec o n s t a n te x p a n s i o no f h i g h w a y s ，a p p l yah i g h w a yt o l lc o l l e c t i o ns y s t e mw i t hr f i dt e c h n o l o g yi st h e c u r r e n tt r e n d a st h eh i g h w a yb e c o m eah u g en e t ，i tc o m e saa g eo fu n i f i e df e ea n d s p l i tt h ef e ef o ro w n e r s t h i sr e q u i r e sae l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do n p a t hi d e n t i f i c a t i o n t h i sm a s t e rd i s s e r t a t i o np r e s e n t sac r e a t i v e t o l lc o l l e c t i o n s y s t e m b a s e do nt e c h n o l o g yo fd u a l m o d e p a s s i v er f i dt a g ，d e v e l o p e da d u a l m o d er f i dr e a d e r t h i sd u a l m o d e p a s s i v er f i dt a gr e a d e rc o n t a i n s t w ok i n d so fr a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nm o d e l o n ei s t h e 13 5 6 m h zr a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nm o d e l i ti sc l o s e - c o u p l e dn o n - c o n t a c tl o g i ce n c r y p t i o nc a r dr e a d e r t e c h n o l o g y t h eo t h e ri st h e9 15 m h zr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nm o d e l a m o v i n gr f i dt a gc a nb ei d e n t i f i e di nal a n g r a n g e t h i sr e a d e rc a ne x c h a n g ed a t a w i t hat y p eo fp a s s i v ed u a l - m o d er f i dt a g 。t h a ti sa c o m p l e xr f i dt a go p e r a t e do n t h ef r e q u e n c yo fl3 56 m h za n d915 m h z t h er e a d e rc a n r e l i a b l yr e a da n dw r i t et h e d u a l m o d ep a s s i v er f i dt a gi nas h o r td i s t a n c e o nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，aa r m 7m i c r o c o n t r o l l e ri su s e da st h em a i nc o n t r o l l e r o ft h er f i dr e a d e r i tc o n s t i t u t e st h ec o n t r o lm o d u l ea n dt h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h el3 5 6 m h zr f i dm o d u l ei s d e s i g n e dw i t har f i dc h i pm fr c 5 0 0 d e v e l o p e db yn x p a n dt h e9 15 m h zr f i dm o d u l ei sd e s i g n e dw i t har f i dc h i p a s 3 9 9 0d e v e l o p e db ya u s t r i a m i c r o s y s t e m s t h es o f t w a r ef e a t u r e si n c l u d es y s t e m i n i t i a l i z a t i o n ，c o m m u n i c a t ew i t ht h ep c ，e o n t r o lt w om o d eo ft h er f i d r e a d e r ，c o n t r o lt h er e a d e rt or e a da n dw r i t et h er f i dt a g t h ed u a l - m o d er f i dr e a d e ri sd e s i g n e dw i t hm o d u l a rd e s i g nm e t h o d i ti s m i n i a t u r e ，h i g hi n t e g r a t e da n dr e a l i a b l e i nt h et e s t i n go ft h es y s t e m ，i ta c h i e v e dt h e p u r p o s et oi d e n t i f yt h et a ga n de x c h a n g ed a t aw i t hi ti nas h o r td i s t a n c e t h e p e r f o r m a n c ei sa c h i e v e da n di ti ss t a b l ea n dr e l i a v b l e k e yw o r d s ：r f i d ，r e a d e r ，a r m 7 ，d u a l m o d e ，p a s s i v e 插图清单 图2 1 高速公路路径识别收费系统组成5 图2 2 短帧结构1 0 图2 3 标准帧结构1 0 图2 4h f 模式双向数据编码方式1 l 图2 5u h f 模式双向编码方式1 1 图2 6 采用n r z 编码的冲突情况1 4 图2 7 采用曼彻斯特编码的冲突情况1 4 图2 8h f 模式的防碰撞循环流程1 5 图2 9 系统体系结构1 7 图3 1 硬件总体结构框图1 8 图3 2 控制模块组成框图1 9 图3 3s p x l1 1 73 3 的电路实现2 0 图3 4l p c 2 1 4 8 的时钟电路和复位电路2 1 图3 5 调试与测试接口电路2 1 图3 6u a r t 转u s b 电路2 2 图3 7h f 射频收发部分的组成框图2 3 图3 8m fr c 5 0 0 与微控制器的接口电路2 4 图3 9u h f 射频收发部分的组成框图2 5 图3 1 0 电源电路图2 6 图3 1 1 温补晶振电路图2 7 图3 1 2 与微控制器的连接电路图2 8 图3 1 3 外部射频信号产生电路图2 9 图3 1 4 射频发射部分电路图3 0 图3 1 5 射频接收部分电路3 1 图3 1 6 天线电路的设计和实现3 2 图3 1 7 天线电感线圈的等效电路3 2 图4 1 软件总体结构图3 5 图4 2 软件总体运行流程3 7 图4 3 串口通信程序流程图3 8 图4 4 电子标签的状态及转换图3 9 图4 51 3 5 6 m h z 模式读卡任务流程4 1 图4 69 1 5 m h z 模式读卡任务流程图4 4 图5 。1h f 模式读卡程序界面4 7 图5 2a s 3 9 9 0 寄存器状态界面，：4 8 图5 3 搜索作用范围内标签4 9 图5 4 作用范围内标签读写测试5 0 列表清单 表2 1 系统需求分析7 表2 2 硬件规格和技术指标8 表2 3 软件规格和技术指标8 表4 1 对芯片的控制命令函数4 0 表4 2 对电子标签操作的命令函数4 0 表4 3 电子标签的七种状态4 2 表4 4 命令编码4 3 表4 5 控制命令函数4 3 表4 6c s e r i a l p o r t 类中用到的函数4 5 表5 1u h f 模块测试点电压测试4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金月曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：互南木 签字日期；谚办锋月易卵 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金e 垦王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：至禹木 签字日期：沙仞年年月1 x ；e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： ， 萨妒 签字e t 期：伽知年驴月1 卵 电话： 邮编： 垃一 ， 致谢 本学位论文是在吴永忠副教授的悉心指导和严格要求之下完成的。在攻读 硕士学位期间，吴老师以其渊博的学识、严谨的治学态度和踏实的工作作风在 学业上和生活上给予我很多关怀和帮助，使我受益终身。至此论文完成之际， 谨向恩师致以由衷的感谢和诚挚的祝福! 同时，我还要感谢实验室的同学们。他们是范军、孟宏、李宗伟、李冬、 李荣轩等。他们无私的帮助，积极的配合使我学业上得到了很大的进步，课题 得以顺利完成。感谢我的父母，是他们多年无私的奉献，默默的支持，才让我 走到今天，最终完成学业。 最后感谢计算机与信息学院所有关心帮助过我的老师和同学。 作者：王尚本 2 0 10 年4 月1 8 日 第一章绪论 1 1本课题研究的背景和意义 我国高速公路收费系统从各路段独立收费的状态步入了联网统一收费、通 行费多业主拆分的时代。在复杂网状结构公路段中，两点之间往往有多条行驶 路径可选，这就造成了高速公路收费运营中的个问题，即多路径识别问题。 车辆行驶路径不仅可作为收取车辆通行费的可靠依据，而且可作为多元化的道 路投资主体的利益分配依据。 当前可行的精确识别车辆行驶路径的技术主要有两种：通行卡标识技术和 车牌照识别技术。车牌照识别技术的原理是图像识别，用计算机控制摄像装置 抓拍驶入固定位置的车辆，提取车牌照并把抓拍提取出的信息发送到服务器数 据库中作为车辆路径的判别依据。但这种技术复杂度高，设备成本高昂，约束 了使用推广。随着射频识别技术的不断发展成熟，采用射频卡识别技术解决车 辆路径识别问题成为行业发展趋势。 目前，其他国家普遍采用了电子收费技术方案。这对于以开放式收费为主， 经济发达，e t c 车辆的比率相对较高的应用环境来说是非常合适的。但是国际 上通用的e t c 技术方案及其运营模式并不适合我国区域经济发展不平衡条件 下的联网收费新形势的要求。我国路网规模大，许多出入口的交通量小，车道 数量少，对e t c 系统规模的投入要求非常高，运营风险高。所以在方案上要设 计新的技术方案。 本课题是安徽省高等学校自然科学研究基金重点项目“基于无源双模式射 频卡的高速公路路径识别收费系统( k j 2 0 1 0 a 2 5 5 ) 中的部分任务。这项技术 方案就是为了解决我国高速公路基于路径收费问题而设计的。这是一种基于无 源双模式射频卡技术的组合式电子收费系统技术方案。目前我国大部分省份采 用非接触i c 卡作为通行券，在此基础上引入u h f 射频识别技术解决路径识别 问题。即这种组合式技术方案是h f 射频识别技术和u h f 射频识别技术的组合。 射频识别可以以非接触式的方式自动识别，它通过射频信号自动识别目标 并读写相关数据，识别和写标记工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境， 可识别高速运动物体并可同时识别多个目标。现在高速公路联网收费系统大多 采用非接触逻辑加密卡作为通行结算卡，这种卡是工作在1 3 5 6 m h z 的r f i d 技术，是多用途非接触射频卡，内含加密控制和通讯逻辑电路，具有极高的保密 性能，适用于计费系统的支付卡【l 。其工作距离般为2 5 1 0 c r n 。可作为非接触 的费用结算但是不能用于远距离的识别应用中，无法解决行驶中的车辆路径识 别的问题。所以要引入可以远距离识别的超高频射频识别技术，解决远距离行 驶中车辆路径识别的问题。于是就需要采用一种工作在超高频9 1 5 m h z 的r f i d 技术f 3 9 1 ，其工作距离一般为5 1 0 m ，可识别高速运动中的目标，所以适用于车 辆路径识别。 目前超高频r f i d 技术中，研发出的电子标签还没有可靠的加密解决方案 用于解决使用电子标签进行费用支付的功能。因此就要研发种能够结合以上 两种r f i d 技术于一体的双模式射频卡读写技术。这种技术不仅可以用于对现 行的高速公路收费系统进行升级改造，减小系统改造成本，而且可以用于新建 高速公路收费系统。 无源双模式射频卡读写器的工作基本过程是：读写器通过发射天线发送一 定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡 获得能量被激活；在读写器的控制下，射频卡将自身编码等信息通过卡内置发 送天线发送出去：系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调 节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到处理系统进 行处理并按照处理程序做出反应。读写器可工作在1 3 5 6 m h z 和9 1 5 m h z ，对 双模式射频卡进行读写操作。两个频率通信协议分别遵循i s o1 4 4 4 3 a ， i s 0 18 0 0 0 6 c 协议标准进行通信。 目前，国外使用超高频r f i d 技术进行路径识别收费系统的案例已经有很 多，国内南方发达地区也有几个案例。但是超高频路径识别收费系统的标准尚 不明确，而且价格高昂。本项目具有投资规模富有弹性、系统有较充分的备份 措施、可靠性高、易于试点和推广。随着高速公路的网络复杂化，对本双模式 射频技术的需求比较紧迫，而且市场前景广阔。 1 2r f i d 技术的发展和在交通领域的应用 r f i d ( 射频识别) 技术是众多自动识别技术中的一种。近几年，自动识别 方法在许多服务领域得到了迅速的普及和推广，比如商业贸易、货物采购与分 配、生产制造、物流等i l 。 随着半导体技术的成熟，一种技术上最佳的自动识别技术的解决办法是将 数据存储在一块硅芯片里。早些时，在我们的日常生活中使用的具有触电排的 i c 卡( 如银行卡、电话i c 卡等) 是电子数据载体的最普遍的结构【9 1 。然而， 对于i c 卡来说，在许多情况下机械式接触是不可能的。相比之下，在数据载体 与一个所属的读写器之间进行非接触式数据传输将会灵活很多。电子数据载体 工作时所需要的能量可以通过读写器非接触式的获取是最理想的方法。根据使 用的能量和数据传输方法，我们把非接触式识别系统称作射频识别系统。从本 质上讲，r f i d 是继承了雷达的概念，并在此基础上发展出来的技术。其发展历 程可按1 0 年期划分如下1 2 1 ： 1 9 4 1 - 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术。1 9 4 8 年哈里斯托 克曼发表了“利用反射功率的通讯 奠基了r f i d 理论的基础。 1 9 5 1 - 1 9 6 0 年是早期r f i d 技术的探索阶段，主要工作集中在实验室研究 2 阶段。 1 9 6 1 。1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展，人们开始了一些应用性的尝 试。 1 9 7 1 1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大力的发展时期，各种r f i d 技术加速发展，并出现了一些早期的r f i d 技术的应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品逐渐开始商业应用，各种规模的应用开始 出现。 1 9 9 1 2 0 0 0 年，r f i d 产品得到了广泛的采用。r f i d 技术标准化问题开始 引起重视，r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 1 至今，r f i d 技术的理论得到进一步丰富和完善，r f i d 产品更加丰富。 r f i d 的应用按作用距离可以分为近距离和远距离应用。按识别的类别可分 为身份、动物和物品的识别，在识别的基础上可以完成收费、控制、显示、信 息传输、数据整合、存储等功能。其应用领域广泛，而且每种应用都会形成一 个庞大的市场，目前射频识别技术已经是一个重要的经济增长点，在以下众多 领域都获得了重视和应用：物流、商业供应链、动物追踪、防盗、证件、家政、 安检门禁、食品安全追溯、集装箱识别、票务系统( 城市公交车、高速公路收 费、门票等) 、收费卡、城市交通管理、生产自动化等【3 】。 r f i d 技术管理交通状况在国内外已经早有应用，包括公交卡、停车场管理、 不停车收费【l7 1 。在发达国家r f i d 技术在智能交通监管方面的发展力度较大， 其中最典型的应用就是不停车收费系统，又称电子收费系统( e l e c t r o m i ct o l l c o l l e c t i o ns y s t e m ，e t c ) 。e t c 技术利用安装在车内的电子标签存储车辆编号 及相关信息，安装在车道的射频天线可以与该电子标签以专用无线通信方式交 换信息，并对其存储内容进行读写操作，从而识别出当前通行车辆，完成电子 收费。美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并逐步形成 规模效益。日本在2 0 0 3 年就已经有超过1 0 0 0 条e t c 收费车道被安装在收费站， 几乎遍及日本所有的高速公路1 4 j 。 实施不停车收费，可以允许车辆在较高的速度内通过，故可以大大提高公 路的通行能力【l q ；公路收费走向电子自动化，可以降低收费管理的成本，有利 于提高车辆通行的运营效益；同时也可以大大降低收费口的噪声和废气的排放。 由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以缩小收费站的规模，节约基建费 用和管理费用。 我国很多地区也已经开始使用e t c 系统【6 】，但是我国的经济区域发展不平 衡。各地使用的技术不同，很难实现使用同一种技术实现联网。比如广东省在 2 0 0 4 年就已经开通了1 5 0 条高速公路不停车收费车道。上海、北京、重庆、福 建等省市都在逐步实施运营高速公路不停车收费系统。而内地很多地区的高速 公路收费方式距离不停车收费系统的使用还有一段距离。 现在大部分省份采用非接触i c 卡作为通行券实现区域性的半自动联网收 费系统，而也有的省份采用二维条码作为通行券【l4 1 。在发达地区也有的完全实 现了e t c 的收费方式。 综上可以看出在我国，高速公路收费系统采用的技术各不相同，区域发展 差异很大。目前需求一些技术把两种以上的收费方式进行融合的混合收费方式 【1 5 】，以满足各地联网收费的兼容问题。 1 3 本论文的来源和章节安排 本课题是安徽省高等学校自然科学研究基金重点项目“基于无源双模式射 频卡的高速公路路径识别收费系统 ( 计划编号：k j 2 0 1 0 a 2 5 5 ) 中的部分任务。 在这个项目中要研制出的设备有无源双模式射频卡、路径标识站、收费站读写 设备和处理软件。 本论文要实现的是双模式r f i d 读写器的设计以及相关软件的开发。双模 式r f i d 读写器是集合1 3 5 6 m h z 和9 1 5 m h z 两个频率段、两种不同工作模式 的读写设备；配套使用的无源双模式电子标签是符合i s o1 4 4 4 3 a 和 i s 0 1 8 0 0 0 6 c 两个标准的电子标签。 本文章节安排如下： ( 1 ) 绪论部分介绍本课题的背景和意义，r f i d 技术的发展历程和其在交通 领域的应用以及课题的来源。 ( 2 ) 分析本文所设计系统的设计目标、研究内容和功能需求，系统的规格参 数，系统涉及到的关键技术及其解决方案和系统总体结构的设计。 ( 3 ) 读写器硬件的设计与实现。设计基于a r m 7 微控制器的双模式r f i d 读 写器的主控模块。采用m fr c 5 0 0 为读写芯片的1 3 5 6 m h z 的h f 读写 模块的设计。采用a s 3 9 9 0 为读写芯片的9 1 5 m h z 的u h f 读写模块的设 计。设计高频天线，采用p c b 板印刷线圈天线，超高频天线采用9 15 m h z 螺旋杆状天线。 ( 4 ) 读写器的主控程序总体设计、读写卡程序和上位机通信程序的设计。 ( 5 ) 完成系统测试和试验，对测试工作进行总结。 ( 6 ) 结束语部分总结了论文所完成的工作，对创新点进行总结，并提出了对 一些不足之处的改进意见。 4 第二章系统总体设计 2 1设计目标和研究内容 安徽省高等学校自然科学研究基金重点项目“基于无源双模式射频卡的高 速公路路径识别收费系统( 计划编号：k j 2 0 1 0 a 2 5 5 ) 的组成有无源双模式射 频卡、路径标识站、收费站读写设备和处理软件。高速公路路径识别收费系统 组成如图2 1 所示。图中表示出了高速公路、携带标签( 无源双模式射频卡) 的车辆、收费站设备、标识站设备。通过岔路口的标识站设备对车载标签写入 标记信息，可以识别出车辆的行驶路径。 图2 1 高速公路路径识别收费系统组成 ( 1 ) 无源双模式射频卡是车辆进入高速公路行驶时发放给车辆的车载电子 标签，它可以接收路径标识站读写设备的标识信息，是进行电子收费的凭证。 ( 2 ) 标识站设备是固定安置在高速公路分叉位置的远距离读写设备，它可 以对标识站1 0 m 距离以内的，行驶速度在1 2 0 k m h 的车辆上的无源双模式电子 标签进行写操作，把标识信息写进电子标签。 ( 3 ) 收费站设备有两个功能，一是初始化电子标签，用来发放给进入高速 公路的车辆，二是回收驶出高速公路的电子标签，读取电子标签中的标识信息 并计算出应该收缴多少车辆通行费并完成电子收费业务。 ( 4 ) 收费站处理软件是运行在和收费站读写设备连接的计算机上的控制软 件，通过这个软件来控制读写设备完成对电子标签的读写操作。 其基本的工作过程可以这样描述：车辆进入高速公路入口时，收费站给车 辆发放一张初始化过的无源双模式电子标签或者给车辆上已经配备的电子标签 进行信息记录。此后车辆就可以在高速公路上自由行驶，每当它经过一个标识 站的时候，标识站就对此行驶车辆的车载电子标签写入标识信息，即在车载电 子标签中写入车辆从这个标识站经过的信息。车辆自始至终可能经过了若干个 标识站，于是电子标签中就记录了车辆行驶的路径。当车辆驶出高速公路时， 要在出口收费站进行电子付费。收费站对电子标签进行识别，读取其中记录的 路径信息，并根据路径信息计算出通行费完成电子缴费。 本文只完成上述项目的一部分任务：收费站设备双模式读写器的研制，设 计目标是： 设计并制作出一个收费站读写设备及其软件，即双模式r f i d 读写器和软 件。读写设备用于收费站，属于室内r f i d 读写设备，通过2 2 0 v 交流电压进行 供电，工作距离为近距离读卡，所有操作在普通电脑上完成。无源双模式射频 卡是遵循i s o i e c1 4 4 4 3 a 标准和i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 标准的复合式电子标签。 所以这个读写设备就应该能够按照i s o i e c1 4 4 4 3 a 标准和i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 标准和电子标签进行通信。软件是实现对读写器进行控制和上位机数据通信， 完成读写器对电子标签的读写。 本项目的研究内容可以简述如下： ( 1 ) 设计出收费站读写设备的体系结构，即双模式r f i d 读写器的体系结 构，解决电磁兼容性问题。 ( 2 ) 提出数据完整性和安全性，以及电子标签防碰撞机制的解决方案。 ( 3 ) 读写器的控制电路的设计，控制芯片的选型和外围电路的设计。 ( 4 ) 射频模块的设计和电磁兼容性问题。 ( 5 ) 读写器前端的收发天线的设计和制作。 ( 6 ) 读写器与计算机进行通信的通信接口的电路设计。 ( 7 ) 控制器控制程序的设计和上位机程序的设计。 2 2 系统需求分析 项目所使用的无源双模式射频卡是符合i s o i e c1 4 4 4 3 a 标准和i s o i e c 1 8 0 0 0 6 c 标准的复合式电子标签。 6 i s o i e c1 4 4 4 3 a 标准使用的工作频率为1 3 5 6 m h z ，其电子标签天线是基 于磁偶极子理论设计的，天线的结构是线圈结构【7 】。电子标签与读写器之间的 数据通信采用电感耦合方式，使用感应磁场进行能量的传递和数据的交换。读 写器将传输的数字基带信号通过幅度调制变成调幅波发送给标签。标签天线接 收电磁波，其内部电路能够吸收部分调幅波转换为能量供芯片内部电路工作使 用，内部电路就能够正常工作并检测到接收到的已调信号，并且从中解调出原 始的基带信号。标签通过电感耦合的方式反馈电磁波信号给读写器，通过标签 内部电路对反馈信号进行某种方式的调制，使读写器从反馈的调制信号中解调 出信号，完成两者的通信。这种方式的典型工作距离为1 0 c m 。 i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 标准使用的工作频率为9 1 5 m h z ，其天线是基于电偶极 子理论设计的，天线的设计与芯片的输入阻抗相匹配。电子标签与读写器之间 的数据通信采用电磁反向散射耦合方式实现。基于雷达原理，发射后的电磁波 碰到目标后被反射回来，并且带回目标信息。其理论依据的是电磁波的空间传 播规律。这是一种远场区的工作模式，当电磁波遇到标签的天线时，一部分电 磁波能量被标签吸收用来给内部芯片进行供电，另一部分电磁波能量通过电磁 反响散射的方式反射回读写器。标签向读写器的通信是通过天线实时地改变它 的输入阻抗来完成的。当天线输入阻抗改变时，反射回的信号信息就会改变， 这样，标签就把信息传给读写器【_ 7 1 。这种模式的电子标签工作距离在5 m 以上。 双模式r f i d 读写器系统要实现的目标是实现读写器在两种模式下完成对 无源双模式射频卡的读写任务。需求分析如表2 1 所示。 表2 1 系统需求分析 项目双模式r f i d 读写器的设计与实现 系统名称 无源双模式射频卡读写器 设计目标读写无源双模式电子标签的双模式r f i d 读写器及其软件； 供电方式2 2 0 v 交流输入+ 9 v 直流电输出的电源适配变换器 工作频率1 3 5 6 m h z 和9 1 5 m h z 读写距离 小于1 0 c m 功耗小于8 w 系统输入输出通过上位机和下位机程序，在通用电脑上输入数据和指令，输出显示结果 读卡方式自动检测并由控制命令控制读写卡，具有防碰撞检测功能 读写速度小于l o o m s ( 1 ) 系统上电后初始化，打开电脑的控制软件，在控制软件上显示系统 的运行状态，等待电子标签进入作用范围或用户操作。 功能描述 ( 2 ) 读写器进入等待控制命令状态或自动搜索读写区域是否有电子标签。 当电子标签进入读写区域后，读取电子标签的序列号信息。 ( 3 ) 发送控制指令对电子标签进行相应的读写操作。 7 2 3系统规格说明及技术指标 双模式r f i d 读写器系统主要由硬件和软件两部分组成，其规格说明和技 术指标分为两部分。 ( 1 ) 读写器硬件规格和技术指标见表2 2 所示。 表2 2 硬件规格和技术指标 电源 2 2 0 v 交流电转+ 9 v 直流电源适配器 系统总功耗 峰值功率小于8 w 射频功率 小于2 0 d b m ( 1 ) 5 3 v ：三端可调稳压器集成芯片l m 31 7 电源管理 ( 2 ) 3 3 v ：s p x ll1 7 _ ；3 3 工作频率可在1 3 5 6 m h z 和9 1 5 m h z 两个频率间切换 工作模式基于读写器先讲的读写卡操作，按照控制在两个频率模式下工作 读写协议 i s o i e c1 4 4 4 3 a 和i s o i e c1 8 0 0 0 - 6 c 微控制器飞利浦生产的a r m 7 微控制器l p c 2 1 4 8 ( 1 ) 普通u s b 连接线； 通信接口 ( 2 ) 使用u a r t 转u s b 芯片p l - 2 3 0 3 h x ，传输速率1 1 5 2 0 0 b p s 。 h f 模式读写芯片 n x p 的支持t y p ea 协议的专用射频芯片m fr c 5 0 0 u h f 模式读写芯片奥地利微电子公司开发的超高频射频芯片a s 3 9 9 0 ( 1 ) h f 模式天线：p c b 印制的线圈结构天线 天线 ( 2 ) u h f 模式天线：9 1 5 m h z 杆状超高频天线 读写距离小于1 0 c m 读写速度 小于l o o m s 工作温度 3 0 + 7 5 尺寸 大约2 4 c m * 2 2 c m * 4 c m 重量 整机重约1 5 k g 适用范围室内、办公场所以及其他短距离使用场地 ( 2 ) 读写器软件规格和技术指标见表2 3 所示。 表2 3 软件规格和技术指标 ( 1 ) 系统复位后对系统进行初始化； a r md e v e l o p e rs u i t e ( 2 ) 实现与上位机程序的通信； 嵌入式软件开发 ( a d s ) 开发平台( 3 ) 控制硬件的各个部分协调完成系统的各 项任务。 一个完整、可移植、可固化及可剪裁的占先 嵌入式实时操作系统 l x c o s i i 式实时多任务内核的开源嵌入式实时操作系 统 在操作系统的移植代码中与微控制器相关的 嵌入式软件开发语言汇编语言和c 语言 部分代码用汇编语言编写，其他代码全部使 用c 语言编写【3 3 1 8 ( 1 ) 与读写器连接后，显示连接状态，显示 读写器的工作状态： ( 2 ) 配置读写器参数，调整工作状态； 上位机软件 v i s u a lc 4 - + 开发平台 ( 3 ) 发送控制指令，使控制器控制读写模块 进行读写卡操作； ( 4 ) 接收并显示控制器送来的数据。 2 4关键技术及其解决方案 双模式r f i d 读写器和电子标签之间的通信是通过无线信道来传输的，而 无线通信信道是一个开放性信道，这给读写器和电子标签通信的抗干扰性和安 全性带来不小的挑战。比如当外界有其他类型的电磁波干扰时就会对通信中的 电磁波信号叠加，从而使传输中的数据发生错误。当双模式r f i d 读写器的两 种模式同时工作时也会产生相互的电磁干扰。这样的结果有可能是电子标签做 出错误的响应，使电子标签进入混乱的状态；读写器不能识别正常工作的电子 标签；读写器将电子标签识别为另外一个电子标签等【1 9 】。 电子标签要具有一定的安全保护机制才能防止未经授权的读出载体中的数 据和对载体中的数据进行非法修改。读写器也应该能够阻止假冒的数据载体企 图得到未授权的反应【2 们。 读写器工作时，可能会有一个以上的电子标签同时处在读写器的作用范围 内，这样当电子标签同时发送数据时就会出现通信的冲突，数据相互干扰以致 无法完成电子标签的识别和读写。为了防止这样一种情况发生，就必须引入可 行的防冲突方案。 所以读写器工作的抗干扰性、射频数据的和完整性安全性、标签识别时的 防碰撞能力是一项必须解决的关键技术。下面从这三个方面分别进行分析并提 出可靠的解决方法。 2 4 1 读写器电磁抗干扰问题 电子标签和读写器之间是通过空间的电磁波信道进行数据传输的，由于双 模式r f i d 读写器是经常开启两个模式同时工作，因而很容易相互干扰。而且 现代人类生活的空间存在着各种各样的电磁，也会对读写器的通信带来干扰， 致使传输数据发生错误。数据发生错误以后，电子标签或读写器都有可能做出 错误的反应。 通过理论研究，可以采取的抗干扰措施可以通过一下四种方式寻求解决方 案： ( 1 ) 设计电子标签和读写器之间的通信协议中约定的数据结构，来检验数 据，检查数据是否出现传输错误【4 0 1 。 ( 2 ) 利用数据编码来提高数据传输的抗干扰能力，解决数据在传输过程中 的干扰问题。 ( 3 ) 利用数据编码和数据完整性校验，来检查数据传输过程中发生的错误。 9 ( 4 ) 利用多次重发、比较，来排除出错的数据和保留判断为正确的数据。 为了尽可能的提高抗干扰性，在读写器设计中把以上提到的解决方法综合 到一起，引入把几种技术结合起来方法：传输数据时以约定好格式的数据帧为 单位进行传输、对传输的数据进行编码、在传输的数据中加入校验码进行数据 检验，收到的数据如果出现检验不合格就重新发送。其解决方案分为以下三部 分： ( 1 ) 设定数据传输时数据帧的格式 双模式r f i d 读写器分通过约定好的数据帧的方式通信可以有效的校验数 据的完整性，避免误码导致错误反应的发生。比如在h f 模式下，读写器和电 子标签通信的数据帧选取数据帧的格式：短帧，标准帧和防碰撞帧。短帧的结 构如图2 2 所示，它由起始位s 、7 位数据和通信结束位e 构成 5 1 。 l s bm s b sb lb 2b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 e 起始位 结束位 图2 2 短帧结构 标准帧的结构如图2 3 所示，帧中每一个数据字节后有一个奇检验位p 。 l s bm s bl s b m s bl s b m s b i sb 从= | b 4 b j b 4 b j b jpb 1珏 节2字 起始位奇检验位 结束位 图2 3 标准帧结构 防碰撞帧仅用于防碰撞时仲裁处理，它是7 个数据字节组成的标准帧。 在u h f 模式下，也是通过约定好的数据帧传输方式进行通信。 ( 2 ) 选取合适的编码方式 信号编码的作用是把要传输的信息尽可能最佳地与传输通道的性能相匹 配。这样的处理对信息提供某种保护，以防止信息受干扰或相冲突，以及对某 些信号特征的有意改变【2 ”。基带中的编码可以用不同形式的代码来表示二进制 的1 和0 。在射频识别系统中，常用串行格式或线码来对信号进行编码【l 】。通 常使用下列编码中的一种：单极性矩形脉冲( n r z 码) 、曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码、单极归零制编码、差动双向编码( d b p ) 、米勒( m i l l e r ) 编码、改进型 米勒编码、差动编码、脉冲间隔编码和f m o 编码。 l o h f 模式下，读写器向电子标签通信采用修正米勒码，电子标签向读写器通 信采用曼彻斯特码【12 1 。其编码方式如图2 4 所示。 修正米勒码 曼彻斯特码 _ ul r卜u lo110o10 z z，。z小。z 101100lo 图2 4h f 模式双向数据编码方式 u h f 模式下，读写器向电子标签通信采用脉冲间隔编码，即p i e 编码。在 p i e 编码中，通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示符号0 和l 。t a r i 时间段称为基本时间段，它为符号0 的相邻两个脉冲下降沿之间的时间宽度。 电子标签向读写器通信采用f m 0 编码，其编码规则是：0 时，在位起始和位中 间都有电平的跳变；为1 时，仅在位起始时电平跳变【2 2 1 。其编码方式如图2 5 所示。 o p i e 编码 1 o f m 0 编码 o 岍 ll 嘻u 图2 5 呻模式双向编码方式 ( 3 ) 在传输的数据中加入校验码 校验和法可以识别传输错误，并启动校正措施，比如重新发送。经常使用 的检验和法是奇偶校验和循环冗余码校验法( c r c ) 。 循环冗余码校验法特别适用于传输数据经有线或无线接口时识别错误， c r c 法能够以很大的可靠性识别传输错误，但是不能校正错误【5 1 。c r c 法的计 算是一种循环过程，数据块中的每被校验过的字节都用来计算整个数据块的 c r c 值。在h f 模式和u h f 模式下，都采用c r c 循环冗余码校验法，当校验 错误时就启动重新发送。 在h f 模式下，采用c r c c c i t t ( 计算时循环移位寄存器的初始值为 6 3 6 3 h ) ，其生成多项式为： c r c c c i t t = x 1 6 + x 1 2 十x5 + 】 日 在u h f 模式下，采用c r c 5 ( 计算时循环移位寄存器的初始值为0 1 0 0 1 ) 和c r c 1 6 ( 计算时循环移位寄存器的初始值为f f f f h ) 两种方式，其生成多 项式为； c r c 5 = x 5 + x 3 + 1 c r c 一1 6 = x 1 6 + _ x 1 2 + 5 + l 2 4 2 读写器系统数据的安全性 数据安全包括数据保密和用户认证。数据保密是采取复杂多样的措施对数 据加以保护，防止数据被有意或无意的泄露给无关者，造成危害。认证分为信 息认证和用户认证两个方面，信息认证是指信息在从发送到接收整个通路中没 有被第三者修改和伪造，用户认证是指用户双方都能证实对方是这次通信的合 法用户【2 1 1 。 射频识别系统中主要用到解决读写器与应答器之间的互相认证问题。即应 答器应确认读写器的身份，防止存储的数据未被认可的读出或重写：而读写器 也应确认应答器的身份，以防止假冒和读入伪造数据。广泛使用的有国际标准 i s o9 7 9 8 2 的“三次认证过程 的认证技术和利用识别号的认证方法1 5 】。 在本双模式r f i d 读写其中使用利用识别号的认证方法，这是一种改进型 的“三次认证过程 的认证技术。 三次认证的过程是基于共享密钥的用户认证协议的方法，其认证的过程如 下： ( 1 ) 读写器发送查询口令的命令给应答器。于是，在应答器中产生一个随 机数r b 响应给读写器。 ( 2 ) 读写器产生一个随机数r a ，使用共享的密钥k 和共同的加密算法 e t r ，算出加密数据块t o k e n a