基于ARM开发平台的156MHz射频读写器的设计

1、北京石油化工学院 2013 届优秀毕业论文基于 ARM 开发平台的 13.56MHz 射频读写器的 设计通信工程专业 朱启平指导教师 田小平 副教授摘 要 射频识别( Radio frequency identification ，RFID )是一种无线射频识别技术，其在物流、货运、消费和 访问控制等等方面都有广泛的应用。本文研究了基于 ARM 开发平台的 13.56MHz 的 RFID 读写器的设计。具体方 案是通过结合硬件和软件，硬件上设计了电路原理图中的CPU 模块、射频模块、电源模块、串口通信模块、 psam加密模块和 LED 灯指示模块；软件上实现了读写器的嵌入式软件编程，主要包括通

2、过射频模块达到识别电子射频 卡、认证电子射频卡、读取和修改电子射频卡内信息等目的。最后，通过上位机软件对一张空白 IC 卡进行读写功 能测试。测试结果表明读写器能顺利完成其基本功能。因此本设计的基于 ARM 开发平台所设计的 RFID 读写器能 基本实现对近场 RFID 系统中 IC 卡信息的采集功能。关键词 RFID 读写器， ARM 嵌入式， LPC1752 ，MFRC5221 前言1.1 选题背景射频识别 (Radio Frequency Identification ， RFID) 技术是一种利用射频信号通过空间电磁场的耦 合来实现无接触信息传递并通过传递的信息达到识别功能的技术。RF

3、ID 的使用频段通常为工业、 科学和医疗特别保留的 ISM 频段。 ISM 各频段的代表频率分别 为 6.78MHz 、13.56MHz 、27.125MHz 、40.68MHz 、433.92MHz 、869.0MHz 、915.0MHz 、2.45GHz 、 5.18GHz 、24.125GHz 以及 60GHz 等。在这些 ISM 频段中， 13.56MHz 是最典型的 RFID 高频工作 频率，该频率的电子标签是实际应用中使用量最大的电子标签之一。这种电子标签被大量地应用 在金融卡领域、消费领域和访问控制领域等等，例如在我国使用的二代居民身份证就是频率为 13.56MHz 的电子标签。

4、 因此，研究射频频率为 13.56MHz 的电子标签读写器具有实际应用的意义。1.2 本文主要研究内容本设计首先研究了 RFID 读写器的基本原理，然后结合硬件和软件设计了一个频率为 13.56MHz 的 RFID 读写器。 在硬件上， 本课题主要侧重于研究读写器的电路原理图和电路板设计； 在软件上，本课题主要是对基于 C 语言的部分嵌入式读卡程序进行研究。最后通过上位机软件对 设计进行实物测试，验证所设计读写器具有基本读写 IC 卡的功能。2 RFID 基本原理及其开发平台基于 ARM 开发平台的 13.56MHz 射频读写器的设计2.1 RFID 系统RFID 技术是指一种非接触式的自动识

5、别技术， 其基本原理是利用无线射频识别信号空间耦合 （电磁感应或者是电磁传播）的传输特性，实现对目标对象的自动识别和修改其信息。一个常用 的 RFID 系统通常由电子标签、读写器和计算机通信网络等三部分构成。图1 是 RFID 系统的结构框图。能量时钟 数据 输入 数据 输出电子标签天线射 频 模 块能量时钟 数据 输出 数据 输入控 制 模 块存储器图 1 RFID 系统结构图2.2 编码技术2.2.1 信源编码 射频系统中现在普遍使用的信源编码有几种： 曼彻斯特 （Manchester）编码、反向非归零 （NRZ ） 编码、单级性归零（ DBP ）编码、密勒（ miller ）码、改进型密

6、勒码。其中在本设计主要运用到的 是曼彻斯特编码、密勒码和密勒改进码。（1）曼彻斯特编码 曼彻斯特码又称双相码， 它的特点是在半个比特周期时下降沿表示二进制1，上升沿表示二进制 0 。特点是每个码元的中心均存在点评跳变，若无跳变则视为异常。（2）密勒码 密勒码的电平转换规则是：自然二进制码为 1 时，半比特周期内用上升沿或下降沿表示。二进制 0的编码电平在 1比特周期内不改变， 但遇到连 0的情况时， 在第一个 0结束时，也就是后一 个 0 开始时电平转换。北京石油化工学院 2013 届优秀毕业论文（3）改进型密勒码 改进型密勒编码就是在密勒码的基础上每个边沿都用负脉冲替代。改进的米勒编码在电感

7、耦 合式射频识别系统中用于读写器到 IC 卡的数据传输。很多的脉冲持续时间 （ t pulse Tbit ）就可以 在数据传输过程中保证读写器的高频场中连续供给 IC 卡能量。2.2.2 差错控制编码 在数字通信系统中，一般误码是不可避免，而为了减少误码，提高通信可靠性一直是设计通 信系统所追求的最主要的目标之一。差错控制编码就是信道编码中为了提高通信的可靠性而发展 起来的一种差错控制技术，所以也称信道编码为差错控制编码。目前， RFID 中的差错控制编码主要是采用奇偶检验码和 CRC 码，它们都属于线性分组码。2.3 调制技术传统的无线电技术中的调制技术，根据电磁波的三种不同参数 幅度、频率

8、、相位，可以 区分为振幅调制、频率调制和相位调制。所有其他的调制方法都是从这三种类型之中引申出来的。 射频识别系统采用的调制方法是振幅键控（ASK ）、频移键控（ FSK）和相移键控（ PSK）的数字调制方法。在本设计中所遵循的协议 ISO 14443 TYPE A 中，规定了 13.56MHz 射频系统中对 IC 卡通信 所采用的是 100%ASK 调制和副载波调制。因此本文也是重点研究这两种调制方法。2.3.1 100%ASK 调制振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息， 而其中频率和初始相位保持不变。 在 2ASK 中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应着二进制信息0和 1。其中已

9、调波的键控度 mA的表达式为：mA (A B)/(A B) * 100%公式（ 1）式中 A 、 B 分别为已调波的峰峰值。因此， 100%ASK 就是式中 B 值为 0，所以在调制中用零电平来表示二进制0，用高电平表示公式（ 3）二进制 1 。其表达式为：e100%2ASK s(t)cos ct公式（ 2）其中s(t)ang(t nTs)n基于 ARM 开发平台的 13.56MHz 射频读写器的设计式中：Ts 为码元持续时间； g（t）为持续时间 Ts 的基带脉冲波形； an是第 n个符号的电平取值。 在这里 an的取值在 0和 1 之间。2.3.2 副载波调制13.56MHz 的 RFID

10、 系统中的副载波是指在 IC 卡中经过对本地 13.56MHz 频率信号进行分频后 得到的 847k 方波信号，然后用该方波信号对编码后的 IC 卡信号进行调制，这个过程就叫做副载 波调制。在 TYPE A 中使用 847k 副载波 OOK 调制，在 TYPE B 中使用 847k 副载波 BPSK 调制。在 IC 卡中，再用副载波调制信号来控制 IC 卡中的一个按键闭合与断开进而改变 IC 卡端的负 载。如图 2 所示， RFID 中读写器和 IC 卡端等效电路。1 LC1C2图 2 副载波调制原理图图 2 中初级回路和次级回路电压方程：公式（ 4）公式（ 5）Z11I1+ j MI2=V1

11、Z22I2 j MI 1 0其中， M 为 L1 和 L2 的互感， Z11 为初级回路的自阻抗， Z22 为次级回路的自阻抗。 联解公式（ 3）和公式（ 4）可得出：I12 Z ( M )2 Z11Z22公式（ 6）北京石油化工学院 2013 届优秀毕业论文其中令公式（ 7）2 Z ( M )2 Zf1Z22可以看出 Zf1是互感 M 和次级回路阻抗 Z 22的函数，故 Z f 1称为次级回路对初级回路的反射阻抗。于是可得：I1V1Z11公式（ 8）于是对于初级回路可以等效成如图 3 所示图3 读写器与 IC卡初级回路等效图由图 3 可以看出，线圈两端的输出电压 UAB 还与次级回路的阻抗

12、Z22 有关。如果改变负载 IC 卡的阻抗，则改变的方式可以反映到读写器端输出电压 UAB ，也即是场强的大小的变化。3 读写器的硬件设计3.1 硬件总体结构本读写器是要设计成为一个具有基本通信功能的 RFID 系统前端设备， 其必须能够跟符合 ISO I4443 协议的 IC 卡通信，同时也能够跟上位机（计算机系统）通信以至于能够读出和修改IC 卡的内容。因此，设计中应该基本配有一个射频模块用于处理卡的操作；在通信接口部分配置232 串口，用于与上位机通信、烧录程序和测试程序，同时配置 USB 接口，用作给电路板供电和烧录程基于 ARM 开发平台的 13.56MHz 射频读写器的设计序；配置

13、一个 ARM CPU 主频 100MHz 以上芯片，为以后扩展读写 CPU 卡做准备。硬件设计结构 图如图 4 所示。图4 读写器硬件框图如图 4 所示，通信接口模块、射频模块与 CPU 之间的通信是双向的，而其他外围电路中部分 电路只受 CPU 的单向控制，另外一部分电路负责对 CPU 输入，这是因为：（ 1）在通信接口里面 包含了 RS232 串口和 USB 串口，在本设计中需要通过 USB 串口使电路板与上位机联机， USB 串 口模块还负责供电和烧录程序等功能； RS232 串口则主要用来烧录程序，并通过嵌入式编程的打 印输来出测试软件的正确。（ 2）在射频模块， CPU 需要读写射频

14、芯片的寄存器和芯片内 FIFO 以 达到控制读写 IC 卡的功能。（ 3）在其他外围电路中，主要包括了蜂鸣器、LED 指示灯和电源转换电路。在这里面，蜂鸣器和 LED 指示灯是直接受到 CPU 的单向控制，而电源转换电路负责给 CPU 供给电源。通过综合考虑，本设计中 CPU模块采用 NXP 公司的 LPC 1752 芯片，射频模块采用 PHILIPS 公司的 MFRC522 芯片。3.2 射频模块如图 5 所示， 在发送部分， 引脚 TX2 上发送的信号是由包络信号调制的13.56MHz 载波能量，经过 L3 和 C16 组成的 EMC 滤波电路以及 C15 组成的匹配电路， 就可直接用来驱

15、动天线， TX2 上 的信号可通过寄存器 TxSelReg 来设置，系统默认为内部米勒脉冲编码后的调制信号。在 Rx 接收 部分，使用 R3 和 C12 以保证 Rx 引脚的直流输入电压保持在 VMID ，C4 和 R1 的作用是调整 Rx 引脚的交流输入电压。在本电路中， 芯片外接晶振取值根据技术手册建议值而搭配， 10M 电阻 R8 是为了帮助晶振起 振，使振荡器更加稳定。北京石油化工学院 2013 届优秀毕业论文图 5 MFRC522 外围电路3.3 通信串口模块由于 LPC1752 内部含有USB 的处理器，因此CPU 外围的 USB 接口电路只需要简单地按照USB2.0 的要求搭建。

16、其电路原理题图如图 6 所示。本设计中加入了 PSMS05 防雷芯片，芯片原理就是通过二极管的单向导电性防止 USB 输入端 出现较大的电压脉冲以导致烧坏电路板；在电路中 VBUS 还连接了 型滤波器，用于稳定 5V 输 入电压，抑制共模干扰； D+和 D- 差分信号分别都接了 LC 振荡器，与其线上值为 75的 R2、R4 电阻进行匹配； D2 二极管的使用是为了防止 VBUS 电源出现反接； D+ 上并联的 R7 是上拉电阻， 为了增强输入信号强度。图 6 USB 接口电路图基于 ARM 开发平台的 13.56MHz 射频读写器的设计4 读写器软件设计本设计中所采用的嵌入式软件是基于开源免

17、费的操作系统FREERTOS 之上的应用软件结构，其主要包括操作系统 FREERTOS 、读写器的读写任务程序、设备驱动程序和与上位的机通信程序。其结构框图如图 7 所示。应用程序系统服务硬件电路在本设计中采用的软件绝大部分是用研究应用程序的射频读写卡程序。C 语言所编写的，带有少量的汇编程序。本设计中主要5 测试结果图 8 是测试读写器功能的流程图。图 8 读写器测试流程图在实际测试中，通过 USB 接口给电路板上电后，指示灯和蜂鸣器都正常工作，通过电压表测 得电路板各端电压正常。用一张 IC 卡接近天线时，电路板的蜂鸣器发出正确检测 IC 卡的提示音。 此时可以判断硬件电路没有短路和断路，

18、 PCB 板基本实现了电路原理图。接着把电路板和上位机软件联机来测试读卡器读写 IC 卡的功能， 主要测试读写器的读取和修改 IC 功能。北京石油化工学院 2013 届优秀毕业论文在上位机测试中首先读取了 IC 卡的第一扇区，然后修改第一扇区，使得该扇区的前三数据块的后五位变成“ 12345 ”，最后重新读取第一扇区检测是否修改成功，如图9 所示。整个测试结果表明了读写器无论从硬件上还是从软件上都实现了当初的设计，实现了其基本读取和修改 IC 卡功 能，达到了设计的目的。图9 上位机读写卡测试6 总结与展望6.1 总结作为 21 世纪十大重要应用技术之一， RFID 技术在当今高科技领域得到越

19、来越广泛的应用， RFID 读写器的设计也成为一个重要的课题。随着技术的进步，人们对 RFID 读写器的读写性能、 应用功能、 成本和功耗都提出了愈来愈高的要求。 本课题主要完成了一种基于 ARM 嵌入式平台的 RFID 读写器的方案研究和设计实现，主要做了以下工作：（1）研究了 RFID 系统的基本通信原理、传输协议、电子标签和读写器的构造。（2）对 ARM 嵌入式平台进行研究，熟悉掌握了 LPC1752 和 MFRC522 的开发方法。（3）完成了读写器终端的设计、读写器的电路原理图和PCB 图、设备的焊接和调试，使得读写器能够在硬件上兼容读取 TYPE A 和 TYPE B 的 IC 卡

20、，同时通过 USB 接口和 RS232 串口与 计算机通信。（4）在完成硬件平台的基础上， 软件上熟悉和掌握基于 C 语言的嵌入式基本编程， 深入研究 并掌握了系统射频模块的代码。（5）烧录测试程序，测试读卡器实物，验证读写器的读写IC 卡功能 。基于 ARM 开发平台的 13.56MHz 射频读写器的设计6.2 展望 尽管本研究中的读卡器能基本完成基本的 IC 卡读写功能，但是，随着人们对读写器功能的要 求日益增加，本次研究的读卡器还存在很多需要改进的地方：（1）在设计读写器的时候没有考虑设备与互联网的连接部分。（2）本设计的读写器缺乏良好的人机交换模块，如键盘模块和液晶屏显示模块。（3）随

21、着技术的发展，现在社会上已经出现了破解ISO 14443 TYPE A 卡的设备，因此使读写器能够读写更加高级的 CPU 卡变得至关重要。这不仅需要在硬件上添加 psam 加密模块，还需 要在软件上添加专门读写 CPU 卡的程序。Abstract: RFID is a radio frequency identification technology. As one of the ten most important technology of the 21st century, RFID has penetrated into all walks of life which, in toda

22、ys society, in terms of logistics, freight, consumption and access control, etc. This paper studies the development platform based on ARM 13.56MHz RFID reader design. This paper studied the basic principles of RFID, including radio frequency identification technology, coding theory,modulation and th

23、e introduction ofARM microprocessor. And then based on these theories, according to reader design ideas and basic block diagram of a circuit diagram, this study designed the CPU module, RF module, power module, serial communication module, psam encryption module and the LED lights indicating module. It also gave the corresponding PCB. Then the paper realized the reader embedded software programming, through the RF module to achieve the functions of identifying IC cards, certificatingIC cards,