1、<p>　　基于ARM開發(fā)平臺的13.56MHz射頻讀寫器的設(shè)計</p><p>　　摘 要 射頻識別（Radio frequency identification，RFID）是一種無線射頻識別技術(shù)，其在物流、貨運、消費和訪問控制等等方面都有廣泛的應(yīng)用。本文研究了基于ARM開發(fā)平臺的13.56MHz的RFID讀寫器的設(shè)計。具體方案是通過結(jié)合硬件和軟件，硬件上設(shè)計了電路原理圖中的CPU模塊、射頻模塊、電源

2、模塊、串口通信模塊、psam加密模塊和LED燈指示模塊；軟件上實現(xiàn)了讀寫器的嵌入式軟件編程，主要包括通過射頻模塊達到識別電子射頻卡、認證電子射頻卡、讀取和修改電子射頻卡內(nèi)信息等目的。最后，通過上位機軟件對一張空白IC卡進行讀寫功能測試。測試結(jié)果表明讀寫器能順利完成其基本功能。因此本設(shè)計的基于ARM開發(fā)平臺所設(shè)計的RFID讀寫器能基本實現(xiàn)對近場RFID系統(tǒng)中IC卡信息的采集功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞 RFI

3、D讀寫器，ARM嵌入式，LPC1752，MFRC522</p><p><b>　　1 前言</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種利用射頻信號通過空間電磁場的耦合來實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通

4、過傳遞的信息達到識別功能的技術(shù)。</p><p>　　RFID的使用頻段通常為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療特別保留的ISM頻段。ISM各頻段的代表頻率分別為6.78MHz、13.56MHz、27.125MHz、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz、915.0MHz、2.45GHz、5.18GHz、24.125GHz以及60GHz等。在這些ISM頻段中，13.56MHz是最典型的RFID高頻工作頻率，該頻率的

5、電子標簽是實際應(yīng)用中使用量最大的電子標簽之一。這種電子標簽被大量地應(yīng)用在金融卡領(lǐng)域、消費領(lǐng)域和訪問控制領(lǐng)域等等，例如在我國使用的二代居民身份證就是頻率為13.56MHz的電子標簽。因此，研究射頻頻率為13.56MHz的電子標簽讀寫器具有實際應(yīng)用的意義。</p><p>　　1.2 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計首先研究了RFID讀寫器的基本原理，然后結(jié)合硬件和軟件設(shè)計了一個頻

6、率為13.56MHz的RFID讀寫器。在硬件上，本課題主要側(cè)重于研究讀寫器的電路原理圖和電路板設(shè)計；在軟件上，本課題主要是對基于C語言的部分嵌入式讀卡程序進行研究。最后通過上位機軟件對設(shè)計進行實物測試，驗證所設(shè)計讀寫器具有基本讀寫IC卡的功能。</p><p>　　2 RFID基本原理及其開發(fā)平臺</p><p>　　2.1 RFID系統(tǒng)</p><p>　　RFI

7、D技術(shù)是指一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用無線射頻識別信號空間耦合（電磁感應(yīng)或者是電磁傳播）的傳輸特性，實現(xiàn)對目標對象的自動識別和修改其信息。一個常用的RFID系統(tǒng)通常由電子標簽、讀寫器和計算機通信網(wǎng)絡(luò)等三部分構(gòu)成。圖1是RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.2 編碼技術(shù)</b></p

8、><p>　　2.2.1 信源編碼</p><p>　　射頻系統(tǒng)中現(xiàn)在普遍使用的信源編碼有幾種：曼徹斯特（Manchester）編碼、反向非歸零（NRZ）編碼、單級性歸零（DBP）編碼、密勒（miller）碼、改進型密勒碼。其中在本設(shè)計主要運用到的是曼徹斯特編碼、密勒碼和密勒改進碼。</p><p><b>　?。?）曼徹斯特編碼</b></

9、p><p>　　曼徹斯特碼又稱雙相碼，它的特點是在半個比特周期時下降沿表示二進制1，上升沿表示二進制0。特點是每個碼元的中心均存在點評跳變，若無跳變則視為異常。</p><p><b>　　（2）密勒碼</b></p><p>　　密勒碼的電平轉(zhuǎn)換規(guī)則是：自然二進制碼為1時，半比特周期內(nèi)用上升沿或下降沿表示。二進制0的編碼電平在1比特周期內(nèi)不改變，

10、但遇到連0的情況時，在第一個0結(jié)束時，也就是后一個0開始時電平轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　（3）改進型密勒碼</b></p><p>　　改進型密勒編碼就是在密勒碼的基礎(chǔ)上每個邊沿都用負脈沖替代。改進的米勒編碼在電感耦合式射頻識別系統(tǒng)中用于讀寫器到IC卡的數(shù)據(jù)傳輸。很多的脈沖持續(xù)時間（）就可以在數(shù)據(jù)傳輸過程中保證讀寫器的高頻場中連續(xù)供給IC卡能量。</p

11、><p>　　2.2.2 差錯控制編碼</p><p>　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，一般誤碼是不可避免，而為了減少誤碼，提高通信可靠性一直是設(shè)計通信系統(tǒng)所追求的最主要的目標之一。差錯控制編碼就是信道編碼中為了提高通信的可靠性而發(fā)展起來的一種差錯控制技術(shù)，所以也稱信道編碼為差錯控制編碼。</p><p>　　目前，RFID中的差錯控制編碼主要是采用奇偶檢驗碼和CRC碼，它們都屬

12、于線性分組碼。</p><p><b>　　2.3 調(diào)制技術(shù)</b></p><p>　　傳統(tǒng)的無線電技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)，根據(jù)電磁波的三種不同參數(shù)——幅度、頻率、相位，可以區(qū)分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。所有其他的調(diào)制方法都是從這三種類型之中引申出來的。射頻識別系統(tǒng)采用的調(diào)制方法是振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）的數(shù)字調(diào)制方法。</p

13、><p>　　在本設(shè)計中所遵循的協(xié)議ISO 14443 TYPE A中，規(guī)定了13.56MHz射頻系統(tǒng)中對IC卡通信所采用的是100%ASK調(diào)制和副載波調(diào)制。因此本文也是重點研究這兩種調(diào)制方法。</p><p>　　2.3.1 100%ASK調(diào)制</p><p>　　振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其中頻率和初始相位保持不變。在2ASK中，載波的幅度只有兩

14、種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)著二進制信息0和1。其中已調(diào)波的鍵控度的表達式為：</p><p><b>　　公式（1）</b></p><p>　　式中A、B分別為已調(diào)波的峰峰值。</p><p>　　因此，100%ASK就是式中B值為0，所以在調(diào)制中用零電平來表示二進制0，用高電平表示二進制1。其表達式為：</p><p>&

15、lt;b>　　公式（2）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　公式（3）</b></p><p>　　式中：為碼元持續(xù)時間；g(t)為持續(xù)時間的基帶脈沖波形；是第n個符號的電平取值。在這里的取值在0和1之間。</p><p>　　2.3.2

16、 副載波調(diào)制</p><p>　　13.56MHz的RFID系統(tǒng)中的副載波是指在IC卡中經(jīng)過對本地13.56MHz頻率信號進行分頻后得到的847k方波信號，然后用該方波信號對編碼后的IC卡信號進行調(diào)制，這個過程就叫做副載波調(diào)制。在TYPE A中使用847k副載波OOK調(diào)制，在TYPE B中使用847k副載波BPSK調(diào)制。</p><p>　　在IC卡中，再用副載波調(diào)制信號來控制IC卡中的一

17、個按鍵閉合與斷開進而改變IC卡端的負載。如圖2所示，RFID中讀寫器和IC卡端等效電路。</p><p>　　圖2 副載波調(diào)制原理圖</p><p>　　圖2中初級回路和次級回路電壓方程：</p><p><b>　　公式（4）</b></p><p><b>　　公式（5）</b></p&g

18、t;<p>　　其中，M為L1和L2的互感，為初級回路的自阻抗，為次級回路的自阻抗。</p><p>　　聯(lián)解公式（3）和公式（4）可得出：</p><p><b>　　公式（6）</b></p><p><b>　　其中令</b></p><p><b>　　公式（7）&l

19、t;/b></p><p>　　可以看出是互感M和次級回路阻抗的函數(shù)，故稱為次級回路對初級回路的反射阻抗。于是可得：</p><p><b>　　公式（8）</b></p><p>　　于是對于初級回路可以等效成如圖3所示</p><p>　　圖3 讀寫器與IC卡初級回路等效圖</p><p&g

20、t;　　由圖3可以看出，線圈兩端的輸出電壓還與次級回路的阻抗有關(guān)。如果改變負載IC卡的阻抗，則改變的方式可以反映到讀寫器端輸出電壓，也即是場強的大小的變化。</p><p>　　3 讀寫器的硬件設(shè)計</p><p>　　3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本讀寫器是要設(shè)計成為一個具有基本通信功能的RFID系統(tǒng)前端設(shè)備，其必須能夠跟符合ISO I4443協(xié)議的I

21、C卡通信，同時也能夠跟上位機（計算機系統(tǒng)）通信以至于能夠讀出和修改IC卡的內(nèi)容。因此，設(shè)計中應(yīng)該基本配有一個射頻模塊用于處理卡的操作；在通信接口部分配置232串口，用于與上位機通信、燒錄程序和測試程序，同時配置USB接口，用作給電路板供電和燒錄程序；配置一個ARM CPU主頻100MHz以上芯片，為以后擴展讀寫CPU卡做準備。硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。</p><p>　　圖4 讀寫器硬件框圖</p>

22、<p>　　如圖4所示，通信接口模塊、射頻模塊與CPU之間的通信是雙向的，而其他外圍電路中部分電路只受CPU的單向控制，另外一部分電路負責對CPU輸入，這是因為：（1）在通信接口里面包含了RS232串口和USB串口，在本設(shè)計中需要通過USB串口使電路板與上位機聯(lián)機，USB串口模塊還負責供電和燒錄程序等功能；RS232串口則主要用來燒錄程序，并通過嵌入式編程的打印輸來出測試軟件的正確。（2）在射頻模塊，CPU需要讀寫射頻芯片

23、的寄存器和芯片內(nèi)FIFO以達到控制讀寫IC卡的功能。（3）在其他外圍電路中，主要包括了蜂鳴器、LED指示燈和電源轉(zhuǎn)換電路。在這里面，蜂鳴器和LED指示燈是直接受到CPU的單向控制，而電源轉(zhuǎn)換電路負責給CPU供給電源。</p><p>　　通過綜合考慮，本設(shè)計中CPU模塊采用NXP公司的LPC 1752芯片，射頻模塊采用PHILIPS公司的MFRC522芯片。</p><p><b&g

24、t;　　3.2 射頻模塊</b></p><p>　　如圖5所示，在發(fā)送部分，引腳TX2上發(fā)送的信號是由包絡(luò)信號調(diào)制的13.56MHz載波能量，經(jīng)過L3和C16組成的EMC濾波電路以及C15組成的匹配電路，就可直接用來驅(qū)動天線，TX2上的信號可通過寄存器TxSelReg來設(shè)置，系統(tǒng)默認為內(nèi)部米勒脈沖編碼后的調(diào)制信號。在Rx接收部分，使用R3和C12以保證Rx引腳的直流輸入電壓保持在VMID，C4和R1

25、的作用是調(diào)整Rx引腳的交流輸入電壓。</p><p>　　在本電路中，芯片外接晶振取值根據(jù)技術(shù)手冊建議值而搭配，10M電阻R8是為了幫助晶振起振，使振蕩器更加穩(wěn)定。</p><p>　　圖5 MFRC522外圍電路</p><p>　　3.3 通信串口模塊</p><p>　　由于LPC1752內(nèi)部含有USB的處理器，因此CPU外圍的USB接

26、口電路只需要簡單地按照USB2.0的要求搭建。其電路原理題圖如圖6所示。</p><p>　　本設(shè)計中加入了PSMS05防雷芯片，芯片原理就是通過二極管的單向?qū)щ娦苑乐筓SB輸入端出現(xiàn)較大的電壓脈沖以導(dǎo)致燒壞電路板；在電路中VBUS還連接了型濾波器，用于穩(wěn)定5V輸入電壓，抑制共模干擾；D+和D-差分信號分別都接了LC振蕩器，與其線上值為75Ω的R2、R4電阻進行匹配；D2二極管的使用是為了防止VBUS電源出現(xiàn)反接

27、；D+上并聯(lián)的R7是上拉電阻，為了增強輸入信號強度。</p><p>　　圖6 USB接口電路圖</p><p><b>　　4 讀寫器軟件設(shè)計</b></p><p>　　本設(shè)計中所采用的嵌入式軟件是基于開源免費的操作系統(tǒng)FREERTOS之上的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)，其主要包括操作系統(tǒng)FREERTOS、讀寫器的讀寫任務(wù)程序、設(shè)備驅(qū)動程序和與上位的機通信

28、程序。其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。</p><p><b>　　圖7 軟件結(jié)構(gòu)框架</b></p><p>　　在本設(shè)計中采用的軟件絕大部分是用C語言所編寫的，帶有少量的匯編程序。本設(shè)計中主要研究應(yīng)用程序的射頻讀寫卡程序。</p><p><b>　　5 測試結(jié)果</b></p><p>　　圖8是測試讀

29、寫器功能的流程圖。</p><p>　　圖8 讀寫器測試流程圖</p><p>　　在實際測試中，通過USB接口給電路板上電后，指示燈和蜂鳴器都正常工作，通過電壓表測得電路板各端電壓正常。用一張IC卡接近天線時，電路板的蜂鳴器發(fā)出正確檢測IC卡的提示音。此時可以判斷硬件電路沒有短路和斷路，PCB板基本實現(xiàn)了電路原理圖。</p><p>　　接著把電路板和上位機軟件聯(lián)

30、機來測試讀卡器讀寫IC卡的功能，主要測試讀寫器的讀取和修改IC功能。</p><p>　　在上位機測試中首先讀取了IC卡的第一扇區(qū)，然后修改第一扇區(qū)，使得該扇區(qū)的前三數(shù)據(jù)塊的后五位變成“12345”，最后重新讀取第一扇區(qū)檢測是否修改成功，如圖9所示。整個測試結(jié)果表明了讀寫器無論從硬件上還是從軟件上都實現(xiàn)了當初的設(shè)計，實現(xiàn)了其基本讀取和修改IC卡功能，達到了設(shè)計的目的。</p><p>　　

31、圖9 上位機讀寫卡測試</p><p><b>　　6 總結(jié)與展望</b></p><p><b>　　6.1 總結(jié)</b></p><p>　　作為21世紀十大重要應(yīng)用技術(shù)之一，RFID技術(shù)在當今高科技領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，RFID讀寫器的設(shè)計也成為一個重要的課題。隨著技術(shù)的進步，人們對 RFID 讀寫器的讀寫性能、

32、應(yīng)用功能、成本和功耗都提出了愈來愈高的要求。本課題主要完成了一種基于ARM嵌入式平臺的RFID讀寫器的方案研究和設(shè)計實現(xiàn)，主要做了以下工作：</p><p>　　研究了RFID系統(tǒng)的基本通信原理、傳輸協(xié)議、電子標簽和讀寫器的構(gòu)造。</p><p>　　對ARM嵌入式平臺進行研究，熟悉掌握了LPC1752和MFRC522的開發(fā)方法。</p><p>　　完成了讀寫器終

33、端的設(shè)計、讀寫器的電路原理圖和PCB圖、設(shè)備的焊接和調(diào)試，使得讀寫器能夠在硬件上兼容讀取TYPE A和TYPE B的IC卡，同時通過USB接口和RS232串口與計算機通信。</p><p>　　在完成硬件平臺的基礎(chǔ)上，軟件上熟悉和掌握基于C語言的嵌入式基本編程，深入研究并掌握了系統(tǒng)射頻模塊的代碼。</p><p>　?。?）燒錄測試程序，測試讀卡器實物，驗證讀寫器的讀寫IC卡功能。<

34、/p><p><b>　　6.2 展望</b></p><p>　　盡管本研究中的讀卡器能基本完成基本的IC卡讀寫功能，但是，隨著人們對讀寫器功能的要求日益增加，本次研究的讀卡器還存在很多需要改進的地方：</p><p>　　在設(shè)計讀寫器的時候沒有考慮設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的連接部分。</p><p>　　本設(shè)計的讀寫器缺乏良好的人機

35、交換模塊，如鍵盤模塊和液晶屏顯示模塊。</p><p>　?。?）隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在社會上已經(jīng)出現(xiàn)了破解ISO 14443 TYPE A卡的設(shè)備，因此使讀寫器能夠讀寫更加高級的CPU卡變得至關(guān)重要。這不僅需要在硬件上添加psam加密模塊，還需要在軟件上添加專門讀寫CPU卡的程序。</p><p>　　Abstract: RFID is a radio frequency identifi

36、cation technology. As one of the ten most important technology of the 21st century, RFID has penetrated into all walks of life which, in today's society, in terms of logistics, freight, consumption and access control

37、, 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

38、 and the introductio</p><p>　　Key words RFID reader, ARM embedded system,, LPC1752, MFRC522</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 黃玉蘭. 物聯(lián)網(wǎng)射頻核心技術(shù)詳解[M].2012年12月第一版. 北京：人民郵電

39、出版社，2012</p><p>　　[2]孫安青. Cortex-M3嵌入式開發(fā)實例詳解——基于NXP LPC1768[M].2012年10月第一版. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012</p><p>　　[3]吳曉峰，陳大才. 射頻識別技術(shù)（第三版）[M].2006年10月第一版. 北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[4]孫永飛. 基于A