1、2021-7-121 第6章 RFID讀寫器 功能：讀取或寫入電子標簽的設 備，讀取，顯示和數據處理等。 具體： 給標簽提供能量 實現與電子標簽通信 實現與計算機通信 多標簽識別 移動目標識別 具備數據記錄功能 存在形式：單獨或嵌入式。 讀寫器頻率決定整個系統工作頻率。 2021-7-122 6.1讀寫器的組成與設計要求 6.1.1讀寫器的組成 2021-7-123 讀寫器工作過程 2021-7-124 1讀寫器的軟件 讀寫器的所有行為均由軟件控制完成。軟件 向讀寫器發出讀寫命令，作為響應，讀寫器與電 子標簽之間就會建立起特定的通信。 讀寫器的軟件已經由生產廠家在產品出廠時 固化在讀寫器中。軟

2、件負責對讀寫器接收到的指 令進行響應，并對電子標簽發出相應的動作指令 。軟件負責系統的控制和通信，包括控制天線發 射的開關、控制讀寫器的工作模式、控制數據傳 輸和控制命令交換。 2021-7-125 2021-7-126 2讀寫器的硬件 硬件組成：天線、射頻模塊、控制模塊和接口 組成。 控制模塊是讀寫器的核心，一般由ASIC（ Application-Specific Integrated Circuit ）組件和 微處理器組成。 控制模塊處理的信號通過射頻模塊傳送給讀寫器 天線，由讀寫器天線發射出去。控制模塊與應用 軟件之間的數據交換，主要通過讀寫器的接口來 完成。 2021-7-127 （

3、1）控制模塊。 微處理器是控制模塊的核心部件。 ASIC組件主要用來完成邏輯加密的過程，如對 讀寫器與電子標簽之問的數據流進行加密，以 減輕微處理器計算過于密集的負擔。對ASIC的 存取，是通過面向寄存器的微處理器總線實現 的。 2021-7-128 控制模塊功能： 與應用軟件通信； 控制讀寫器與電子標簽通信過程； 編碼與解碼； 執行防碰撞； 對數據加密與解密； 對讀寫器和電子標簽的身份認證。 2021-7-129 （2）射頻模塊。 射頻前端主要由發送電路和接收電路構成，用 以產生高頻發射功率，并接收和解調來自電子標 簽的射頻信號。 2021-7-1210 射頻模塊功能： 2021-7-121

4、1 （3）讀寫器的接口。 功能：實現讀寫器控制模塊與應用軟件之間的 數據交換，接口可以采用RS-232、RS-485、RJ- 45、USB2.0或WLAN接口。 （4）天線。 2021-7-1212 6.1.2讀寫器的設計要求 讀寫器在設計時需要考慮許多因素，包括基本 功能、應用環境、電器性能和電路設計等。讀寫 器在設計時需要考慮的主要因素如下。 1讀寫器的基本功能和應用環境（是否多標簽 ，周邊自然環境，是固定還是移動等） 2讀寫器的電氣性能（防碰撞算法的實現方法 ，是否加密等） 3讀寫器的電路設計（天線形式，現有集成芯 片或自行設計等） 2021-7-1213 讀寫器分類： 1.按外形不同：

5、固定式，工業讀寫器，手持機， 發卡機； 2.按頻率不同：低頻，高頻，超高頻和微波。 那么，不同頻率的讀寫器的核心芯片構成是怎樣 的？ 2021-7-1214 6.2低頻讀寫器 射頻識別技術首先在低頻得到應用和推廣。低頻 讀寫器主要工作在125kHz，可以用于門禁考勤、 汽車防盜和動物識別等方面。 6.2.1基于U2270B芯片的讀寫器 U2270B芯片是ATMEL公司生產的基站芯片，該基站 可以對一個非接觸式的IC卡進行讀寫操作。 U2270B基站的射頻頻率工作在100150kHz的范圍 內，在頻率為125kHz的標準情況下，數據傳輸速 率可以達到5 000b/s。 2021-7-1215 2

6、021-7-1216 由由U U2270B構成的讀寫器模塊，關鍵部分是天線、射頻讀寫基構成的讀寫器模塊，關鍵部分是天線、射頻讀寫基 站芯片站芯片U2270B和微處理器。和微處理器。工作時，基站芯片工作時，基站芯片U2270B通過通過 天線以約天線以約125kHz的調制射頻信號為的調制射頻信號為RFID卡提供能量卡提供能量 （電電 源源），同時接收來自，同時接收來自RFID卡的信息，并以曼徹斯特編碼輸出。卡的信息，并以曼徹斯特編碼輸出。 2021-7-1217 U2270B芯片的內部由振蕩器、天線驅動器、芯片的內部由振蕩器、天線驅動器、 電源供給電路、頻率調節電路、低通濾波電電源供給電路、頻率調

7、節電路、低通濾波電 路、高通濾波電路、輸出控制電路等部分組路、高通濾波電路、輸出控制電路等部分組 成，其內部結構如圖成，其內部結構如圖6-6-6所示。所示。 2021-7-1218 2021-7-1219 6.2.2考勤系統的讀寫器 由U2270B構成的讀寫器，可以用于學生考勤系統 。其中，標簽由卡片構成，讀卡器由基站芯片 U2270B及其支撐電路、主控芯片MCU(Main Computational Unit)及其支撐電路、外圍接口電 路（鍵盤、液晶、時鐘和串口模塊）構成。 學生考勤系統的工作原理如下： l 平時，MCU工作于低功耗狀態，標簽因為沒有能量而處 于休眠狀態； l 當按下鍵盤上的

8、工作按鈕時，MCU被換醒，同時激活 U2270B開始工作，U2270B的兩個天線端子通過線圈將能 量傳輸給外界； l 當有標簽靠近讀寫器的線圈時，標簽獲得能量開始工作， 并將其內部存儲的信息發送到U2270B的輸入端。U2270B 經過轉換后再將信息發送給MCU，MCU接收到信息后將 其轉換成可識別的數據，再將其送至液晶屏幕顯示。 2021-7-1220 2021-7-1221 6.2.3汽車防盜系統的讀寫器 汽車防盜裝置應具有無接觸、工作距離大、精度汽車防盜裝置應具有無接觸、工作距離大、精度 高、信息收集處理快捷、環境適應性好等特點，高、信息收集處理快捷、環境適應性好等特點， 以便加速信息的

9、采集和處理。射頻識別以非接觸以便加速信息的采集和處理。射頻識別以非接觸 、無視覺、高可靠的方式傳遞特定的識別信息，、無視覺、高可靠的方式傳遞特定的識別信息， 適合用于汽車防盜裝置，能夠有效地達到汽車防適合用于汽車防盜裝置，能夠有效地達到汽車防 盜的目的。盜的目的。 1防盜系統的工作原理防盜系統的工作原理 汽車防盜裝置的基本原理是將汽車啟動的機械汽車防盜裝置的基本原理是將汽車啟動的機械 鑰匙與電子標簽相結合，即將小型電子標簽直接鑰匙與電子標簽相結合，即將小型電子標簽直接 裝入到鑰匙把手內，當一個具有正確識別碼的鑰裝入到鑰匙把手內，當一個具有正確識別碼的鑰 匙插入點火開關后，汽車才能用正確的方式進

10、行匙插入點火開關后，汽車才能用正確的方式進行 啟動。該裝置能夠提供輸出信號控制點火系統，啟動。該裝置能夠提供輸出信號控制點火系統， 即使有人以破壞的方式進入汽車內部，也不能通即使有人以破壞的方式進入汽車內部，也不能通 過配制鑰匙啟動汽車達到盜竊的目的。過配制鑰匙啟動汽車達到盜竊的目的。 2021-7-1222 一個典型的汽車防盜系統由電子標簽和讀寫器兩 部分組成。電子標簽是信息的載體，應置于要識 別的物體上或由個人攜帶；讀寫器可以具有讀或 讀寫的功能，這取決于系統所用電子標簽的性能 。 2防盜系統的組成 本系統中的硬件電路主要選擇了電子標簽、讀寫 電路（采用芯片U2270B）、單片機（AT89

11、S51 ）、語音報警電路、電源監控電路、存儲接口電 路和汽車發動機電子點火系統。 2021-7-1223 3 3硬件電路設計硬件電路設計 系統中的硬件電路主要選擇了射頻識別基站芯片系統中的硬件電路主要選擇了射頻識別基站芯片 U2270BU2270B、單片機、單片機AT89S51AT89S51、語音合成芯片、語音合成芯片ISD2560ISD2560和和 雙雙R RS S232232發送發送/ /接收器接收器MAX232MAX232等。等。U2270BU2270B是非接觸識是非接觸識 別系統中一種典型的低頻讀寫基站芯片，是電子標別系統中一種典型的低頻讀寫基站芯片，是電子標 簽和單片機之間的接口。簽

12、和單片機之間的接口。U2270BU2270B一方面向電子標簽一方面向電子標簽 傳輸能量、交換數據傳輸能量、交換數據；另一方面負責電子標簽與單另一方面負責電子標簽與單 片機之間的的數據通信。片機之間的的數據通信。 2021-7-1224 4軟件系統設計軟件系統設計 軟件系統設計包括讀卡軟件設計、寫卡軟件設計、語音軟件系統設計包括讀卡軟件設計、寫卡軟件設計、語音 報警程序設計和串行通信程序設計等。報警程序設計和串行通信程序設計等。IC卡發射的數據卡發射的數據 由基站天線接收后，由由基站天線接收后，由U2270B處理后經基站的處理后經基站的Output腳腳 把得到的數據流發給微處理器把得到的數據流發

13、給微處理器AT89S51的輸入口。這里基的輸入口。這里基 站只完成信號的接收和整流的工作，而信號解碼的工作要站只完成信號的接收和整流的工作，而信號解碼的工作要 由微處理器來完成。微處理器要根據輸入信號在高電平、由微處理器來完成。微處理器要根據輸入信號在高電平、 低電平的持續時間來模擬時序進行解碼操作。低電平的持續時間來模擬時序進行解碼操作。 2021-7-1225 6.3高頻讀寫器 6.3.1 MF RC500芯片 PhilipsPhilips公司的公司的MF RC500MF RC500芯片主要應用于芯片主要應用于13.56MHz13.56MHz，是非，是非 接觸、高集成的接觸、高集成的ICI

14、C讀卡芯片。該讀卡芯片。該ICIC讀卡芯片利用先進的調讀卡芯片利用先進的調 制和解調概念，集成了在制和解調概念，集成了在13.56MHz13.56MHz下所有類型的被動非接下所有類型的被動非接 觸式通信方式和協議。觸式通信方式和協議。 MF RC500MF RC500支持支持ISO/IEC 14443 AISO/IEC 14443 A所有的層，所有的層，MF RC500MF RC500還支還支 持快速持快速CRYPTOICRYPTOI加密算法，用于驗證加密算法，用于驗證MIFAREMIFARE系列產品。系列產品。MF MF RC500RC500的并行接口可直接連接到任何的并行接口可直接連接到任

15、何8 8位微處理器，給讀卡位微處理器，給讀卡 器的設計提供了極大的靈活性。器的設計提供了極大的靈活性。 2021-7-1226 1MF RC500芯片的特性 2021-7-1227 載波頻率為13.56MHz; 天線驅動電路僅需很少的外圍元件,有效距離可達10cm; 內部集成有并行接口控制電路,可自動檢測外部微控制器 (MCU)的接口類型; 具有內部地址鎖存和IRQ線,可以很方便地與MCU接口. 集成有64字節的收發FIFO緩存器; 內部寄存器,命令集,加密算法可支持TYPE A標準的各項功 能,同時支持MIFARE類卡的有關協議. 數字,模擬,發送電路都有各自獨立的供電電源. 2021-7-

16、1228 2MF RC500芯片引腳的功能 2021-7-1229 6.3.2 基于MF RC500芯片的讀寫器 1基于AT89S51和MF RC500的讀寫器系統 根據根據RFIDRFID原理和原理和MF RC500MF RC500的特性，可設計基于的特性，可設計基于 AT 89S51AT 89S51和和MF RC500MF RC500的的RFIDRFID讀寫器系統讀寫器系統 2021-7-1230 （1）系統硬件設計。 系統主要由AT89S51、MF RC500、時鐘電路、看 門狗、MAX232和矩陣鍵盤等組成。系統先由MCU控 制MF RC500，驅動天線對MIFARE卡（也即電子標 簽

17、）進行讀寫操作，然后與PC通信，把數據傳給 上位機。 （2）系統天線設計。 為了驅動天線，MF RC500通過TX1和TX2提供 13.56MHz的載波。根據寄存器的設定MF RC500對 發送數據進行調制來得到發送的信號。天線接收 的信號經過天線匹配電路送到MF RC500的RX腳。 MF RC500的內部接收器對信號進行檢測和解調， 并根據寄存器的設定進行處理，然后將數據發送 到并行接口，由微控制器進行讀取。 2021-7-1231 （3）系統工作流程。 對MF RC500絕大多數的控 制是通過讀寫MF RC500的 寄存器實現的。MFRC500共 有64個寄存器，分為8個寄 存器頁，每頁

18、8個，每個寄 存器都是8位。單片機將這 些寄存器作為片外RAM進行 操作，要實現某個操作， 只需將該操作對應的代碼 寫入對應的地址即可。當 對應的電子標簽進入讀寫 器的有效范圍時，電子標 簽耦合出自身工作的能量 ，并與讀寫器建立通信。 2021-7-1232 2基于P89C58BP和MF RC500的讀寫器系 統 根據RFID原理和MF RC500的特性，可以設計基于 P89C58BP和MF RC500的RFID讀寫器系統。該系統由 MIFARE卡、發卡器、讀卡器和PC管理機組成，其中， MIFARE卡存放身份號（PIN）等相關數據，由發卡器將密 碼和數據一次性寫入。 2021-7-1233

19、（1）發卡器和讀卡器。 發卡器實際上是一種通用寫卡器，直接與PC的 RS-232串行口相連，或經過RS-485網絡間接與 PC相連。 與讀卡器不同，發卡器往往處于被動地位，不 主動讀寫進入射頻能量范圍內的射頻卡，而是必 須接收PC的命令才操作，即必須聯機才能工作。 讀卡器是主動操作的，讀卡器往往可以脫離PC工 作，只要有非接觸式IC卡進入讀卡器天線的能量 范圍，讀卡器便可讀寫卡中相關指定扇區的數據 。 （2）讀卡器硬件系統。 發卡器與讀卡器在硬件設計上大同小異，都是由 單片機控制專用讀寫芯片（MF RC500），再加 上一些必要的外圍器件組成。 2021-7-1234 2021-7-1235

20、6.4 微波讀寫器 微波RFID系統是目前射頻識別系統研發的核心， 是物聯網的關鍵技術。微波RFID常見的工作頻率 是433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz 等，該系統可以同時對多個電子標簽進行操作， 主要應用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的 場合。本節主要介紹一種基于ISO18000-6B的遠 距離RFID讀寫器的設計。 2021-7-1236 6.4.1 系統構成和工作原理 讀寫器的組成原理如圖6-17所示，整個讀寫器 的硬件包括基帶處理電路、射頻發射電路和射頻 接收電路3個部分。 2021-7-1237 6.4.2 系統硬件設計與實現 1. 射頻發射電路 射頻

21、發射電路完成載波以及調制信號的發射。調制方 式為ASK，調制深度選用100，發射信號的輸出衰減數 字可控，使用FPGA進行配置。 2. 射頻接收電路 射頻接收電路主要實現標簽返回信號的解調。為降低 后端DSP的處理難度，采用I、Q兩路直接下變頻的方式進 行解調，如圖6-18所示。 讀寫器工作過程中存在的一個主要問題是載波泄漏干 擾。可以從以下兩方面解決該問題。首先，采用ldB截止 點較高的無源混頻器進行混頻。其次，采用移相反饋回 路抵消或減弱泄漏的載波信號。 2021-7-1238 2021-7-1239 3. 基帶處理電路 基帶處理電路是整個電路的控制中心，提供整個 讀寫器硬件電路的控制信號

22、，根據上位機的命令 控制讀寫器的工作，包括編碼、解碼、CRC校驗 和防碰撞處理等。為了保證電路的處理速度和可 擴展性，在設計中采用了DSP芯片和FPGA芯片相 結合的方式 2021-7-1240 6.4.3通信鏈路信號分析 1. 前向信號編碼與調制 讀寫器發送到標簽的信號稱為前向信號。前向信號的編碼 方式為曼徹斯特編碼，調制方式為ASK，調制深度為100% ，位速率為40kb/s。本系統采用DSP芯片內部的通用I/O口 直接輸出高低電平來控制射頻發射電路載波的發送和停止 ，以實現前向信號的編碼、調制，其中，高低電平由曼徹 斯特編碼序列決定，時間由DSP定時器控制。 2021-7-1241 2.

23、 后向信號的解調與解碼 標簽到讀寫器的信號稱為后向信號。后向信號的 編碼方式為FM0編碼，速率為40kb/s。FM0編碼又 稱為差動雙向碼，是在一個位窗口內采用電平變 化表示邏輯1和邏輯0的，如果電平只在位窗口的 起始處翻轉則表示邏輯1；如果電平除了在位窗口 的起始處翻轉外，還在位窗口的中間翻轉則表示 邏輯0。用位窗口內的雙位邏輯表示，11或00 表 示邏輯1，10或01表示邏輯0。FM0編碼與前一位數 據邏輯有關，根據前一位數據邏輯的不同，數據 A3有兩種不同的FM0編碼。可以通過判斷雙位邏輯 及前一位數據邏輯進行解碼。 2021-7-1242 6.4.4程序設計與實現 1. FPGA程序

24、本設計中，FPGA主要提供系統時鐘、RAM的讀寫控 制邏輯以及調試過程中后向信號的邏輯仿真。內 置PLL產生的穩定時鐘供DSP使用；根據DSP讀寫邏 輯及RAM的操作產生RAM的讀寫時序邏輯；根據應 用環境的要求產生控制發射電路輸出衰減的邏輯 信號。另一方面，用FPGA生成調試過程中需要的 標簽返回的后向信號波形，以便于調試 2. DSP程序 DSP主程序通過串口和上位機通信，接收并解析上 位機指令，編碼后發送給射頻發射電路。從射頻 接收電路輸出的I、Q兩路信號，經A/D模塊采樣后 ，合成一路信號。主程序對此信號進行同步、FM0 解碼、CRC校驗，得到最終數據，并將正確的數據 上傳到上位機中。