基于TR1000的915 MHz射频读卡器设计
2009-07-09
作者：周 密， 朱洪俊
摘 要: 以ATMEL公司的ATmega16单片机设计RFID读卡器的主控模块，以RFM公司的TR1000芯片设计射频发射和接收模块，按照频段和相关协议设计了与读写模块相配套的天线，给出了读卡器关键部分ATmega16与TR1000的接口电路原理， 同时根据ISO18000-Type B标准给出了RFID读写器控制协议的软件设计总体流程。
关键词: 射频识别； 读卡器； 射频标签； ISO/IEC18000-6Type B
近几年来，无线射频识别技术越来越受各国重视，工作于125 kHz和13.56 MHz等较低频段的射频识别技术已经比较成熟。随着国内外在供应链管理、集装箱、工业、科研和医药等行业上对3 m以上射频识别技术的需求,国内外已经把研究的热点转向超高频段和微波频段。高频远距离非接触IC卡读写系统由于技术难度大、成本高、标准不统一等因素，在我国一般只应用在高速公路收费、重要部门的身份识别等高要求的场合。在今后几年物流网的发展中，我国将是最大的EPC（Electornic Product Code)用户，而基于高频远距离非接触IC卡技术恰恰是EPC技术的核心技术。为此，本文对915 MHz射频读卡器的控制、射频接口、读卡天线、读写系统数据通信等部分进行了研究。
1 主要硬件电路设计
系统主要由MCU电路模块、基于TR1000的基站模块、天线模块、串行通信模块、LED状态显示和报警电路所构成，其结构如图1所示。
1.1 MCU模块
单片机选用ATMEL公司的ATmega16。它是一种基于增强RISC结构、低功耗、CMOS技术、8位控制器的高性能芯片。具有16 KB Flash、512 B EEPROM、1 KB SRAM的强大存储功能，支持在线编程ISP，具有看门狗和JTAG接口等。MCU单元的复位电路选用X5045芯片，它带SPI接口的内部Flash，能读写该配置信息与模块ID。单片机的引脚作用及简单的外围电路如图2所示。其中,ATmega16的3、4、16、17引脚控制射频芯片的接收、发送、睡眠工作模式。
当SECTRL1、SECTRL0都为“0”时，射频发射模块休眠；当SECTRL1为“1”、SECTRL0为“0”时，射频发射模块处于OOK发射状态；当RECTRL1、RECTRL0都为“0”时，射频模块休眠；当RECTRL1为“1”、RECTRL0为“0”时，射频模块处于ASK接收模块。引脚14、15为ATmega16基带数据的输出与输入引脚，是射频模块和主控模块的通道。另外，ATmega16没有ALE、WR、RD口，但可分别选用PD4、PC6、PC7口模拟。
1.2 基站模块
射频收发的核心芯片采用RFM公司的OOK/ASK通用无线射频收发器芯片TR1000，其主要特点是：具有OOK和ASK两种调制解调方式；具有调制发送和接收解调功能；中心工作频率约为916.5 MHz；具有最高可达115.2 kb/s的基带速率；工作电压一般约为3 V左右；工作温度范围在：-40 ℃～-85 ℃。
1.2.1 OOK射频发射模块
由于ISO/IEC18000-6Type B 协议规定读卡器到射频标签端的射频调制方式为99%的ASK(振幅键控)调制，在这里将其作为OOK(通断键控)调制。当引脚SECTRL1为“1”、SECTRL0为“0”时处于工作状态，其电路如图3所示。另外，为提高读卡器的输出功率需采用芯片设计功率放大电路。
1.2.2 射频接收模块
ISO/IEC18000-6Type B协议规定了从卡片到读卡器的信号采用反向散射调制。而从调制波形来看其仍与ASK调制波形相类似。因此,在这里将TR1000的SECTRL1和SECTRL0引脚设置为高电平，而RXDATA作为基带数据输出引脚，其电路如图4所示。
1．3 天线模块
非接触IC卡与读卡器之间的通信是按照一定通信协议通过天线系统由电磁波传输完成。本系统是远距离系统，是在微波范围内利用反向散射技术进行工作，其模式与雷达有些类似。因此，天线设计的理论依据：参照雷达的原理，由读卡器产生的高频信号从读卡器天线以一定的方向辐射到空间，在辐射范围内的射频标签接收到的功率密度S为: 
由于天线的有效接收面积为：
最后得出读卡器天线接收的功率为：
由式(1)～(5)可知，要想增大读卡距离，除了提高读卡器的发射功率以外，还要适当提高天线的接收面积和增益。因为本系统的射频频率为915 MHz,其波长约为328 mm,本系统采用微带技术的圆极化天线,按照915 MHz矩形微带天线的技术指标，在设计过程中考虑到天线的频带、工作频率、工作环境等原因，馈电部分采用了3 dB双分支微带定向耦合器结构,用空气作为填充介质,用铝板制造微带底板,天线的辐射部分为一块正方形铜板,分别从各边中点馈电，其他关键部分采用铜板。
1．4 通信模块
为了使所设计的读写模块能方便地嵌入到各种应用系统中(如门禁、公交收费、考勤) ,该读写模块可通过3 种方式通信:RS232、TTL 串口和自定义两线制通信模式进行通信。通信方式的选择,可在模块中通过跳线来实现。
2 系统软件设计
设计思想: 当有射频标签进入距离射频天线工作范围内时, 读卡器就可以读到卡中的数据。系统单片机将所读数据进行分析处理, 如果读卡成功则指示灯闪烁一次,同时蜂鸣器鸣叫一声，并将标签内的数据与当前时间一起存入单片机内的EEPROM, 接着在LED显示器上显示卡数据。如果没有射频标签进入天线工作范围, 则在显示器上显示当前时间；如果读卡出错, 则显示出错标志。在与上位机通信时, 将单片机内部EEPROM存入的信息发往上位机。系统主程序实现了与上位机的数据通信，完成了ISO/IEC18000-6Type B协议规定的对卡的各种操作。整个主程序包括：串行通信程序、射频标签操作程序、底层程序以及防冲突程序。主程序如图5所示。
本文设计的RFID射频读卡器充分结合硬、软件的优势,可以实现对符合ISO18000-Type B协议的射频标签的读写,读写距离可达3 m。如果合理地设计天线系统并进行优化,还可以增加读写距离。该读写器可以方便地与包括PC机在内的串口设备连接,易于针对不同的应用对象嵌入到其他各射频识别应用系统中。由于所选控制器程序存储单元为Flash存储,因此可重复编程,升级方便。该读写器具有响应速度快、通信稳定可靠、操作便利等优点,对RFID的推广有重要意义。
参考文献
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