基于S6700的閱讀器的設計與實現

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：王建宇，曾光   人氣： 發表時間：2011年10月17日

　　引言

　　RFID技術是一個嶄新的技術應用領域，它不僅涵蓋了微波技術與電磁學理論，而且還包括通信原理及半導體集成電路技術，是一個多學科綜合的新興學科。同其他一些識別技術相比，射頻識別技術具有高效快捷、非接觸、無污染、識別率高等突出優點。因此，對 RFID技術的認識和研究具有深遠的理論意義。

　　1. RFID 系統分析
 
　　系統屬于遙耦合中的疏耦合射頻識別系統，主要由應答器、閱讀器、天線、通訊模塊及人機接口等幾部分組成。

　　當閱讀器向應答器發送數據時，數據處理機將該數據先送給射頻接口電路，與振蕩器產生的本振信號相同，產生出調制信號，然后由天線傳送給應答器，IC 卡根據不同的命令做出不同應答。當閱讀器接收應答器傳回的數據時，由天線接受來自應答器的調制信號，經過射頻接口將數據還原，然后在單片機中作相應的處理，可以通過人機界面進行互動或者由通訊接口傳送給上位機。

　　對于一個非接觸式數據載體的讀寫操作，一般是嚴格按照“主一從”原則來進行數據交換，這意味著閱讀器和電子標簽的所有動作均應有通信協議或軟件來控制。RFID 系統的閱讀器均可以簡化為三大基本功能模塊：由收發系統組成的高頻接口、控制系統以及和外界其它設備通信用的各種標準接口，如 USB 接口、RS232 接口、RS485 接口、與 Internet 連接的網口以及與打印機相連的并口等。

　　2．RFID 系統設計及接口實現

　　2.1 MCU 與 S6700 芯片接口電路設計

　　在此設計中選用了 PIC16F877A 單片機作為控制器，PIC16F877A 單片機有豐富的位操作指令，精簡的指令集,能夠模擬 RI-R6C-001A (RI-R6C-001A 芯片是TI 公司最新開發的針對應答器讀寫的多協議收發器)傳送數據的時序以及時鐘切換的時序。

　　S6700 閱讀器芯片提供給用戶數字接口的信號線為 DIN、DOUT、SCLOCK，通過這三根線可完成控制器與 RI-R6C-001A 芯片之間的數據傳輸。當 RI-R6C-001A 要發送數據時，時鐘由單片機控制，當它要接收數據時，時鐘由該芯片控制，設計中作者采用PIC16F877單片機的 RA0、RA1、RA2 與 SCLOCK、DIN、DOUT 通過模擬的方式來傳輸數據,執行符合射頻系統標準的命令，MCU 與S6700 芯片接口電路如圖2 所示。

　　2.2 閱讀器通信接口

　　在 RFID 系統中，用作上位機的PC 機系統與閱讀器之間經常要進行信息交換。由于系統中采用的單片機PIC16F877 帶有串口，因而兩者之間的通信可通過串行口完成。但是，在實際應用中有時主控PC 機和閱讀器相隔很遠，為保證數據能高速及時、安全地傳至PC機，閱讀器與PC 機之間采用RS485 協議的串行通行較為合理。

　　單片機 PIC16F877A 串行通信模塊的 URXD、UTXD 電平符合 TTL/CMOS 標準，當PC 機的 RXMCU 有電平輸入時，它首先通過 6N137 光電隔離，保護單片機不受干擾，由O 腳輸出到 DI，從而轉化為 RS485 電平由 Y、Z 輸出。反之，PC 機的輸出信號轉換成的MAX490 的 A、B 端有輸入，將首先轉換為 R0 輸出，然后經過光電隔離后最終由TXMCU 輸出。

　　PC 機接口電路的具體實現如圖4 所示，RS232 的電平標準如下：邏輯“0”的電平范圍為-5V—15V，邏輯“1”的電平范圍為5V-15V。這里選用的MAX232A 是MAXI 公司的RS232電平轉換芯片。當PC 機的TXDPC 輸出到R1IN 時候，首先由MAX232A 轉換成TTL 電平由R1OUT 輸出，經過6N137 光電隔離后輸入DI 腳，從而裝換為RS485 電平由Z，Y 輸出。同理單片機輸出信號轉換成的 RS485 電平信號輸入A，B 腳，經過MAX490 轉換成TTL電平，再經過光電隔離最終由RXDPC 輸出。必須強調的是在電路的連接中PC 接口電路中的MAX490 芯片引腳RSOUT+，RSOUT-必須和單片機側MAX490 芯片引腳RSIN+、RSIN-兩兩錯開相連的。這樣才能正常的通信。

　　2.3 高頻諧振功率放大器電路

　　高頻諧振功率放大器電路可以工作在 A 類、B 類或C 類狀態，考慮到C 類諧振功放適用于輸入信號比較大、輸出功率大、效率高，因此，在大功率射頻功放電路中采用。功率放大器電路如圖5 所示。

　　2.4 反沖突處理

　　在RFID系統中，閱讀器與應答器之間的通信，不能排除可能會有一個以上的應答器同時處于閱讀器的作用范圍內，當在閱讀器的天線區域中有多個應答器同時到達時，它們將幾乎同時響應閱讀器的指令而發送信號，這樣就會產生信道爭用的問題，信號互相干擾，閱讀器不能正確接收數據，即發生了碰撞(Collision)。

　　為了提高系統的抗“碰撞能力”，就需要采用信道編碼技術，對可能或已經出現的差錯進行控制，信道編碼是使不帶規律或規律性不強的原始數字信號變換為帶上規律性或加強了規律性的數字信號，信道譯碼器則利用這些規律性來鑒別是否發生錯誤，或進而糾正錯誤。

　　3 系統軟件設計

　　系統如圖 6 所示，初始化設置包括GPIO 設置，串口通信模塊設置，中斷設置包括外部中斷和定時器中斷設置。

　　當應答器進入閱讀器的天線感應范圍,經過一段時間的延遲，應答器上電復位，進入停頓狀態，在此狀態下可接收閱讀器發送的請求應答指令，當應答器接到閱讀器的請求應答指令后，返回卡的類型號，隨即閱讀器發送防沖突指令，系統進入防沖突循環中，防沖突循環結束后，閱讀器發出選卡指令，選中其中一張卡，在此階段，應答器處于準備就緒狀態，被選中的卡隨即進入激活狀態。此后，閱讀器可以發送多種不同的指令，發送完成后等待接受應答信息。

　　上述操作完成后，閱讀器發送停止指令，應答器從激活狀態返回到停頓狀態，一次交易結束，單片機可以把關鍵信息作傳輸或顯示。

　　4 結束語

　　經過大量的實驗，基于S6700 的RFID 系統在讀卡的實驗中，多張卡同時到達讀卡器工作范圍時都可以準確的讀出；在加上率放大模塊并采用配套大功率天線時,可以有效增加讀寫距離，增加了讀卡器在遠距離讀卡時的準確性。

　　本文的創新點：設計基于 S6700 閱讀器芯片的新型閱讀器，通過使用對中高頻閱讀器外加功率放大模塊的方法，實現較遠距離通信；在RFID 系統中集成設計了RS232/RS485通訊模塊等，著重說明了其軟硬件實現方法；討論了RFID 系統的通信安全及突發的偶然因素，包括校驗和防沖突設計，說明了循環冗余校驗和防沖突算法的原理及實現方法。

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