RFID相关实验实验指导书整合版DOC.docx
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RFID相关实验实验指导书整合版DOC
广州飞瑞敖电子科技有限公司
IOT-L01-05型
物
联
网
综
合
实
验
箱
RFID相关实验指导书
广州飞瑞敖电子科技有限公司
IOT-L01-05型1
实验一LF低频RFID实验2
一、实验目的2
二、实验设备2
三、实验原理2
四、实验过程5
实验二、HF高频RFID通信协议7
一、实验目的7
二、实验设备7
三、实验原理7
四、实验步骤15
实验三UHF特高频RFID实验20
一、实验目的20
二、实验设备20
三、实验原理20
四、实验步骤26
实验四2.4G有源RFID低功耗实验31
一、实验目的31
二、实验设备31
三、实验原理31
四、实验步骤34
实验一LF低频RFID实验
一、实验目的
1.1了解ID卡内部存储结构
1.2掌握符合ISO18000-2标准的无源ID卡识别系统的工作原理
1.3掌握符合ISO18000-2标准的无源ID卡识别系统的工作流程
1.4掌握本平台ID模块的操作过程
二、实验设备
硬件:
RFID实验箱套件,电脑等。
软件:
Keil,串口调试助手。
三、实验原理
3.1低频RFID系统与ID卡
低频RFID系统读卡器的工作频率范围一般从120KHz到134KHz。
该频段的波长大约为2500m,除了金属材料影响外,一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。
低频RFID系统使用ID卡,全称为身份识别卡(IdentificationCard),作为其电子标签。
ID卡是一种不可写入的感应卡,其内部唯一存储的数据是一个固定的ID卡编号,其记录内容(卡号)是由芯片生产厂商封卡出厂前一次性写入,封卡后不能更改,开发商只可读出卡号加以利用。
ID卡与我们通常使用磁卡一样,仅仅使用了“卡的号码”而已,卡内除了卡号外,无任何保密功能,其“卡号”是公开、裸露的。
目前市场上主要有台湾SYRIS的EM、美国HID、TI、MOTOROLA等各类ID卡。
本实验平台使用EM系列ID卡,它符合ISO18000-2标准,工作频率为125KHZ,后续的讲解也围绕这种标签展开。
ID标签中保存的唯一数据——标签标识符(UID)以64位唯一识别符来识别。
UID由标签制造商永久设置,符合ISO/IECDTR15693。
UID使每一个标签都唯一、独立的编号。
UID包含(图2.1):
固定的8位分配级“EO”
根据ISO/IEC7816-6/AM1定义的8位IC制造商代码
由IC制造商指定的唯一48位制造商序列号MSN
图1.1UID结构图
3.2ISO18000-2标准
实验平台的低频ID模块符合ISO18000-2标准。
询问器载波频率为125KHZ。
ISO18000-2标准中规定了基本的空中接口的基本标准:
询问器到标签之间的通信采用脉冲间隔编码;
标签与询问器之间通过电感性耦合进行通信,当询问器以标准指令的形式访问标签时载波需加载一个4K位/秒曼彻斯特编码数据信号;
调制采用ASK调制,调制指数100%;
在实际通信系统中,很多系统都不能直接传送基带信号,必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制,是载波的这些参量随基带信号的变化而变化。
由于正弦信号形式简单,
便于产生和接收,大多数数字通信系统中都采用正弦信号作为载波,即正弦波调制。
数字调制技术是用载波信号的某些离散状态来表示所传送的信息,在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。
数字调制方式,一般有振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种基本调制方式,如图2.2所示:
图1.2数字调试方式
在二进制振幅键控(ASK)方式下,当基带信号的值为1时,载波幅度为u1;当基带信号的值为0时,载波幅度为u2。
定义调制系数为M=(u1-u2)/(u1+u2),当u2为0时,调制系数m=100%。
图1.3振幅键控调制
射频工作区的载波频率125KHz;
工作频率精度0.1kHz之内;
标签以64位唯一识别符来唯一识别;
更多内容参考ISO18000-2。
3.3低频RFID系统读卡器
本实验平台使用EM系列ID卡,符合ISO18000-2标准,工作频率为125KHZ,经读卡器译码后输出其十位十进制卡号。
图2.4是ID卡及其读卡器的工作原理框图,其中上半部分是ID卡的内部组成结构;下半部分是ID读卡器的组成结构。
ID卡的天线与其读卡器的天线之间构成空间耦合“变压器”,读卡器天线作为“变压器”初级线圈向空间发射125KHz的交变电磁场,进入该电磁场的ID卡通过其天线(“变压器”的次级线圈)获取能量,为其内部各功能部件提供工作电压。
由于ID卡为只读型RFID卡,读卡器无须向ID卡发送任何数据或指令,一旦ID卡进入读卡器有效的工作区域内,其内部功能部件就开始工作,时序发生器部件控制存储器阵列和数据编码单元将其内部的64位信息调制后按顺序发送给读卡器,其中调制方式为ASK(移幅键控)调制。
图1.4ID卡及读卡器的组成结构
读卡器中的4MHz振荡源经过32分频后得到125kHz的基准频率信号,该频率一方面为读卡器发射125kHz的交变电磁场提供工作时钟,另一方面为读卡器中微控制器解码提供基准时钟.当读卡器的工作区域内没有ID卡时,读卡器的检波电路没有输出,一旦有ID卡进入交变电磁场并将其曼彻斯特编码的数据信息调制后发送出来,读卡器的滤波电路、解调电路、检波电路和整形单元将调制在125kHz频率信号中的采用曼彻斯特编码的数据信息解调还原,微控制器接收到曼彻斯特编码数据信息后利用软件解码,从而读取ID卡的64位数据信息。
ID卡内部的曼彻斯特编码和原始数据信息关系见图2.5。
曼彻斯特编码采用下降沿表示‘1’采用上升沿表示‘0’。
读卡器的微控制器软件的主要功能就是对从ID卡接收到的曼彻斯特编码进行解码,得到ID卡内部的64位数据信息,然后进行CRC校验,如果校验成功,那么就完成了一次读卡过程。
图1.5曼彻斯特编码和原始数据信息关系
低频RFID系统工作流程如下:
1)读卡器将载波信号经天线向外发送;
2)标签中的电感线圈和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号,标签中芯片的射频接口模块由此信号产生出电源电压、复位信号及系统时钟,使芯片“激活”;
3)标签中的芯片将标签内存储的数据经曼彻斯特编码后,控制调制器上的开关电流调制到载波上,通过标签上天线回送给阅读器;
4)阅读器对接收到的标签回送信号进行进行ASK解调、解码后就得到了标签的UID号,然后应用系统利用该UID号完成相关的操作。
简述上面的过程,我们可以把低频RFID读卡器的功能减单描述为:
读取相关ID卡卡号,并把该卡号发送到应用系统上层,由上层系统完成相关数据信息的处理。
由于ID卡卡内无内容,故其卡片持有者的权限、系统功能操作要完全依赖于上层计算机网络平台数据库的支持。
四、实验过程
4.1为实验箱上电,将低频模块旁的S4DB9选择开关拨打至DB9接头一侧,此时,UART4号DB9接头与节点3上的低频模块通信。
4.2将PC机的串口与UART4DB9串口相连,在PC机上打开物联网RFID实验箱配套光盘\物联网综合RFID实验箱\应用程序目录下的ComAssistan.exe应用软件,选择正确的端口号并进行如图1.6所示的配置,并“打开串口”
图1.6
4.3取出实验箱配套的低频RFID标签(注意,低频高频特高频三种标签均是白卡包装,其中低频标签的一面上有数字),进行刷卡操作,会在串口调试助手软件的显示区返回低频卡的卡号如图1.7所示,值得注意的是此时的返回值是以十六进制表示的(本例中为00981ABB),而低频标签上的数值是十进制表示,大家可以用计算机进行转换,观察标签号是否正确。
图1.7
实验二、HF高频RFID通信协议
一、实验目的
1.1掌握高频读卡器的通讯协议
1.2掌握本平台高频模块的操作过程
1.3掌握高频模块工作原理
二、实验设备
硬件:
RFID实验箱套件,电脑等。
软件:
Keil,串口调试助手。
三、实验原理
2.1高频RFID系统
典型的高频HF(12.56MHz)RFID系统包括阅读器(Reader)和电子标签(Tag,也称应答器Responder)。
电子标签通常选用非接触式IC卡,全称集成电路卡又称智能卡,可读写,容量大,有加密功能,数据记录可靠。
IC卡相比ID卡而言,使用更方便,目前已经大量使用在校园一卡通系统、消费系统、考勤系统、公交消费系统等。
目前市场上使用最多的是PHILIPS的Mifare系列IC卡。
读写器(也称为“阅读器”)包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与卡连接的耦合元件。
由高频模块和耦合元件发送电磁场,以提供非接触式IC卡所需要的工作能量以及发送数据给卡,同时接收来自卡的数据。
此外,大多数非接触式IC卡读写器都配有上传接口,以便将所获取的数据上传给另外的系统(个人计算机、机器人控制装置等)。
IC卡由主控芯片ASIC(专用集成电路)和天线组成,标签的天线只由
线圈组成,很适合封状到卡片中,常见IC卡内部结构如图2.1所示。
图2.1IC卡内部结构图
较常见的高频RFID应用系统如图2.2所示,IC卡通过电感耦合的方式从读卡器处获得能量。
图2.2常见高频RFID应用系统组成
下面以典型的IC卡MIARE1为例,说明电子标签获得能量的整个过程。
读卡器向IC卡发送一组固定频率的电磁波,标签内有一个LC串联谐振电路(如图2.3),其谐振频率与读写器发出的频率相同,这样当标签进入读写器范围时便产生电磁共振,从而使电容内有了电荷,
在电容的另一端接有一个单向通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存,当储存积累的电荷达到2V时,此电源可作为其他电路提供工作电压,将标签内数据发射出去或接收读写器的数据。
图2.3IC卡功能结构图
2.2非接触式IC卡
目前市面上有多种类型的非接触式IC卡,它们按照遵从的不同协议大体可以分为三类,
各类IC卡特点及工作特性如图1.4所示,PHILIPS的Mifare1卡(简称M1卡)属于PICC卡,该类卡的读写器可以称为PCD。
图2.4IC卡分类
高频RFID系统选用PICC类IC卡作为其电子标签,这里以Philips公司典型的PICC卡Mifare1为例,详细讲解IC卡内部结构。
Philips是世界上最早研制非接触式IC卡的公司,其Mifare技术已经被制定为IS014443TYPEA国际标准。
本平台选用用Mifare1(S50)卡作为电子标签,其内部原理如图2.5所示。
图2.5M1卡内部原理
射频接口部分主要包括有波形转换模块。
它可将读写器发出的12.56MHZ的无线电调制频率接收,一方面送调制/解调模块,另一方面进行波形转换,将正弦波转换为方波,然后对其整流滤波,由电压调节模块对电压进行进一步的处理,包括稳压等,最终输出供给卡片上的各电路。
数字控制单元主要针对接收到的数据进行相关处理,包括选卡、防冲突等。
Mifare1卡片采取EEPROM作为存储介质,其内部可以分为16个扇区,每个扇区由4块组成,(我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0-63,存贮结构如下图2.6所示:
图2.6MFI卡片存储结构
第0扇区的块0(即绝对地址0块),它用于存放厂商代码,已经固化,不可更改。
其中:
第0~3个字节为卡片的序列号;第4个字节为序列号的校验码;第5个字节为卡片内容“s
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