华电物联网技术与应用实验指导书.docx

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华电物联网技术与应用实验指导书

《物联网技术与应用》实验指导书

－RFID部分

OURS-RFID-RP实验平台系统概述

一、系统硬件介绍

1.OURS-RFID-RP实验箱的PC软件实验程序

包括几个方面的容：

1.LF的命令与协议实验

2.HF的命令与协议实验

3.UHF的命令与协议实验

4.HF原理机的实验程序

5.zigbeeACTIVERFID试验程序

6.综合实验

2.总体设计

本系统共有如下实验：

模块

说明

LF的命令与协议实验

解析ATMEL2272文档中API与相关协议。

HF的命令与协议实验

解析ISO15693，ISO14443的协议，并提供实验验证程序。

UHF的命令与协议实验

解析ISO18000-6C的协议，并提供实验验证程序。

HF原理机的实验程序

提供实验验证程序，给设备发送某些指令使得使读卡器处于某种状态或发射某些信号，方便学生观察，实现对某些标准的空气接口部分（示波器观察波形）的学习。

zigbeeACTIVERFID无线部分

与zigbee模块建立通讯，获取zigbee模块的数据并采集数据

综合实验

实验一：

DLL应用实例实验

实验二：

低频ID卡实例实验

实验三：

ISO15693/ISO14443实例实验

实验四：

ISO18000-6C实例实验

RFID应用：

基于zigbeeACTIVERFID精准物流系统

RFID应用：

基于高频RFID职工考勤管理系统

RFID应用:

基于超高频RFID职工管理考勤管理系统

RFID应用：

图书馆管理系统

3.系统整体布局结构设计

系统基本组成（无计算机部分）见下图：

4.系统整体体积及尺寸规划

●整个系统由3530嵌入式网关通过外部的UART接口进行控制。

●扩展模块与底板使用接插件进行连接（包括信号和电源）。

系统具备两种规格的扩展模块尺寸，HF原理机一种，其他所有模块为另外一种。

●系统将具备5个扩展模块（留有一个预留模块位置），所有模块可由3530嵌入式网关进行控制，也可在没有网关的情况下，由外部控制器通过标准RS232接口进行控制。

●所有模块统一使用5V电源。

模块接口控制信号定义

所有扩展模块（包括原理机模块）使用同一的2个32脚欧式插座作为信号及电源的接口，记为JP1、JP2，其中JP1为信号接口。

JP2为预留接口（全部为空脚）。

其中底板上为欧式插座的母头（孔）；扩展板为欧式插座的公头（针）。

嵌入式网关对RFID模块的控制的实现

嵌入式网关使用一个TTL电平的UART和4个TTL电平的GPO管脚来管理包括原理机在的所有的RFID模块。

5.结构和硬件描述

LF模块将由ATMEL的UR2270为核心组成；HF读卡器由TI的TRF7970A芯片为核心组成；UHF读卡器由英频杰公司的R2000芯片+ATMEL公司的ARM7芯片架构完成

具体指标

LF模块

系统框图：

系统设计的指导思想：

依托于Atmel官方提供的EVM板设计，实现读写操作，读卡器采用AtmelATA2270实现，通过读卡器获取指令流，并对ID卡进行读写操作。

主要去掉了显示和本地按键控制的功能，增加了软件上的通讯握手机制（一次性的握手）。

主要实现的功能是，通过串口实现对低频板读写动作的控制，可实现读写卡等基本操作，具体其它的功能详见API。

板上的状态指示灯主要有3个，以及一个电源指示灯，3个状态指示灯为：

2个天线回路调整指示，1个载波使能指示。

通过调整Tune0和Tune1的不同亮灭组合，可指示出当前天线回路的微调状态，是载波频率完美的接近125kHz。

通过载波使能指示灯，可指示出当前该读写模块是否在进行读写操作。

由ATMEL公司生产的U2270B是一种低成本、性能完善的低频（100～150kHz）射频卡基站芯片，其主要特点如下：

1．载波振荡器能产生100kHz～150kHz的振荡频率，并可通过外接电阻进行精确调整，其典型应用频率为125kHz。

2．典型数据传输速率为5kbps（125kHz时）。

3．适用于曼彻斯特编码和双相位编码。

4．带有微处理器接口，可与单片机直接连接。

5．供电方式灵活，可以采用+5V直流供电，也可以采用汽车用+12V供电，同时具有电压输出功能，可以给微处理器或其它外围电路供电。

6．具有低功耗待机模式，可以极降低基站的耗电量。

7．125kHz时的典型读写距离为15mm。

8．适用于对TEMIC的e5530/e5550/e5560射频卡进行读写操作。

数据的读写过程

通过调整U2270B的RF引脚所接电阻的大小，可以将部振荡频率固定在125kHz，然后通过天线驱动器的放大作用，在天线附近形成125kHz的射频场（参见图1），当射频卡进入该射频场时，由于电磁感应的作用，在射频卡的天线端会产生感应电势，该感应电势也是射频卡的能量来源。

数据写入射频卡采用场间隙方式，即由数据的“0”和“1”控制振荡器的启振和停振，并由天线产生带有窄间歇的射频场，不同的场宽度分别代表数据“0”和“1”,这样完成将基站发射的数据写入射频卡的过程，对场的控制可通过控制芯片的第6脚（CFE端）来实现，由射频场产生的数据流如图4所示。

由射频卡返回的数据流可采用对射频卡天线的负载调制方式来实现。

射频卡的负载调制会在基站天线上产生微弱的调幅，这样，通过二极管对基站天线电压的解调即可回收射频卡调制数据流。

应当说明，与U2270B配套的射频卡（e5550等）返回的数据流采用的是曼彻斯特编码形式。

由于U2270B不能完成曼彻斯特编码的解调，因此解调工作必须由微处理器来完成，这也是U2270B的不足之处。

图4由射频场产生的数据流示意图

HF模块

系统框图：

LED灯显示说明：

D1：

绿色，电源启动指示灯，在430下完程序后，如果430正常运行，灯亮。

D2：

红色，ISO14443A协议指示灯，

D3：

黄色，ISO14443B协议指示灯

D4：

红色，ISO15693协议指示灯

D5：

红色，tag-it指示灯

D6：

红色，预留

一：

系统运行简要说明：

1：

上电后，430先通过并口访问7970芯片，在没有读到卡时，程序运行在串口读写模式，并每隔0.5s向串口发送一个“D”，直到有写操作为止。

2：

当有卡读写时，针对相应的卡，程序进入不同的协议中，并且点亮相应的LED灯。

二：

API调用说明

1：

上电后，配置完部寄存器，程序进入串口读写程序，可以进行人机交互。

2：

当读到不同协议的卡时，程序退出串口读写程序，进入相应的协议子程序中（目前支持14443A协议和15693协议）。

读完卡后，退出相应的协议子程序，进入串口读写程序。

UHF模块

1.读卡器采用IndyR2000来实现

2．ISO18000-6C物理层部分选择测试点通过示波器观察，见ISO18000-6C协议第6部分物理层

物理层：

读卡器向一个或一个以上的标签发送信息，发送方式是采用脉冲间隔编码（PIE）格式的双旁带振幅移位键控（DSB-ASK）、单边带振幅移位键控（SSB-ASK）或反向振幅移位键控（PR-ASK）调制射频载波信号。

标签通过相同的调制射频载波接收功率。

读卡器通过发送未调制射频载波和倾听反向散射回答接收从标签发来的信息。

标签通过反向散射调制射频载波的振幅和/或相位，传达信息。

用于对读卡器命令作出响应的编码格式或是FM0或是miller-modulate的副载波。

询问和标签之间的通信线路为半双工，也就是不应要求标签在反向散射的同时解调读卡器。

标签不应利用全双工通信对强制命令或任选命令作出响应。

HF原理机模块

原理机设计包括三大部分工作：

整体硬件设计、FPGA逻辑设计（协议相关）、M3平台上的固件程序设计。

1.原理机:

ISO15693第二部分，选择测试点，通过示波器观察调制解调波形并通过波形给学生讲解调制解调原理

（1）调制

采用ASK的调制原理，在VCD和VICC之间产生通信。

使用两个调制指数，10%和100%。

VICC应对两者都能够解码。

VCD决定使用何种调制指数。

（2）数据编码模式：

256取1

一个单字节的值可以由一个暂停的位置表示。

在256/fC（约18.88μs）的连续时间256取1的暂停决定了字节的值。

传输一个字节需要4.833ms，数据速率是1.54kbits/s（fC/8192）。

最后一帧字节应在VCD发出EOF前被完整传送。

（3）数据编码模式：

4取1

使用4取1脉冲位置调制模式，这种位置一次决定2个位。

4个连续的位对构成1个字节，首先传送最低的位对。

ACTIVEZIGBEE电子标签模块

系统框图:

使用ZigBee协议，利用2530平台，完成1对多的主动式RFID系统的设计。

CC2530邮票孔模块把RF部分全部做到了模块部，采用先进的RF设计理念，使RF做到了最优化。

★实现以2530平台为核心的主动式RFID系统。

★以ZB协议为基础。

★系统可容纳最多500个标签。

★同一时间标签处理能力为10个/秒（仅识别模式）。

★标签同时具备识别（1按键，1双色LED）、温湿度监测、光强监测能力。

★标签使用2032锂电池，运行于识别状态待机时间不小于30天。

无源标签：

LF标签：

ATA5577

ATA5577是一款可读/写的高性能RFID无源标签集成电路，工作于l25kHz或者l34kHz频段。

ATA5577片上集成了11个区块，每区33bit共363bit的EEPROM，可以通过读卡器或者基站进行读/写操作。

ATA5577按照ISO/IEC11784/785标准工作，同时片上还策成了输入谐振电容，全部外围电路只需要一个感应线圈（天线）。

HF标签：

ISO14443A标签

工作频率：

13.56MHz

存储容量：

1024byte

EEPROM16分区，每区64byte

读写距离：

2.5----10cm。

ISO15693标签

工作频率（Frequency）：

13.56Mhz

国际标准（Standard）：

ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC10536、ISO18000-3

典型应用（TypicalApplication）：

身份识别、图书馆管理、生产线控制、资产管理等（IdentityIdentification,LibraryCirculation,ProductLineControl,AssetManagement）

存储容量（RAM）：

136bit/192bit/512bit/1024bit

工作温度（WorkingTemp）：

-25℃～+70℃

贮存温度（StorageTemp）：

-40℃～+85℃

存形式（Memory）：

EEPROM,可读/可擦写（read/write）

多单元访问（Multi-access）：

Yes

抗干扰性（Anti-Jamming）：

Yes

UHF标签：

ISO18000-6CorEPCClass1Gen2

典型应用：

物流，资产，图书管理

电子标签工作频率：

860～960MHz

工作模式：

R/W（读/写）

存储容量512位用户存储区240位EPC编码

天线铝15±3ūm

保存温度-25℃～50℃

工作温度-40℃～65℃

数据保护：

密码访问、锁定、销毁，EAS数据保持>10年,

存可擦写100000次以上

读写距离0～20m

3530嵌入式网关模块：

系统结构框图：

底板与核心板之间用3排80Pin一共240Pin，包括各种信号和电源。

嵌入式网关对RFID模块的控制的实现

嵌入式网关使用一个TTL电平的UART和4个TTL电平的GPO管脚来管理包括原理机在的所有的RFID模块。

二、系统软件介绍

一、WINCE系统

1、烧写系统

RFID网关是基于OMAP3530的硬件平台,在 “RFIDWINCE”文件夹下有如下几个文件用于烧写WINCE系统，具体烧写方法见其他相关文档。

烧写系统后，重新上电进入触摸屏的校准界面，校准触摸屏后，“开始->挂起”,重新上电即可。

2、应用程序自动运行

拷贝“RFID”文件夹到“\NANDFlash”目录下，重启系统应用程序自动运行。

二、系统结构分析

1、整机结构

系统的整机结构如图1，RFID的硬件平台使用5V/3A的电源，PC透过两条串口线与网关相连，一条串口线作为PC与各个模块透传使用，一条为网关输出调试信息使用。

图1RFID平台的整体结构

2、硬件平台

系统的硬件平台如2所示，其中嵌入式网关的位置和原理机的位置是固定不变的，4个通用接口可以接LF、HF、UHF的任意一个。

图2系统硬件平台

注意：

本系统中不能出现多于一个的LF、HF、UHF模块，也就是说系统的最大容量为一个LF、一个HF、一个UHF、一个原理机。

3、软件平台

系统上电后，应用程序自动运行，如图3所示。

首先是搜索平台上的LF、HF、UHF、原理机、ZIGBEE是否存在，在搜索当中，任何的关于应用程序包括PC透传的操作，都是无效的，必须等待搜索结束。

应用程序的标题栏显示搜索进度。

搜索结束后，在应用程序的标题栏显示“RFID准备完毕”，之后才可以实现RFID模块的相应操作。

在平台上存在的模块的相应的“单选框”变成有效，图4所示为所有模块都搜索到，图5所示为LF模块没有搜到，只有搜到的模块才能实现网关和PC透传控制。

图3搜索过程

图4搜索到全部模块

图5没有搜索到LF

三、PC透传

1、PC与嵌入式网关的连接

连接PC的串口线到嵌入式网关的J28接口。

2、进入透传状态的条件

（1）应用程序完成搜索后，没有进入搜索到的模块的界面中。

（2）从搜索到的模块的界面中退出时，进入透传状态。

（3）当处于搜索到的模块的任何界面中时，PC端对通过串口给网关发送数据，网关即退出当前操作的模块，进入透传。

3、透传的原理

在透传状态，网关仅仅起到一个数据转发的作用，与PC直接控制RFID模块是一个道理。

请参考PC端的软件说明。

四、LF操作

在平台的任意通用接口接上LF模块，给平台上电，搜索结束，搜索到LF模块，然后选中“LF”，“进入”。

即通过网关控制LF模块。

界面如图6所示。

在操作过程中可以通过调试串口来监视操作的情况，连接PC的串口到网关的J28，设置串口为115200,8,1，无校验和流控。

图6LF操作界面

1、读操作

点击“ReadAll”,如果有ATA5577的卡在LF天线周围，就会读到5577的block1~block7。

2、写操作

勾选你想写入的块的复选框，在对应的Edit中输入8位的16进制数，点击“WriteSelected”按钮，即写入相应的块，通过再次读取来检验写入是否正确。

五、HF的操作

在平台的任意通用接口接上HF模块，给平台上电，搜索结束，搜索到HF模块，然后选中“HF”，“进入”。

即通过网关控制HF模块。

界面如图7所示。

在操作过程中可以通过调试串口来监视操作的情况，连接PC的串口到网关的J28，设置串口为115200,8,1，无校验和流控。

图7HF操作界面

进入界面，以后首先点击按钮“SetProtocol”，设置好通信方式后，选择要执行的命令，并设置“RequestFlags”（这里设置的通信方式要和“setprocotol”设置的通信方式一致）,点击“Executecommand”执行命令。

六、UHF的操作

在平台的任意通用接口接上UHF模块，给平台上电，搜索结束，搜索到UHF模块，然后选中“UHF”，“进入”。

即通过网关控制UHF模块。

界面如图8所示。

在操作过程中可以通过调试串口来监视操作的情况，连接PC的串口到网关的J28，设置串口为115200,8,1，无校验和流控。

图8UHF的操作界面

首先，在“SET”按钮上方输入天线端口（0或者1，根据具体的天线连接口定），点击“SET”按钮设置。

根据命令及相关参数，执行命令时，有哪些标签执行会在“Tag”中显示。

七、zigbee操作

给平台上电，搜索结束后，搜索到ZIGBEE模块（ZIGBEE焊接到网关上，因此，如果硬件正常一定会搜索到ZIGBEE），然后选中“ZIGBEE”，“进入”。

即通过网关控制ZIGBEE模块。

界面如图9所示。

图9ZIGBEE操作界面

如果在ZIGBEE模块围有标签，就会在左侧列表框中，显示对应的“网络地址”和“用户ID”,通过点击列表框中的标签，就会绘制相应标签的曲线，具体绘制的曲线通过右侧的单选框选择。

点击“配置”按钮就会对标签进行配置，配置界面如图10。

图10ZIGBEE配置界面

进入配置界面后，常按想要配置的标签的按钮超过5s,配置界面即可显示数据，然后按照预定的配置，设置参数即可。

八、原理机

在平台的原理机接口接上原理机模块，给平台上电，搜索结束，搜索到原理机模块，然后选中“原理机”，“进入”。

即通过网关控制原理机模块。

界面如图11所示。

图11原理机操作界面

由于原理机是模拟HF的操作，因此原理机的操作方式和HF的很相似，选择要执行的指令，然后点击“执行”按钮，就会在上面的EDIT中显示数据通信的过程。

测试原理机时需要HF的ISO15693的卡。

3.3RF基本原理

数据编码模式“256取1”

一个单字节的值可以由一个暂停的位置表示。

在256/fC（约18.88μs）的连续时间256取1的暂停决定了字节的值。

传输一个字节需要4.833ms，数据速率是1.54kbits/s（fC/8192）。

最后一帧字节应在VCD发出EOF前被完整传送。

图：

256取1编码模式

上图中数据´E1´=（11100001）b=（225）是由VCD发送给VICC的。

暂停产生在已决定值的时间周期的后一半，如下图所示：

图：

1个时间周期的延迟

数据编码模式“4取1”

使用4取1脉冲位置调制模式，这种位置一次决定2个位。

4个连续的位对构成1个字节，首先传送最低的位对。

数据速率为26.48kbits/s（fC/512）。

图：

4取1编码模式

图：

VCD传送´E1´=（11100001）b=2254取一编码示例

原理机通讯协议

原理计使用串口与上位机进行通讯，在通讯过程中，原理机始终作为从机，并严格执行问答式通讯，关于通讯协议一般要求如下：

★使用串口进行通讯，串口配置为（115200bps，8数据位，1起始/停止位，无校验）。

★使用应答式通讯，通讯始终由上位机发起，从机应答。

★通讯超时错定义为10mS，主机下传数据字节间隔不能大于10mS。

从机上传数据数据间隔同样不大于10mS。

★从机相应主机请求时间一般小于100mS（特殊指令除外，详见下文）。

★从机在未处理完上一条指令前不接收新的指令。

主机下传指令一般格式如下：

字节1

字节2

字节3

字节n

字节n+3

HEAD

LEN

CODE

DATA

CRC

0x55

“LEN”可以为0。

当“LEN>0”时，表示后跟“LEN”个数据及一个CRC字节。

当“LEN=0”时，DATA以及CRC不存在。

“CRC”实际上用累加和代替。

从机上传数据（应答）一般格式如下：

字节1

字节2

字节3

字节n

字节n+3

HEAD

LEN

CODE

DATA

CRC

0xAA

通讯中用到的指令如下：

序号

命令

数据长度

指令解释

下行

上行

1

0x00

0

16

设备信息：

固定返回“.ourselec.”字符串

2

0x01

0

8

版本信息：

返回“Ver:

x.xx”格式字符串。

3

0x02

1

0

RFID模式设置字节（见下例）。

4

0x10

9

0

SPI接口的写（透明写），数据定义详见“5.2.3”，注意：

针对FPGA部寄存器写操作要求一次操作固定写8字节数据。

针对FPGA部FIFO写操作要求预先使用寄存器写设置FIFO写操作的数据个数。

5

0x11

2

n

SPI接口的读（透明读），数据定义详见“5.2.3”，

注意：

针对FPGA部寄存器读操作要求一次操作固定写8字节数据。

针对FPGA部FIFO读操作要求预先使用寄存器写设置FIFO读操作的数据个数。

6

0x20

n

x

读卡总量指令。

控制FPGA发起一次VCDVICC的请求。

详见参考资料“12.3请求格式”一节

7

0x21

n

x

除读卡总量外其他指令，控制FPGA发起一次VCDVICC请求，并返回数据。

RFID模式设置字节定义见““15693_CTL”寄存器定义”

SPI写操作的数据定义：

“CMD字节”，“数据（n个字节，针对寄存器写，n=8；针对FIFO写，个数为预先设定的数据个数）”

需要注意的是，执行FPGA的FIFO写操作操作，FPGA不会检查写数据的个数。

指令应答为“0xaa”、“0x00”、“0x10”。

SPI读操作的数据定义：

串口下行数据为2字节，依次为“CMD字节”，“数据个数字节”。

串行数据上行数据个数为下行时数据个数字节指定的数目（针对FPGA的寄存器读，数据个数固定为8）。

==================================================================

高频部分ISO/IEC15693

ISO15693协议的格式

实验一Inventory命令实验

1.1实验目的：

熟悉和学习ISO15693标准规第三部分协议和指令容。

1.2实验容：

寻找标签卡片。

1.3实验设备：

RFID-RP实验箱中OURS_HF_EM板子一块，PC机一台，一针一空的串口线一根，5V3A电源线一根，ISO15693标签卡片一。

1.4实验原理：

寻找标签卡片总量命令被用于在天线感应围获得ISO15693协议标签卡片的唯一ID（UID）号。

它支持两种方法：

一种是16个槽（slot）。

在感应围单个槽（slot），另一种是单个槽（slot）。

在感应围单个槽（slot）模式允许全部的请求命令。

如果在该模式下，出现了多标签，那么数据冲撞错误请求将被发送到上位机GUI。

在16个槽（slot）模式下，根据标签卡片的UID号，通过寻找总量命令迫使应答器在16个插槽中的1个做出应答，从而减少数据冲突的可能。

在该时间槽顺序下，任何冲撞的发生都能够通过在ISO15693标准协议中定义的冲撞标志得到解决。

1.5实验步骤：

一、使用16槽（slot）寻找单标签卡片，用户需要以下4个步骤：

（1）在标签标志（RequestFlags）窗口点击任意设置标志（仅双副载波（Doublesub-carrier），高比特率（HighDataRata）选项有效）及数据编码模式选择相应模式。

（2）点击设置协议（SetPro