1356mhz射频识别系统硬件电路设计.docx

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1356mhz射频识别系统硬件电路设计

成绩

本科毕业论文（设计）

题目：

13.56MHz射频识别系统硬件电路设计

院系信息科学与技术学院

专业电子信息工程

教务处制

摘要

射频识别（RadioFrequencyIdentification,RFID）技术是一种非接触的自动识别技术。

RFID技术以其高度安全保密性、同时识别多个标签和高速运动物体、操作快捷方便等优点，使得在各领域的应用中异军突起，应用前景十分广阔。

研究、开发射频识别读写器，对其发展有着重要的实际意义。

论文首先介绍了RFID技术的发展历史及国内外应用现状，接着对RFID系统基本工作原理进行了概述；其次描述了射频识别系统的体系结构和基本功能，并着重介绍了国际标准ISO/IEC15693空中接口协议；然后，按照该协议提出了一种基于TI公司S6700芯片的13.56MHz射频识别读写器的硬件设计和实现方案；详细阐述了S6700应用电路、天线设计、以及基于AT89S52单片机的控制电路、RS232串口通信电路的设计，本设计实现了对Tag_it卡的读写操作，并与上位机进行通信；最后，在硬件设计和软件设计基础上，根据制作的实物和测试结果做出总结论述，并提出了一些尚待解决的问题。

关键词：

射频识别，RFID，读写器，13.56MHz，电子标签，S6700，ISO15693

Abstract

RFID（RadioFrequencyIdentification,RFID）technologyisanautomaticallyidentifyingtechnologythatrequiresnodirectcontact.Advantagessuchashighdegreeofsafetyandconfidentiality,theabilitytoidentifymulti-tagandobjectswithhighspeed,andtheconvenientoperationentitlesRFIDtechnologywithwideapplicationinallfieldsandgreatprospects.Therefore,thedevelopmentofRFIDreaderhassignificantpracticalsignificance.

ThethesiswillfirstlygiveageneralintroductiononthehistoryofRFIDtechnology,itsapplicationbothathomeandabroad,andtheoverviewofthebasicworkingprinciple.Secondly,itfocusesontheRFID’ssystemconstructionandfundamentalfunctions,withanemphasisontheinternationalstandardISO/IEC15693airinterfaceprotocol.Thirdly,accordingtotheprotocol,thepaperproposesahardwaredesignprogrambasedon13.56MHzRFIDreaderofS6700ChipofTICooperation,elaboratingtheappliedcircuitofS6700,antennadesign,andbasedonthecontrolcircuitbasedonthedesignofAT89S52MCUandRS232serialcommunicationcircuit.ThisdesignrealizesthereadingandwritingfunctionofTag_itcard,andalsorealizesthecommunicationwiththehostcomputer.Atlast,basedonthedesignofhardwareandsoftwareaswellasthetestingresultsandtheproducts,thepaperwilldrawaconclusionandmadeanumberofunsolvedissues.

Keywords:

RFID,Reader,13.56MHz,ElectronicTag,S6700,ISO15693

第一章绪论

1.1射频识别系统概述

1.1.1初识射频识别技术（RFID）

RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）是一种应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动的获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。

其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感耦合或者电磁耦合）传输特性，实现非接触性信息传递，达到自动识别的目的[1]。

一个典型的RFID系统由阅读器（Reader）、电子标签（应答器Tag）和数据管理、处理系统组成。

RFID系统分为有源和无源两类，有源系统的电子标签是由电源来提供能量，无源的电子标签则没有电源而是由电磁场来提供能量。

与传统识别技术比较，射频识别技术具有防水、防磁、耐高温、读取距离大、数据加密、传输速度快、存储数据容量更大、存储信息更改简单等特点，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，操作快捷方便。

如今射频识别技术发展迅猛，其应用领域也在不断的扩大。

射频识别技术被广泛应用于工商业自动化、军事物流保障、交通运输控制管理等众多领域，随着RFID标准的形成与完善，技术的进一步发展，其新的应用领域还在不断扩展，层出不穷。

1.1.2射频识别技术发展历史及应用现状

能量是RFID的存在基础，电磁能量是自然界存在的一种能量形式。

雷达技术开创了人类利用电磁能量的先河，人们对雷达的应用和改进催生了RFID技术。

1948年，哈里·斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”论文奠定了射频识别技术的理论基础。

而最早使用这项技术的是美国国防部军需供应局。

在随后的几十年，RFID技术得到了迅猛的发展，其应用产品正逐渐成为人们生活不可获取的一部分[2]。

射频识别技术在国外发展迅速，RFID产品种类众多。

如TI，Motorola,Philips,EM,iPico,Alien等世界著名厂家都生产RFID产品，并且它们的产品各有特点，自成体系。

目前，RFID还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但随着全球物流行业RFID大规模应用的开始，RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同。

我国在RFID技术的研究、应用方面也发展很快。

在RFID技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波RFID电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。

在RFID技术应用方面，基于我们国家经济发展状况、信息化程度不高、RFID实施成本较高、标准尚未统一、我国产业链供应处于初级阶段等原因，RFID技术在我国尚未广泛应用。

但是在国内物流、烟草、医药、门禁系统、身份证等已经得到很好的应用。

2010年2月中国移动推出的使用RFID-SIM卡的手机支付业务、上海世博会电子门票、在无锡试点的物联网等堪称我国RFID行业典范。

随着中国企业信息化进程的推进、RFID技术将逐渐扩大到更加广泛的领域，而RFID的成本也会随着应用的推广和市场的扩大而逐步降低，RFID的益处也将得到最大程度的发挥。

1.2射频识别系统工作原理

最基本的RFID系统由三部分组成：

（1）标签（Tag，即射频卡）：

由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。

每个标签具有唯一的卡号（UID）。

（2）阅读器：

读取（在读写卡中还可以写入）标签信息的设备。

（3）天线：

在标签和阅读器间传递射频信号。

有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机（上位机主系统）连接，进行数据交换。

本文所研究的系统使用RS232接口与PC机进行通信。

典型的射频识别系统组成如图1.1所示。

图1.1射频识别系统基本组成

所有阅读器均可简化为射频电路和控制单元两个基本模块。

射频电路包含发送器和接收器，其功能包括：

产生高频发射功率以启动电子标签提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给电子标签；接收并解调来自电子标签的高频信号。

阅读器的控制单元的功能包括：

与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程（主-从原则）；信号的编解码。

对一些特殊的系统执行反碰撞算法，对电子标签与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器的身份验证等附加功能[3]。

本文研究的RFID读写器中心频率工作在13.56MHz，所操作的电子标签属于无源标签。

读写器产生的射频信号通过天线辐射到空中，当标签处于天线辐射磁场中的时候，通过电感耦合，标签的天线线圈上产生一个电压，将其整流后作为数据载体的电源。

论文中研究的RFID系统属于“阅读器通话优先”系统，即只有在接收到读写器发出的命令以后，标签才给出响应。

1.3研究意义及论文结构

在目前主流自动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但是容易磨损，只具备读而不具备写的功能，并且数据量很少；接触式IC卡的成本稍高，数据存储量较大，安全性好，但是也容易磨损，寿命短；而射频卡片实现了免接触操作，应用便利，不易磨损，寿命长，穿透性好，抗污染和防干扰能力强，读取距离远，无需与目标接触就可以获取数据，支持写入数据，可重复使用，并且使用了防冲撞技术，能够识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡。

因此，对射频识别技术的研究具有重要的意义。

本文所研究的RFID系统为13.56MHz电感耦合射频识别系统。

阅读器射频模块采用美国TI公司的S6700非接触式IC卡芯片，可以完成数据调制、解调的功能，并对射频调制信号进行整流和发射。

阅读器的控制单元采用ATMEL公司生产的高性能CMOS8位单片机AT89S52，其主要负责运行读写卡片的程序，提供S6700芯片的控制信号，通过RS232接口芯片完成与上位机进行数据通信。

该读写器能完成对基于13.56MHz频段标签所有读写及控制操作，具有响应速度快、读卡距离远、通信稳定等优点。

第二章射频识别系统体系结构

2.1阅读器概述

阅读器是RFID系统的核心和基础，在射频识别系统中担当着至关重要的角色。

阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。

读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段，同时，读写器的功率直接影响了识别的距离。

读写器在数据管理系统的控制下发送一定频率的射频信号，当电子标签进入阅读器天线所产生的磁场时被激发出感应电流从而获得能量，并发送出自身编码等信息，该信息被读写器读取并译码后送至管理系统（一般是电脑主机）进行相关处理，这一系列的发送、获取过程均以无线通讯方式进行[4]。

2.1.1读写器的基本结构

各种读写器虽然在耦合方式、通信流程、数据传输，频率范围等方面有着根本的差异，但是在功能原理和结构设计上，各种读写器大同小异，一般是由射频模块、控制单元、天线三部分构成。

1.射频模块

射频模块由射频振荡电路、射频应用电路以及接口电路组成。

射频模块可发射和接收射频载波。

射频载波信号由射频振荡器产生并被射频处理器放大，该载波通过天线发射。

射频模块将天线接收的从射频识别标签发射或反射。

2.控制单元

控制单元一般由微处理器、时钟电路、标准接口以及电源组成，它可以接收射频模块传输的信号，译码后获得标签内信息，完成读标签操作；或将要写入标签的信息编码后传递给射频模块，完成写标签操作。

还可以通过标准接口将标签内容和其他信息传递给计算机进行后续相关处理。

3.天线

天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换为电磁波的装置。

在RFID系统中，天线在确定的工作频率和带宽条件下，发射由射频模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波并将其进行解调后传递给射频芯片[5]。

2.1.2读写器的基本功能

读写器是射频识别系统的重要组成部分，它主要完成以下功能：

1．与电子标签的通信功能:

在规定的技术条件下读写器可与电子标签进行通信。

2．与计算机的通信功能:

读写器可以通过标准接口如RS232等与计算机连接，将得到的标签信息传输到计算机进行后续处理。

3．在读写区内同时识别多个标签，具备防冲撞功能。

并且能够对高速移动的对象进行识别。

4．能够校验读写过程中的错误信息，并提示错误的有关信息。

在射频识别系统的工作流程中，读写器的基本任务是触发作为数据载体的电子标签，与电子标签建立通信关系，并在后台系统和非接触的数据载体之间传输数据。

这种非接触通信的一系列任务包括通信的建立、防止碰撞和身份验证等，均由读写器来处理。

2.2电子标签（Tag）概述

电子标签是指由耦合元件、IC芯片和天线组成的大小如芝麻粒的超微型集成模块。

标签中一般保存有全球唯一的UID及相关数据信息，在实际应用中，电子标签被采用特殊封装形式封装而成各种形状的卡片或者附在待识别物体的表面。

存储在芯片中的数据，可以由阅读器以无线电波的形式非接触的读取，并通过阅读器的控制单元，进行信息解读和相关处理[6]。

在射频识别中，电子标签天线直接影响读取效果。

在选择电子标签的天线时必须考虑以下因素：

天线的类型；天线的阻抗；在应用到电子标签上时的RF性能；有在其他物品围绕贴标签物品时的RF性能。

在实际应用中，标签的使用有两种基本形式。

一是标签移动，通过固定式阅读器进行识别；一种是标签不动，通过手持式等移动阅读器进行识别。

2.3ISO/IEC的RFID空中接口标准

在RFID系统中，电子标签和读写器之间通过相应的空中接口协议才能进行相互通信。

空中接口标准直接决定系统传输和识别的可靠性和有效性。

空中接口协议定义了读写器与标签之间进行命令和数据双向交换的机制，即读写器发给标签的命令和标签发给读写器的响应。

国际标准化组织ISO/IEC制定了一些RFID空中接口标准，目前比较成熟并且应用最多的是载波频率为13．56MHz的ISO/IEC14443和ISO/IEC15693系列标准，而最受关注的是ISO/IEC18000系列标准，它涵盖了从125kHz到2．45GHz的频段内的空中接口通信参数。

下面将着重介绍本研究方案使用的ISO/IEC15693空中接口标准。

2.3.1ISO/IEC15693系列标准介绍

ISO/IEC15693：

2001《识别卡—无触点的集成电路卡—邻近式卡》系列标准是由ISO/IECJTC1SC17负责制定的载波频率为13.56MHz的非接触式IC卡国际标准。

该系列标准分为4个部分：

物理特性、空中接口和初始化、防冲突和传输协议、扩展命令集和安全特性。

它规定了邻近式耦合设备（VCD）和邻近式卡（VICC）之间全部采用ASK的调制原理进行通信，调制指数为10%和100%，VCD确定使用哪种调制指数，VICC应对两种调制指数正确解码。

从VCD向VICC传送信号时，编码方式为两种：

“256取1”和“4取1”，二者皆以固定时间段内以位置编码。

这两种编码方式的选择与调制指数无关。

当“256取1”编码时，10%的ASK调制优先在长距离模式中使用，在这种组合中，与载波信号的场强相比，调制波边带较低的场强允许充分利用许可的磁场强度对IC卡提供能量。

与此相反，读写器的“4取1”编码可和100%的ASK调制的组合在作用距离变短或在读写器的附近被屏蔽时使用。

从VICC向VCD传送信号时，用负载调制副载波。

电阻或电容调制阻抗在副载波频率的时钟中接通和断开，而副载波本身在Manchester编码数据流的时钟中进行调制，使用ASK或FSK调制。

调制方法的选择是由读写器发送的传输协议中FLAG字节的标记位来标明，因此，VICC支持ASK（副载波频率为424kHz）和FSK（副载波频率为424/484kHz）两种调制方法。

数据传输速率分为高速和低速两种，同样是通过FLAG字节的标记位来选择。

这两种速率根据采用的副载波速率不同而略有不同，采用单副载波时低速为6.62kbps，高速为8kbps；采用双副载波时则分别为6.67kbps和26.69kbps。

可见，ISO/IEC15693标准具有应用灵活，操作距离远等优点[7]。

2.3.2ISO/IEC15693标准的防冲突机制

如果在同一时间段内有多于一个的射频标签同时响应，则说明发生冲突。

RFID的核心是防冲突技术，防冲突机制使得同时处于读写区内的多个标签的正确操作成为可能，通过算法编程，读写器即可自动选取其中一个标签进行读写操作。

这样既方便了操作，也提高了操作的速度。

ISO/IEC15693标准采用基于时隙的轮询机制、分时查询的方式完成防冲突机制，在模式1的防冲突算法中最多有16个时隙，电子标签在每个时隙通过比较读写器指定的UID中某些位来决定是否响应，从而达到防冲突的目的[7]。

三大空中接口标准中，ISO/IEC14443和ISO/IEC15693系列标准主要从射频IC卡的角度描述了接近式卡和邻近式卡与相应的耦合设备处于不同距离时的情况，而ISO/IEC18000系列标准侧重描述了在单品管理中，在不同频率下利用射频识别技术进行自动识别和数据采集。

第三章RFID系统读写器设计

3.1系统结构技术指标

本论文中所设计的非接触式射频卡读写器技术指标如下：

●电子标签：

Tag-it系列，VICC（符合ISO/IEC15693-1标准）

●工作频率：

13.56MHz

●读写距离：

0-l5cm

●通信速率：

6.67Kbp/s

●射频输出：

通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级

●供电电压：

5V士10﹪（l00mA）

●工作温度：

-40～85℃

●存储温度：

-55～125℃

●接口：

标准RS-232（读写器），8位串行口（读写模块）

●安装方式：

读写器方式：

采用标准串口与PC机相连

模块方式：

直接焊接在系统电路板上

3.2设计方案

3.2.1系统设计总体构思

本系统原本采用TI公司符合ISO/IEC15693空中接口标准，工作于HF（13.56MHz）的RFID读写芯片TRF7960为核心设计。

但是由于该芯片在封装工艺上的特点，无法手工焊接，以及考虑到时间仓促，难以在规定时间内较好的完成课题设计并制版调试，故在四月底决定换用TI公司具有相同功能的RI-R6C-001A（S6700）芯片。

外围电路包括单片机（AT89S52）、耦合天线、串口通信接口电路（MAX232）、程序下载电路等组成。

电源稳压模块把整个系统的工作电压稳定在5V。

HF频段射频识别一卡通系统如图3.1所示。

图3.1系统总体框图

RFID一卡通系统的工作过程如下：

●运行于PC机上的一卡通系统软件通过PC机的RS-232串口向读写器内的单片机（AT89S52）不断发送读卡指令

●读写器内单片机收到读卡命令后向读写器芯片（S6700）发出指令

●读写器芯片（S6700）把收到的指令按照空中接口标准（ISO-15693）进行编码，并对读写器芯片产生的载频13.56MHz信号进调制

●经调制的已调信号经过线圈天线发送到空中

●在读写器阅读场区内（典型为10cm以内）的电子标签获得射频激励取得能量并收到读标签信息的命令

●标签经过认，证如果命令正确，则按命令的要求把标签内存信息发送出去，如果认证错误，则返回错误信息

●读写器收到返回信息后，经过解调和解码获得标签内存UID等信息

●读写器芯片（S6700）将内存UID等信息传递给单片机

●单片机将收到的标签信息送给PC机一卡通系统软件

●系统软件收到信息后查找注册人员数据库，从中调出刷卡人的个人信息显示出来或声音提示，并记录刷卡信息（如时间、地点、金额）等。

3.2.2TRF7960芯片的功能与特点

TRF7960芯片是2007年初TI公司发布的全球最小的高性能、低功耗、支持多协议的高频RFID射频模拟前端芯片。

它具有如下特点：

（1）高集成度：

●整个电路只需要一个13.56MHz的晶振；

●芯片可提供13.56MHz、6.78MHz和3.39MHz三种时钟输出来作为单片机的时钟选择；

●内部集成了高的电源抑制比的LDO，可直接驱动单片机来进行工作；

●采用5x5毫米32引脚的QFN（IC与电路板）连接封装大大减少了整个电路板的外围器件和电路板空间。

（2）多协议支持：

支持IS0/IEC14443A/B、IS0/IEC15693、IS0/IEC18000-3以及TI的非接触支付商务与Tag-it应答器产品系列；

（3）低功耗：

具有7种灵活的手动或自动配置设置，它们能关闭未使用的部分读卡器以达到省电的目的，因此可以降低读卡器的整体功耗。

TRF7960可工作在2．7至5.5V输入电源电压之间。

在断电模式下，电流消耗低于1uA，待机电流小于120uA；

（4）支持振幅和相位两种调制模式：

有AM和PM双接收输入通道，对接收的AM和PM信号利用相对强度检测指示（RSSI）功能，选取较强的一路来进行解调，有效减少通信盲区；

（5）支持SPI接口和并行总线接口；

（6）宽读写范围：

可用于密耦合（proximity）和远耦合（vicinity）系统中，内部有独立的模拟部分、数字部分和电源部分，可降低噪声以保证读写距离和可靠性；

（7）输出功率可以调整；有100mW和200mW两种方式[8]。

在射频电路的具体设计中尽量让滤波电容靠近芯片，特别是10nF的电容,这样可以对高频信号进行有效的滤波；PCB布线时应尽量减少布线地的回路，要求接地的过孔尽量靠近元器件或者IC的接地端；在布线的时候尽量减少辅线的长度，特别是射频前端，让元器件保持紧凑。

对于发送和接收接口电路，应进行最佳的阻抗匹配网络设计、天线“Q”值的估计，使天线与射频前端电路的50欧阻抗匹配应用。

接收电路中有两路RX1_AM和RX2_PM，这样芯片在接收中对接收的两路进行比较，对信号强的那一路进行解调，有效避免了天线中的盲区[9]。

3.2.3S6700芯片的功能与特点

TI公司的S6700芯片支持多种空中接口标准，本系统采用ISO/IEC15693-2协议。

芯片由USB接口的5V直流供电，能提供最大200mW的输出功率[10]，内部集成了发射调制编码器和接收解调解码器，完成数据的发送调制编码和接收解调解码。

其内部原理框图如图3.2所示。

S6700与单片机控制器的接口信号共有4个，本系统实际应用SCLOCK、DIN、DOUT三个接口。

●SCLOCK:

双向串行时钟线。

在标签响应S6700命令之前必须进行时钟线的切换，将控制权交由S6700芯片控制。

●DIN:

数据输入端。

控制器通过该口将数据传输到S6700芯片，S6700在时钟的上升沿锁存数据。

●DOUT：

数据输出端。

S6700通过该端口将解码器输出的数据传送到MCU。

同时在FIFO管理的时候通过此口监测数据是否溢出，从而通知MCU暂停发送数据。

在DOUT为高电