摘 要: 以ATMEL公司的ATmega16單片機設計RFID讀卡器的主控模塊，以RFM公司的TR1000芯片設計射頻發射和接收模塊，按照頻段和相關協議設計了與讀寫模塊相配套的天線，給出了讀卡器關鍵部分ATmega16與TR1000的接口電路原理， 同時根據ISO18000-Type B標準給出了RFID讀寫器控制協議的軟件設計總體流程。
關鍵詞: 射頻識別； 讀卡器； 射頻標簽； ISO/IEC18000-6Type B
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近幾年來，無線射頻識別技術越來越受各國重視，工作于125 kHz和13.56 MHz等較低頻段的射頻識別技術已經比較成熟。隨著國內外在供應鏈管理、集裝箱、工業、科研和醫藥等行業上對3 m以上射頻識別技術的需求,國內外已經把研究的熱點轉向超高頻段和微波頻段。高頻遠距離非接觸IC卡讀寫系統由于技術難度大、成本高、標準不統一等因素，在我國一般只應用在高速公路收費、重要部門的身份識別等高要求的場合。在今后幾年物流網的發展中，我國將是最大的EPC（Electornic Product Code)用戶，而基于高頻遠距離非接觸IC卡技術恰恰是EPC技術的核心技術。為此，本文對915 MHz射頻讀卡器的控制、射頻接口、讀卡天線、讀寫系統數據通信等部分進行了研究。
1 主要硬件電路設計
系統主要由MCU電路模塊、基于TR1000的基站模塊、天線模塊、串行通信模塊、LED狀態顯示和報警電路所構成，其結構如圖1所示。
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1.1 MCU模塊
單片機選用ATMEL公司的ATmega16。它是一種基于增強RISC結構、低功耗、CMOS技術、8位控制器的高性能芯片。具有16? KB Flash、512 B EEPROM、1 KB SRAM的強大存儲功能，支持在線編程ISP，具有看門狗和JTAG接口等。MCU單元的復位電路選用X5045芯片，它帶SPI接口的內部Flash，能讀寫該配置信息與模塊ID。單片機的引腳作用及簡單的外圍電路如圖2所示。其中,ATmega16的3、4、16、17引腳控制射頻芯片的接收、發送、睡眠工作模式。
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當SECTRL1、SECTRL0都為“0”時，射頻發射模塊休眠；當SECTRL1為“1”、SECTRL0為“0”時，射頻發射模塊處于OOK發射狀態；當RECTRL1、RECTRL0都為“0”時，射頻模塊休眠；當RECTRL1為“1”、RECTRL0為“0”時，射頻模塊處于ASK接收模塊。引腳14、15為ATmega16基帶數據的輸出與輸入引腳，是射頻模塊和主控模塊的通道。另外，ATmega16沒有ALE、WR、RD口，但可分別選用PD4、PC6、PC7口模擬。
1.2 基站模塊
射頻收發的核心芯片采用RFM公司的OOK/ASK通用無線射頻收發器芯片TR1000，其主要特點是：具有OOK和ASK兩種調制解調方式；具有調制發送和接收解調功能；中心工作頻率約為916.5? MHz；具有最高可達115.2 kb/s的基帶速率；工作電壓一般約為3 V左右；工作溫度范圍在：-40 ℃～-85 ℃。
1.2.1 OOK射頻發射模塊
由于ISO/IEC18000-6Type B 協議規定讀卡器到射頻標簽端的射頻調制方式為99%的ASK(振幅鍵控)調制，在這里將其作為OOK(通斷鍵控)調制。當引腳SECTRL1為“1”、SECTRL0為“0”時處于工作狀態，其電路如圖3所示。另外，為提高讀卡器的輸出功率需采用芯片設計功率放大電路。
1.2.2 射頻接收模塊
ISO/IEC18000-6Type B協議規定了從卡片到讀卡器的信號采用反向散射調制。而從調制波形來看其仍與ASK調制波形相類似。因此,在這里將TR1000的SECTRL1和SECTRL0引腳設置為高電平，而RXDATA作為基帶數據輸出引腳，其電路如圖4所示。
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1．3 天線模塊
非接觸IC卡與讀卡器之間的通信是按照一定通信協議通過天線系統由電磁波傳輸完成。本系統是遠距離系統，是在微波范圍內利用反向散射技術進行工作，其模式與雷達有些類似。因此，天線設計的理論依據：參照雷達的原理，由讀卡器產生的高頻信號從讀卡器天線以一定的方向輻射到空間，在輻射范圍內的射頻標簽接收到的功率密度S為:?
由于天線的有效接收面積為：
最后得出讀卡器天線接收的功率為：
由式(1)～(5)可知，要想增大讀卡距離，除了提高讀卡器的發射功率以外，還要適當提高天線的接收面積和增益。因為本系統的射頻頻率為915 MHz,其波長約為328 mm,本系統采用微帶技術的圓極化天線,按照915 MHz矩形微帶天線的技術指標，在設計過程中考慮到天線的頻帶、工作頻率、工作環境等原因，饋電部分采用了3 dB雙分支微帶定向耦合器結構,用空氣作為填充介質,用鋁板制造微帶底板,天線的輻射部分為一塊正方形銅板,分別從各邊中點饋電，其他關鍵部分采用銅板。
1．4 通信模塊
為了使所設計的讀寫模塊能方便地嵌入到各種應用系統中(如門禁、公交收費、考勤) ,該讀寫模塊可通過3 種方式通信:RS232、TTL 串口和自定義兩線制通信模式進行通信。通信方式的選擇,可在模塊中通過跳線來實現。
2 系統軟件設計
設計思想: 當有射頻標簽進入距離射頻天線工作范圍內時, 讀卡器就可以讀到卡中的數據。系統單片機將所讀數據進行分析處理, 如果讀卡成功則指示燈閃爍一次,同時蜂鳴器鳴叫一聲，并將標簽內的數據與當前時間一起存入單片機內的EEPROM, 接著在LED顯示器上顯示卡數據。如果沒有射頻標簽進入天線工作范圍, 則在顯示器上顯示當前時間；如果讀卡出錯, 則顯示出錯標志。在與上位機通信時, 將單片機內部EEPROM存入的信息發往上位機。系統主程序實現了與上位機的數據通信，完成了ISO/IEC18000-6Type B協議規定的對卡的各種操作。整個主程序包括：串行通信程序、射頻標簽操作程序、底層程序以及防沖突程序。主程序如圖5所示。
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本文設計的RFID射頻讀卡器充分結合硬、軟件的優勢,可以實現對符合ISO18000-Type B協議的射頻標簽的讀寫,讀寫距離可達3 m。如果合理地設計天線系統并進行優化,還可以增加讀寫距離。該讀寫器可以方便地與包括PC機在內的串口設備連接,易于針對不同的應用對象嵌入到其他各射頻識別應用系統中。由于所選控制器程序存儲單元為Flash存儲,因此可重復編程,升級方便。該讀寫器具有響應速度快、通信穩定可靠、操作便利等優點,對RFID的推廣有重要意義。
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