基于ARM的RFID閱讀器設(shè)計(jì)

文章出處：http://m.overnightmodel.com 作者：蘆東昕 李強(qiáng) 柳長安   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月21日

     RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識(shí)別。一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別的距離可達(dá)幾十厘米至幾米，且根據(jù)讀寫的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息，同時(shí)，還具有極高的保密性，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。   

　　RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。其應(yīng)用范圍十分廣泛，主要有商品零售、商品防偽、交通運(yùn)輸、物流倉儲(chǔ)、安全管理、醫(yī)療衛(wèi)生、圖書檔案和國防軍事等。   

　　RFID系統(tǒng)由三部分組成：1. 標(biāo)簽（Tag，即射頻卡），由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信；2. 閱讀器，讀取（在讀寫卡中還可以寫入）標(biāo)簽信息的設(shè)備；3. 天線，在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。本文主要介紹基于ARM，工作頻率在13.56MHz的RFID閱讀器設(shè)計(jì)方案。   

　　1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)   

　　1.1 系統(tǒng)主要芯片介紹   

　　本設(shè)計(jì)方案的兩個(gè)主要芯片是LPC2212和MF RC500。LPC2212功耗低，性能高，接口資源豐富，可以在RFID閱讀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)一個(gè)多功能應(yīng)用系統(tǒng)。   

　　MF RC500是PHILIPS公司生產(chǎn)的應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。MF RC500支持ISO14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線（可達(dá)100mm）；接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測奇偶CRC，此外它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。   

　　1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)   

　　系統(tǒng)從功能上主要分為4大模塊：控制模塊、發(fā)送接收數(shù)據(jù)模塊、串行通信模塊和顯示模塊。各模塊組成的系統(tǒng)總框圖如圖1所示。   

　　控制模塊主要由微控制器LPC2212和晶振組成，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制工作。   

　　發(fā)送接收數(shù)據(jù)模塊主要由MF RC500、晶振和天線組成。MF RC500分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分負(fù)責(zé)對射頻卡的發(fā)送接收操作，發(fā)送主要完成驅(qū)動(dòng)天線，提供13.56MHz的能量載波并根據(jù)寄存器的設(shè)置對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制；接收主要完成對射頻卡發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理。數(shù)字部分則通過并口和中斷與微控制器LPC2212通信。MF RC500的能量載波由13.56MHz晶振提供，天線則主要由LC低通濾波器和LC諧振電路組成。   

　　串行通信模塊主要由RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)采用的9芯接口和電平轉(zhuǎn)換電路MAX232A組成。本模塊負(fù)責(zé)閱讀器與PC機(jī)通訊，可進(jìn)行程序下載，射頻卡信息修改等。   

　　顯示模塊主要由低復(fù)用率的通用液晶（LCD）驅(qū)動(dòng)器PCF8562和LCD屏組成。PCF8562與微控制器LPC2212可以通過兩線雙向的I2C總線通信，當(dāng)這兩條線連接到器件的輸出級(jí)時(shí)必須通過上拉電阻連接到正電源。顯示模塊負(fù)責(zé)卡片信息顯示。   

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)   

　　軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、射頻卡與讀寫器通信模塊和LCD顯示模塊。下面詳細(xì)介紹以上模塊。   

　　2.1 系統(tǒng)初始化模塊   

　　為了使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，必須在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作。其中包括中斷向量表的建立和REMAP（重映射）操作、各種模式堆棧初始化操作、時(shí)鐘初始化操作、串口初始化操作和中斷選擇初始化操作。   

　　ARM7處理器有7種異常模式，其中斷向量位置是固定的（地址0x00000000-0x0000001C）,LPC2212采用64字節(jié)存儲(chǔ)中斷向量表。為了實(shí)現(xiàn)LPC2212在不同操作模式下對中斷的使用，必須對LPC2212中Flash的Boot Block塊和SRAM空間的一小部分REMAP。另外，需要對各種模式的堆棧進(jìn)行初始化。   

　　LPC2212振蕩器工作在振蕩模式，外部晶體振蕩頻率為20-25MHz，通過內(nèi)部PLL電路調(diào)整時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快。程序首先使能PLL但不連接PLL，然后設(shè)置外設(shè)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻比，接著設(shè)置PLL的乘因子和除因子。設(shè)置完成后，把數(shù)據(jù)正確寫入硬件，并等待PLL跟蹤完成。最后，使能PLL并使PLL連上系統(tǒng)。   

　　串口是讀卡器與PC機(jī)通信端口，在使用前須設(shè)置串口波特率、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)字符格式和初始化FIFO（先進(jìn)先出隊(duì)列）。   

　　串口和RC500都是基于IRQ中斷，使用前，須對LPC2212中斷選擇寄存器進(jìn)行配置，把串口和RC500的中斷請求分配為IRQ模式。   

　　2.2 射頻卡與讀寫器通信模塊   

　　本系統(tǒng)采用M1（MIFARE 1）智能卡，本卡自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路，M1分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié)，以塊為存取單位，每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼及訪問控制，可一卡多用。M1射頻卡與讀寫器的通信流程圖如圖2所示。   

　　復(fù)位應(yīng)答（Answer to request）：M1射頻卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當(dāng)有卡片進(jìn)入讀寫器的操作范圍時(shí)，讀寫器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為M1射頻卡，即驗(yàn)證卡片的卡型。   

　　防沖突機(jī)制 (Anti-collision Loop)：當(dāng)有多張卡進(jìn)入讀寫器操作范圍時(shí)，防沖突機(jī)制會(huì)從其中選擇一張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡，該過程會(huì)返回被選卡的序列號(hào)。   

　　選擇卡片(Select Tag)：選擇被選中的卡的序列號(hào)，并同時(shí)返回卡的容量代碼。   

　　三次互相驗(yàn)證(Three Authentication)：選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號(hào)，并對該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在三次相互認(rèn)證之后就可以通過加密流進(jìn)行通訊。（在選擇另一扇區(qū)時(shí)，則必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗(yàn)。）   

　　對數(shù)據(jù)塊的操作: 讀 (Read)：讀一個(gè)塊；寫 (Write)：寫 一個(gè)塊；加（Increment）：對數(shù)值塊進(jìn)行加值；減（Decrement）：對數(shù)值塊進(jìn)行減值；存儲(chǔ)（Restore）：將塊中的內(nèi)容存到數(shù)據(jù)寄存器中；傳輸（Transfer）：將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫入塊中；中止（Halt）：將卡置于暫停工作狀態(tài)。   

　　2.3 LCD顯示模塊   

　　顯示模塊完成射頻卡信息在LCD上的顯示功能。用戶可以顯示專用符號(hào)、數(shù)字、漢字和圖形。顯示模塊主要分為兩部分：第一部分是根據(jù)閱讀器從射頻卡讀入的信息確定要顯示的內(nèi)容，顯示圖形時(shí)，則要計(jì)算顯示坐標(biāo)；第二部分是根據(jù)系統(tǒng)所采用的LCD建立專用符號(hào)庫、漢字庫，顯示圖形時(shí)，則要把第一部分得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為LCD上的顯示坐標(biāo)。   

　　3 改進(jìn)的防沖突算法   

　　根據(jù)ISO14443協(xié)議，M1型卡傳統(tǒng)的防沖突算法是動(dòng)態(tài)二進(jìn)制檢索樹算法。它首先利用MANCH ESTER編碼“沒有變化”的狀態(tài)來檢測碰撞位，然后把碰撞位設(shè)為二進(jìn)制“1”，用SELECT命令發(fā)送碰撞前接收的部分卡片序列號(hào)和碰撞位，如果卡片開頭部分序列號(hào)與其相同，則做出應(yīng)答，不相同則沒有響應(yīng)。以此來縮小卡片范圍，最終達(dá)到無碰撞。圖3顯示了兩個(gè)卡片（PICC #1和PICC #2）的防碰撞流程。   

　　但是，傳統(tǒng)的防碰撞方法要求所有應(yīng)答器準(zhǔn)確同步，應(yīng)答器必須準(zhǔn)確地在同一時(shí)刻開始傳輸他們的序列號(hào)。然而，在實(shí)際使用中，應(yīng)答器由用戶控制，可能產(chǎn)生異步發(fā)送數(shù)據(jù)，如果仍然采用傳統(tǒng)防沖突算法，有可能導(dǎo)致死循環(huán)，如圖4所示。   

圖4 尋卡死循環(huán)   

　　為了解決死循環(huán)問題，在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上設(shè)置了一個(gè)記錄碰撞位數(shù)的變量，如果第二次碰撞位數(shù)和第一次相等，則把SELECT發(fā)送的部分卡號(hào)增加一位，設(shè)為二進(jìn)制數(shù)“1”發(fā)送出去。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到應(yīng)答，則把增加位設(shè)為“0”發(fā)送出去?？梢杂行ьA(yù)防由于應(yīng)答器異步導(dǎo)致的死循環(huán)問題。針對圖4的改進(jìn)流程如圖5。   

圖5 改進(jìn)的防沖突流程   

　　4 結(jié)束語   

　　本文給出了一個(gè)基于ARM的RFID閱讀器軟硬件框架，實(shí)現(xiàn)了對射頻卡的基本讀寫等功能。閱讀器采用的ARM微處理器，接口資源豐富，還有很多空閑接口，可在閱讀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，例如，可利用ARM的其它接口驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用射頻卡對電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，只有卡內(nèi)信息正確，系統(tǒng)才能向電機(jī)發(fā)出控制命令，從而在硬件上增加了安全性。另外，改進(jìn)的防沖突算法也使讀卡器在應(yīng)答器異步發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下有效的避免死鎖。本文對實(shí)現(xiàn)帶有RFID功能的多功能系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。   

　參考文獻(xiàn)：   

　　[1]游戰(zhàn)清,李蘇劍等.無限射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社,2004.   

　　[2]李駒光,聶雪媛等.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解—基于S3C14510B系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,2003.   

　　[3]周立功等.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003.   

　　[4]Bhuptani Manish,Moradpour Shahram.RFID Field Guide Deploying Radio Frequency Identification Systems[M].Prentice Hall PTR,2005.   

　　[5]Klaus Finkenzeller.RFID Handbook:Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification[M].John Wiley & Sons,2003.