采用讀卡機(jī)芯片F(xiàn)M1715SL設(shè)計(jì)的RFID讀卡機(jī)

 摘要：根據(jù)車輛管理系統(tǒng)對(duì)身份識(shí)別需求，提出基于國(guó)產(chǎn)芯片的RFID讀卡機(jī)方案。數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)為ISO14443 TypeB的設(shè)備，在滿足安全保密前提下，很好地兼顧了使用方便和高效便捷，大規(guī)模的車載應(yīng)用驗(yàn)證了該方案的可靠性。

引言

某車輛管理系統(tǒng)對(duì)車輛使用者的身份識(shí)別有明確需求，在車載強(qiáng)干擾環(huán)境下，要求準(zhǔn)確、快速地識(shí)別車輛使用者信息。結(jié)合車輛的具體使用情況，對(duì)比了IC卡、射頻卡、ID卡等，提出車輛安裝電子標(biāo)簽讀卡機(jī)和無(wú)源電子標(biāo)簽識(shí)別方案，最后確定無(wú)源RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)方案。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，操作快捷方便。根據(jù)頻段不同，RFID分為低頻和高頻系統(tǒng)。低頻近距離RFID系統(tǒng)主要有125 kHz和13.56

MHz頻段;高頻RFID系統(tǒng)主要有915 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。無(wú)源電子標(biāo)簽(RFID卡片)也叫被動(dòng)標(biāo)簽，在進(jìn)入讀卡機(jī)的識(shí)別范圍后接收射頻信號(hào)，部分射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電工作，然后將存儲(chǔ)在芯片中的信息數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡機(jī)。無(wú)源電子標(biāo)簽成本很低，有很長(zhǎng)的使用壽命，體積小，讀寫距離較近。

在應(yīng)用中，讀卡機(jī)作為車載監(jiān)控終端的一個(gè)傳感器安裝到車輛上，通過(guò)讀取不同的RFID卡，包括二代身份證，來(lái)識(shí)別不同的車輛使用者，完成身份識(shí)別、時(shí)間統(tǒng)計(jì)、考勤打卡和報(bào)警提醒等功能。

1 讀卡機(jī)總體設(shè)計(jì)

為提高信息安全，在總體設(shè)計(jì)時(shí)采取以下設(shè)計(jì)思路：元器件選型僅限在中國(guó)大陸設(shè)計(jì)制造廠商內(nèi)優(yōu)選;通信協(xié)議采用更安全的ISO14443 TypeB協(xié)議(協(xié)議同中國(guó)第二代身份證)。公交、食堂、商場(chǎng)、會(huì)所等多使用TypeA卡，但是相對(duì)TypeA卡來(lái)說(shuō)，TypeB卡芯片具有更高的安全性，接收信號(hào)時(shí)，不會(huì)因能量損失而使芯片內(nèi)部邏輯及軟件工作停止，支持更高的通信速率，抗干擾能力也更強(qiáng)，更能保證數(shù)據(jù)安全。

讀卡機(jī)以通用非接觸讀卡機(jī)芯片FM1715SL為核心，采用上海海爾集成電路有限公司的微控制器HR7P90H作為處理器，其他關(guān)鍵模塊包含交互接口、電源管理和RFID射頻等單元模塊。RFID讀卡機(jī)總體框圖如圖1所示。

車載終端作為主設(shè)備，通過(guò)數(shù)據(jù)-電源復(fù)合接口，給讀卡機(jī)供電，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。電源管理模塊輸出讀卡機(jī)需要的電壓;RS-232驅(qū)動(dòng)電路完成串口通信的電子轉(zhuǎn)換;HRTP90H通過(guò)SPI口與FM1715SL進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)RFID卡的識(shí)別;FM1715SL的天線采用印制板天線，進(jìn)一步降低成本，提高可生產(chǎn)性;HR7P90H根據(jù)車載終端、卡片狀態(tài)等信息，通過(guò)蜂鳴器和LED實(shí)現(xiàn)聲光提醒。

讀卡機(jī)能讀取第二代身份證的全球唯一ID號(hào)，可省略卡片的采購(gòu)，車輛使用者的身份證可同時(shí)作為識(shí)別卡使用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括讀卡機(jī)芯片和控制器的接口電路、電源電路、時(shí)鐘電路和匹配電路等。

2.1 RFID卡專用芯片

從開(kāi)發(fā)難度、器件成熟度、生產(chǎn)供貨等方面考慮，選擇了上海復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計(jì)的FM1715SL，這是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片，支持13.56 MHz頻率下的TypeA和TypeB兩種非接觸通信協(xié)議，以及多種加密算法。FM1715SL具備高集成度的模擬電路，只需少量的外圍電路;操作距離達(dá)10 cm;支持ISO14443 TypeA及TypeB協(xié)議并內(nèi)置加密單元。FM1715SL電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

接口電路：FM1715SL的數(shù)據(jù)總線是標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口，F(xiàn)M1715SL作為從設(shè)備，由微處理器通過(guò)SPI總線和FM1715SL輸出中斷完成通信控制。

發(fā)射電路：FM1715SL編解碼的參考時(shí)鐘是13.56MHz，由晶體振蕩器及其驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。從TX1和TX2引腳發(fā)射出去的是調(diào)制的13.56MHz載波信號(hào)，其頻譜除了有13.56 MHz外，還有高次諧波分量。圖2中L0和C0組成的濾波器用于過(guò)濾13.56 MHz的諧波功率，以滿足相關(guān)EMC規(guī)定的要求。

接收電路：FM1715SL的接收電路利用RFID卡的響應(yīng)信號(hào)調(diào)制到副載波的雙邊帶進(jìn)行通信。FM1715SL輸出VMD作為RX引腳偏置電壓，并采用電容C4進(jìn)行濾波穩(wěn)壓;電阻R1和R2組成RX和VMD之間的分壓電路。

天線設(shè)計(jì)：天線是RFID讀卡機(jī)的一個(gè)重要組成部分，讀卡機(jī)的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。天線建模有直接連接模型和50 Ω阻抗匹配模型等。由于卡片和天線直接距離設(shè)計(jì)小于5 cm，可使用簡(jiǎn)單、低成本的直接連接模型，將天線設(shè)計(jì)到PCB板上。天線模型如圖3所示。

在讀卡機(jī)和卡片通信過(guò)程中，天線用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號(hào)的磁通量。而磁通量用于向RFID卡提供電源并在讀卡機(jī)和卡片之間傳送信息。因此，設(shè)計(jì)天線線圈的電流最大，以產(chǎn)生最大的磁通量。13.56 MHz屬于短波頻段，因此可以采用小型環(huán)狀天線，形狀有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本設(shè)計(jì)采用圖3所示的矩型天線。C1完成發(fā)射端的50 Ω的匹配，提高能量傳輸效率;C2與天線的等效電感L1組成13.56 MHz諧振網(wǎng)絡(luò);R1用來(lái)調(diào)整天線的品質(zhì)因數(shù)Q。在天線設(shè)計(jì)中，Q是一個(gè)非常重要的參數(shù)，Q太小則天線的讀卡范圍內(nèi)有盲區(qū)，影響數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定和可靠;Q太大則讀卡距離縮短。Q一般取35較好。為提高生產(chǎn)一致性，降低調(diào)試難度，PCB采用多層板設(shè)計(jì)，并通過(guò)疊層阻抗控制，精細(xì)設(shè)計(jì)矩形天線的電感和阻抗，同時(shí)模擬電路的電阻采用1%精度的貼裝型號(hào)，電容采用低溫度系數(shù)、低溫飄、1%精度、NPO介質(zhì)的貼片電容。

2.2 微控制器

HR7P90H是海爾公司高性能8位精簡(jiǎn)指令集微控制器，具有豐富的片上外設(shè)。其中，高速異步收發(fā)器UART實(shí)現(xiàn)與車載終端的通信;通過(guò)I/O端口完成4路LED、1路蜂鳴器的控制和1路SPI接口的模擬;內(nèi)置的防護(hù)電路滿足工業(yè)級(jí)ESD(Electrostatic Discharge)和 EFT(Electri cal Fast Transientburst)標(biāo)準(zhǔn)，非常適合工業(yè)控制和汽車電子領(lǐng)域。HR7P90H內(nèi)置16 MHz振蕩器和上電復(fù)位電路，SOP28的小型貼片封裝，能極大地減少外圍電路，給FM1715SL的射頻和天線電路設(shè)計(jì)提供更多的板上面積。HR7P90H支持在系統(tǒng)編程(In-System Programming，ISP)和在線調(diào)試功能(In-Circuit Debugging，ICD)，電路設(shè)計(jì)了這兩種接口，方便開(kāi)發(fā)調(diào)試和批量生產(chǎn)。

2.3 工業(yè)設(shè)計(jì)

工業(yè)設(shè)計(jì)充分考慮了車載環(huán)境的高溫、振動(dòng)等特殊性，兼顧用戶的便利性。把讀卡機(jī)設(shè)計(jì)成接觸式卡槽，方便固定卡片，一方面縮短了卡片到天線的距離，降低了印制板天線的設(shè)計(jì)難度，另一方面也減小了讀卡機(jī)的外觀尺寸，整個(gè)讀卡機(jī)僅比卡片略大一圈，更容易安裝。材料選擇阻燃型ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)，并在卡槽內(nèi)部設(shè)計(jì)多條尼龍壓條，進(jìn)一步提高卡片在車載環(huán)境下的穩(wěn)固性。讀卡機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 識(shí)別軟件設(shè)計(jì)

識(shí)別軟件的主要功能是自動(dòng)檢測(cè)進(jìn)入識(shí)別范圍的各種卡片，完成和車載終端的通信，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容和卡片信息，設(shè)置相關(guān)的指示燈和蜂鳴器。

軟件編程使用海爾公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境HR-IDE工具完成，HR-IDE支持C語(yǔ)言的編輯、交叉編譯、鏈接調(diào)試和仿真;考慮到軟件代碼的規(guī)模和復(fù)雜度，開(kāi)發(fā)調(diào)試使用了低成本的ICD仿真器。識(shí)別軟件開(kāi)發(fā)采用基于中斷驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)流處理架構(gòu)，軟件流程圖如圖5所示。

識(shí)別軟件主要由中斷服務(wù)程序、任務(wù)調(diào)度和各種子任務(wù)處理程序組成。整個(gè)軟件的中斷來(lái)源有串口通信的收發(fā)中斷、FM1715SL外部中斷和各個(gè)子任務(wù)觸發(fā)的軟中斷等。每個(gè)中斷服務(wù)程序都簡(jiǎn)潔短小，能快速完成設(shè)置標(biāo)志讀取數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)性高的工作，釋放處理器資源完成各種任務(wù)處理;任務(wù)調(diào)度模塊根據(jù)設(shè)置的標(biāo)志進(jìn)行子任務(wù)的調(diào)度，每個(gè)子任務(wù)完成就清除標(biāo)志后返回;子任務(wù)也可以設(shè)置標(biāo)志，從而觸發(fā)其他子任務(wù)的調(diào)度。

比如讀卡子任務(wù)完成讀卡后，會(huì)觸發(fā)中斷，設(shè)置標(biāo)志;傳輸子任務(wù)將卡號(hào)發(fā)送給車載終端;如果卡號(hào)無(wú)效或者定期無(wú)法讀取卡片，亦會(huì)觸發(fā)傳輸子任務(wù)，車載終端將發(fā)送點(diǎn)亮“無(wú)效卡”指示燈的指令，串口收中斷被觸發(fā)，指示燈設(shè)置子任務(wù)將被調(diào)用，“無(wú)效卡”指示燈亮起。

HR7P90H只有2 KB的SRAM，軟件架構(gòu)如果采用RTOS則難以實(shí)現(xiàn)，而采用串行的多函數(shù)架構(gòu)，則實(shí)時(shí)性、可靠性、擴(kuò)展性不能保證，調(diào)試難度大。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和任務(wù)處理合理劃分，將數(shù)據(jù)讀取采取中斷驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)通過(guò)標(biāo)志統(tǒng)一調(diào)度，數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理剝離，很好地滿足高實(shí)時(shí)性下多數(shù)據(jù)處理的要求。整個(gè)軟件架構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，編碼設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試和維護(hù)難度都較小。

結(jié)語(yǔ)

讀卡機(jī)已經(jīng)作為某車載終端的傳感器，經(jīng)過(guò)各種試驗(yàn)測(cè)試后批量安裝到車上使用。工作穩(wěn)定可靠安全，成本低廉，能讀取包括二代身份證的符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)TypeB類型的RFID卡。