基于S6700 的閱讀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
引言
RFID 技術(shù)是一個(gè)嶄新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,它不僅涵蓋了微波技術(shù)與電磁學(xué)理論,而且還包括通信原理及半導(dǎo)體集成電路技術(shù),是一個(gè)多學(xué)科綜合的新興學(xué)科。同其他一些識(shí)別技術(shù)相比,射頻識(shí)別技術(shù)具有高效快捷、非接觸、無污染、識(shí)別率高等突出優(yōu)點(diǎn)。因此,對(duì) RFID 技術(shù)的認(rèn)識(shí)和研究具有深遠(yuǎn)的理論意義。
1. RFID 系統(tǒng)分析
系統(tǒng)屬于遙耦合中的疏耦合射頻識(shí)別系統(tǒng),主要由應(yīng)答器、閱讀器、天線、通訊模塊及人機(jī)接口等幾部分組成。
當(dāng)閱讀器向應(yīng)答器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)處理機(jī)將該數(shù)據(jù)先送給射頻接口電路,與振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)相同,產(chǎn)生出調(diào)制信號(hào),然后由天線傳送給應(yīng)答器,IC 卡根據(jù)不同的命令做出不同應(yīng)答。當(dāng)閱讀器接收應(yīng)答器傳回的數(shù)據(jù)時(shí),由天線接受來自應(yīng)答器的調(diào)制信號(hào),經(jīng)過射頻接口將數(shù)據(jù)還原,然后在單片機(jī)中作相應(yīng)的處理,可以通過人機(jī)界面進(jìn)行互動(dòng)或者由通訊接口傳送給上位機(jī)。
對(duì)于一個(gè)非接觸式數(shù)據(jù)載體的讀寫操作,一般是嚴(yán)格按照“主一從”原則來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,這意味著閱讀器和電子標(biāo)簽的所有動(dòng)作均應(yīng)有通信協(xié)議或軟件來控制。RFID 系統(tǒng)的閱讀器均可以簡(jiǎn)化為三大基本功能模塊:由收發(fā)系統(tǒng)組成的高頻接口、控制系統(tǒng)以及和外界其它設(shè)備通信用的各種標(biāo)準(zhǔn)接口,如 USB 接口、RS232 接口、RS485 接口、與 Internet 連接的網(wǎng)口以及與打印機(jī)相連的并口等。
1. 2.RFID 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及接口實(shí)現(xiàn)
2. 2.1 MCU 與 S6700 芯片接口電路設(shè)計(jì)
在此設(shè)計(jì)中選用了 PIC16F877A 單片機(jī)作為控制器,PIC16F877A 單片機(jī)有豐富的位操作指令,精簡(jiǎn)的指令集,能夠模擬 RI-R6C-001A (RI-R6C-001A 芯片是TI 公司最新開發(fā)的針對(duì)應(yīng)答器讀寫的多協(xié)議收發(fā)器)傳送數(shù)據(jù)的時(shí)序以及時(shí)鐘切換的時(shí)序。
圖2 MCU 與 S6700 芯片接口電路
S6700 閱讀器芯片提供給用戶數(shù)字接口的信號(hào)線為 DIN、DOUT、SCLOCK ,通過這三根線可完成控制器與 RI-R6C-001A 芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng) RI-R6C-001A 要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),時(shí)鐘由單片機(jī)控制,當(dāng)它要接收數(shù)據(jù)時(shí),時(shí)鐘由該芯片控制,設(shè)計(jì)中作者采用PIC16F877 單片機(jī)的 RA0、RA1、RA2 與 SCLOCK、DIN、DOUT 通過模擬的方式來傳輸數(shù)據(jù),執(zhí)行符合射頻系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的命令,MCU 與S6700 芯片接口電路如圖2 所示。
2.2 閱讀器通信接口
在RFID 系統(tǒng)中,用作上位機(jī)的PC 機(jī)系統(tǒng)與閱讀器之間經(jīng)常要進(jìn)行信息交換。由于系統(tǒng)中采用的單片機(jī)PIC16F877 帶有串口,因而兩者之間的通信可通過串行口完成。但是,在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)主控PC 機(jī)和閱讀器相隔很遠(yuǎn),為保證數(shù)據(jù)能高速及時(shí)、安全地傳至PC 機(jī),閱讀器與PC 機(jī)之間采用RS485 協(xié)議的串行通行較為合理。
圖3 單片機(jī)接口電路
單片機(jī) PIC16F877A 串行通信模塊的 URXD、UTXD 電平符合 TTL/CMOS 標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)PC 機(jī)的 RXMCU 有電平輸入時(shí),它首先通過 6N137 光電隔離,保護(hù)單片機(jī)不受干擾,由O 腳輸出到 DI,從而轉(zhuǎn)化為 RS485 電平由 Y、Z 輸出。反之,PC 機(jī)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成的MAX490 的 A、B 端有輸入,將首先轉(zhuǎn)換為 R0 輸出,然后經(jīng)過光電隔離后最終由TXMCU 輸出。
圖4 PC 機(jī)接口電路
PC 機(jī)接口電路的具體實(shí)現(xiàn)如圖4 所示,RS232 的電平標(biāo)準(zhǔn)如下:邏輯“0” 的電平范圍為-5V—15V,邏輯“1”的電平范圍為5V-15V 。這里選用的MAX232A 是MAXI 公司的RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片。當(dāng)PC 機(jī)的TXDPC 輸出到R1IN 時(shí)候, 首先由MAX232A 轉(zhuǎn)換成TTL 電平由R1OUT 輸出, 經(jīng)過6N137 光電隔離后輸入DI 腳,從而裝換為RS485 電平由Z,Y 輸出。
同理單片機(jī)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成的RS485 電平信號(hào)輸入A,B 腳,經(jīng)過MAX490 轉(zhuǎn)換成TTL 電平,再經(jīng)過光電隔離最終由RXDPC 輸出。必須強(qiáng)調(diào)的是在電路的連接中PC 接口電路中的MAX490 芯片引腳RSOUT+,RSOUT-必須和單片機(jī)側(cè)MAX490 芯片引腳RSIN+、RSIN-兩兩錯(cuò)開相連的。這樣才能正常的通信。
2.3 高頻諧振功率放大器電路
高頻諧振功率放大器電路可以工作在A 類、B 類或C 類狀態(tài),考慮到C 類諧振功放適用于輸入信號(hào)比較大、輸出功率大、效率高,因此,在大功率射頻功放電路中采用。功率放大器電路如圖5 所示。
2.4 反沖突處理
在RFID 系統(tǒng)中,閱讀器與應(yīng)答器之間的通信,不能排除可能會(huì)有一個(gè)以上的應(yīng)答器同時(shí)處于閱讀器的作用范圍內(nèi),當(dāng)在閱讀器的天線區(qū)域中有多個(gè)應(yīng)答器同時(shí)到達(dá)時(shí),它們將幾乎同時(shí)響應(yīng)閱讀器的指令而發(fā)送信號(hào),這樣就會(huì)產(chǎn)生信道爭(zhēng)用的問題,信號(hào)互相干擾,閱讀器不能正確接收數(shù)據(jù),即發(fā)生了碰撞(Collision)。
為了提高系統(tǒng)的抗“碰撞能力”,就需要采用信道編碼技術(shù),對(duì)可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行控制,信道編碼是使不帶規(guī)律或規(guī)律性不強(qiáng)的原始數(shù)字信號(hào)變換為帶上規(guī)律性或加強(qiáng)了規(guī)律性的數(shù)字信號(hào),信道譯碼器則利用這些規(guī)律性來鑒別是否發(fā)生錯(cuò)誤,或進(jìn)而糾正錯(cuò)誤。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖6 所示,初始化設(shè)置包括GPIO 設(shè)置,串口通信模塊設(shè)置,中斷設(shè)置包括外部中斷和定時(shí)器中斷設(shè)置。
圖6 系統(tǒng)軟件流程圖
當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入閱讀器的天線感應(yīng)范圍,經(jīng)過一段時(shí)間的延遲,應(yīng)答器上電復(fù)位,進(jìn)入停頓狀態(tài),在此狀態(tài)下可接收閱讀器發(fā)送的請(qǐng)求應(yīng)答指令,當(dāng)應(yīng)答器接到閱讀器的請(qǐng)求應(yīng)答指令后,返回卡的類型號(hào),隨即閱讀器發(fā)送防沖突指令,系統(tǒng)進(jìn)入防沖突循環(huán)中,防沖突循環(huán)結(jié)束后,閱讀器發(fā)出選卡指令,選中其中一張卡,在此階段,應(yīng)答器處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài),被選中的卡隨即進(jìn)入激活狀態(tài)。此后,閱讀器可以發(fā)送多種不同的指令,發(fā)送完成后等待接受應(yīng)答信息。
上述操作完成后,閱讀器發(fā)送停止指令,應(yīng)答器從激活狀態(tài)返回到停頓狀態(tài),一次交易結(jié)束,單片機(jī)可以把關(guān)鍵信息作傳輸或顯示