基于UHF学生签到系统硬件设计

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1、第34页本科生毕业设计基于UHF学生签到系统硬件设计摘 要射频识别技术是利用无线信道实现双向通信的一种识别技术。近些年来，射频识别系统的应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的很多方面。相对于13.56MHz射频识别系统，915MHz射频识别系统有着读取距离较远，阅读速度较快等优点，是目前国际上RFID产品发展的热点。本文基于ISO/IECl80006 Type B协议设计了一款915MHz频段的学生签到系统的射频读卡器硬件电路。在硬件设计中，选用单片机ATmega64作为主控制器，并以RFM公司的TRl000为射频收发芯片进行了射频收发电路的设计，并结合系统要求完成了主控部分、通信部分、指

2、示部分的电路设计、调试并与软件部分进行联合调试，完成了基于UHF的学生签到系统的硬件设计。关键字：UHF；RFID；读写器 Hardware design of registers systembased on the UHFAbstractRFID (Radio Frequency Identification) is one of the identification technologies which can realize intercommunication by using wireless channel. In recent years，the application of

3、radio frequency identification systems is more and more abroadAnd it has been involved in many aspects of peoples daily life. Comparing with 13.56MHz RFID systems，the 915MHz RFID system has longer reading distance and faster speed, etc，Nowadays，it has become a hot spot in RFID products，This text acc

4、ording to ISO/IECl80006 Type the B negotiate the radio frequency card reader hardware telephone that the student label of designing a style of 915 MHz band of frequency arrives system .Design in the hardware amid, choice unipole slab the machine ATmega64 is a main controller, and took the TRl000 of

5、RFM company as a radio frequency to receive and dispatch chip to carry on the design that the radio frequency receives and dispatches telephone, and combine system to ask for completing lord to control fraction, correspondence fraction, indication fraction of telephone design, adjust to try, and uni

6、te with software parts of progress to adjust to try, complete according to the label of UHF student to the design of system.Key Words：UHF; Radio Frequency Identification; Reader目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景与意义11.2 RFID系统国内外发展现状41.3 射频识别系统的频段和应用领域61.4 本文开展的主要工作72 RFID技术工作原理及相关技术82.1 RFID系统组成及工作原理82.

7、1.1 射频识别系统原理82.1.2 射频识别系统组成82.2 UHF的技术特点102.3 学生签到系统介绍102.4 射频读卡器系统的介绍102.5 lSO/lEC180006协议122.5.1 lSO/lECl8000-6协议简介123 学生签到系统的UHF读卡器的硬件电路设计143.1 射频读卡器硬件系统功能和读卡器流程简介143.2 主控模块电路设计153.2.1 徽控制器及其复位电路153.2.2 RS-232串行通信接口电路193.2.3 电源及稳压电路213.2.4 指示装置电路223.3 射频收发电路设计243.3.1 射频收发模块芯片243.3.2 射频发射模块设计263.3

8、.3 射频接收模块设计273.3.4 系统天线设计29结 论31致 谢32参考文献33附录 A341 绪论1.1 研究背景与意义射频识别是无线频率识别(RFID，Radio Frequency Identity)的简称，即RFID技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信，自动识别目标并获取相关信息数据的无线通信技术。与传统的自动识别技术(如条形码、接触式IC卡)相比，RFID技术具有很多优势：可以定向或不定向的远距离读取或写入数据，无需保持识别的目标可见：可以透过外部材料读取数据；可以在恶劣环境下工作；可以同时处理多个电子标签；可以储存的信息量很大；可以通过RFID标签对物体进行物理定位等等。

9、所以，随着RFID技术的发展与成熟，开始广泛应用于社会各行业部门。射频识别技术的发展过程，按照每十年可以划分如下：19401950年：雷达的改进和应用催生了RFID技术。1948年，Harry Stockman发表的论文Communication by Means of Reflected Power成为了之后RFID技术的理论基础。1950-1960年：这时期RFID技术研究主要是实验室实验研究为主，对RFID各方面的理论进行研究，总体上还处于一个探索阶段，还没出现社会上的应用。19601970年：RFID技术理论得到了一定的发展，一系列重要论文的发表，促使了其商业以及社会应用的一些最初步尝

10、试。19701980年：RFID技术研究与相关的RFID产品研发取得很大的进步，理论研究也有一定突破，RFID技术得到快速发展，出现了一些最早的应用。随着1980-1990年间，微电子技术取得的重大的突破。在这段时期里，RFID技术及产品的越发成熟使它正式投入了商业应用，社会涌现了各种商业上以及生活上的应用。而RFID作为一门新兴的通信技术领域也引起了更多专家学者的兴趣，RFID技术将会极大地改变人们生活的理念得到一致的共识。1990-2000年：RFID技术持续发展，应用更加深入到人们的日常生活中去。与此同时，RFID标准化的问题开始受到国际社会的重视，相关组织部门开始意识到统一标准对继续促

11、进RFID发展的必要性和重要性。进入2000年后，标准化的问题更加突出，而出于利益等冲突，不同国家之间始终没有达成统一的标准。同时射频识别产品种类更加丰富，而且趋向于和其他通信技术如传感网技术、2G/3G移动通信技术融合发展，应用也开始深入到社会生活的各个方面。目前，市场上多种RFID标准并存的局面，主要是因为RFID技术在全球范围内还没有统一的标准，这在一定程度上阻碍了RFID的发展。但随着RFID在全球物流行业大规模应用的开始以及其他行业各种应用的普及，RFID标准的统一问题已经引起业界的广泛重视。目前世界范围内形成了五大标准，这五大标准代表了不同集团或者国家的利益：EPC Global是

12、由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准资质联合成立，在全球范围内拥有上百家跨国公司的大力支持，由于综合了美国和欧洲厂商，EPC Global实力相对占上风；AIM、ISO、UID标准则分别代表了欧美国家和日本，影响力仅次于EPC Global，也有部分行业巨头支持；在五大标准中处于最弱位置的是IP-X标准，其成员以亚洲、非洲、大洋洲等国家为主。表1.1：各种射频识别技术的比较系统参数条形码识别技术光学符号识别生物识别技术接触式IC卡识别射频识别数据密度小小高很高很高机器的可读性好好费时间好好个人的可读性受制约简单容易困难不可能不可能受环境的影响很严重很严重可能（接触）没有光遮影响全部

13、失效全部失效可能没有方向位置影响很小很小一个方向没有用坏/磨损有条件有条件接触没有阅读设备成本很低一般很高很低一般工作费用很小很小无一般无阅读速度快较低很低较快最快阅读距离050cm1cm距离较近直接接触010mRFID技术的一些主要应用包括有：在物流跟踪、管理及监控方面：部分发达国家的机场、客运站等引进了RFID技术，应用在行李物品管理中，实现了物品的跟踪监控，提高了分拣效率。2010年1月，中国电信惠州分公司、中国石化惠州石油公司、中国平安财产惠州支公司共同打造了新型物流信息服务平台，实现了货物人员车辆可跟踪的“物联网”运营方式，对提高整个物流行业的效率效益具有深远意义。 在车辆识别和智能

14、交通方面：一些国家的城市交通引进了RFID技术，应用于车辆自动识别、车辆监控跟踪、自动收费等领域；煤矿山开采等行业也使用了RFID监控系统，提高了在复杂环境中的工作效率。我国香港使用的“驾易通”：装有RFID标签的汽车在经过收费站或者某些交通枢纽时可以被自动识别，无需停车缴费，大大提高了行车速度和效率。RFID技术在未来的智能交通方面还会有更大的发展空间。在射频卡标签用方面：RFID标签广泛应用于门禁、票务等领域。日本的公共汽车和铁路部门普遍采用基于RFID技术的电子票据。在我国，目前越来越来的票系统应用RFID射频卡，例如广州地铁的票务系统。2009年12月，我国铁路系统火车票迎来了一次升级

15、换代：基于RFID技术的智能火车票开始投入使用。在防伪技术方面：国际上大多数发达国家的公民身份证已经内置有RFID芯片，存储着必要的持证者的身份信息，难以被非法盗取以及伪造。我国内在此领域也已经形成了包括第二代居民身份证在内的相当规模的应用。RFID技术应用于电子票据防伪，从而不再需要人工识别，实现人员的快速通过。2008年北京奥运会以及2010上海世博会则是票务防伪应用方面最好的例子。随着相关技术的进步和成熟以及生产规模的扩大，RFID产品的成本将会不断降低，应用将会延伸到人们生活中的各个领域。不难预计，在未来数年内，RFID技术将保持高速发展的势头，RFID系统中的各部分包括电子标签、读写

16、器、天线、中间件等方面将会取得新的进展。在“技术融合”的大背景下，RFID技术结合其他高新技术，比如2G/3G无线通信、GPS定位、无线传感网络、生物识别等技术，由一维度信息采集向多维度信息采集方向发展的同时，形成一个层次结构分明的信息互联网络，实现跨地区、跨行业应用。1.2 RFID系统国内外发展现状RFID的发展在世界范围内，以美国为代表的发达国家的RFID技术和应用相对比较成熟，以中国为代表的发展中国家则基本处于起步或者追赶状态。美国一直是RFID技术的强国，在标准制定、软硬件开发、实际应用等各个方面都代表着世界比较高的发展水平，尤其是应用方面。欧洲RFID追随美国的EPC Global

17、协议标准，发展水平与美国基本处于同一阶段。日本自主提出的UID标准则主要得到自己国家厂商的支持，国际厂商的使用比较缺乏，在国际范围内的影响力还有待提高。韩国也高度重视RFID技术的发展，政府给予了足够的资助，但是对于标准的选择上还是显得模糊不清。在美国：一些RFID开发厂商的技术基础深厚，研究能力强大与资金投入充足。例如，TI、Intel、Symbol、Microsoft和HP等大公司也积极研发RFID芯片和相关技术，开发RFID应用软件以及系统。这些大公司的投入是美国RFID技术始终领先于世界的重要原因。理论研究发达外，RFID技术在美国社会上的应用也是十分广泛。例如在物流方面，美国已经有超

18、过100多家企业采用了RFID技术进行物流跟踪监控。美国政府是RFID应用的积极推动者，目前，美国国防部全部军需物资都使用RFID标签进行跟踪和管理；美国社会福利局使用RFID技术追踪各种表格和手册；美国食品及药物管理局利用RFID跟踪最常造假的药品。随着物联网的提出与普及，美国将再一步加快RFID技术的发展步伐，包括资金的投入、政策的支持，以确定其在物联网的领先地位。在欧洲：也有Philips、STMicroclectronics、Checkpoint、诺基亚等大公司积极投入RFID技术的研究与产品生产中。而随着RFID技术的成熟，欧洲许多大型企业都纷纷进行RFID的应用试验。例如，在201

19、0年2月，欧洲Zetcs发布一套超高频Gen2ePOD系统，用于加快电子交货速度。ePOD结合智能卡技术和RFID、条码扫描优化追踪和追溯过程，同时减少退货投诉和损耗1。这套系统可在任意公司较为容易地安装，产品无需与现有的系统集成，实现整个供应链的零错误追踪。在日本：作为传统的制造业强国，日本在RFID电子标签研究领域起步较早，政府的资金投入和政策扶持力度比较大。因此同本是少数的RFID技术比较先进的亚洲国家。日本目前已经有超过2亿张射频卡在各行业得到应用，其中RFID应用于交通和零售的市场增长迅速。Toppan Forms是非接触式支付卡的最大厂商之一，同本NFC手机的销售量在2007年已经

20、达到4700-5000万部，内嵌RFID射频芯片，手机即可进行小额支付，大多应用于零售支付和交通车费的支付。值得注意的是，日本的RFID技术在民用方面发展得比较快，例如手机、射频卡等。在韩国：主要通过产业资源部和情报通信部来联合推动RFID的发展。自从2004年3月韩国提出IT839计划之后，RFID技术的重要性得到了进一步的加强。在韩国政府的高度重视以及政策支助之下，韩国关于RFID的技术开发及应用在近年来得到很大发展，应用更是快速渗透到人们生活的方方面面中去。在我国，政府对RFID产业的扶持也是相当大的。国家颁布的2006-2020年国家信息化发展战略和国家中长期科学和技术发展规划纲要(2

21、006-2020)中都阐述了发展RFID产业的重要性。指出推动RFID技术的快速发展，可以增强我国信息产业的国际竞争能力、推动建设创新型国家；科技部等十五个部委发表了中国射频识别(REID)技术政策白皮书，国家还多次设立863专项基金支持RFID产业的发展，为RFID产业的发展奠定了良好的政策、经济环境。由此可见国家对RFID事业发展的重视程度。近年来，随着东信和平、远望谷等企业单以及清华同方等研发机构的发展，同时随着中国移动、中国电信、航空和铁路等单位部门的应用引进，我国RFID技术的研发和产品设计都有了突飞猛进的发展，已经成功应用于包括车辆交通、电子票证、工业制造追踪、物流管理、人员管理、

22、资产管理、图书管理、公共安全、食品追溯、防伪标识、动物标识、军事应用等社会各个领域的应用。RFID技术正在以稳健的步伐向前推进。据专家介绍，2008年-2010年，RFID技术将从培育阶段逐步转入成长阶段，RFID行业面临的问题将不再是以普及知识、教育客户和试点应用为主，而是转向和行业客户共同合作进行RFID技术的深入应用、价值挖掘和成功案例的模式推广，标准和成本的问题将在行业应用的不断深入和发展中得到解决。2008年RFID技术已经在北京奥运会的电子门票、食品追踪、车辆管理中得到了成功的应用。而2010年上海世博会期间RFID的全方位应用：浦东机场的防入侵系统铺设3万多个传感节点，覆盖地面、

23、栅栏和低空探测，防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵；世博局发布的可承载世博手机票的RFID-SIM卡，具有购买世博会门票、刷手机入园、刷手机在园内购物，甚至购买地铁票功能；组织者根据“世博芯”了解各场馆观众分布，及时有效调动车辆，提高交通效率等，更是带动国内RFID行业应用与发展的一次新高潮。1.3 射频识别系统的频段和应用领域下表是根据射频一般频段的分类和具体的应用情况一览表。表1.2：各种射频识别技术的应用频段系列典型频段应用领域产品特点135KHz低频 100-500KHz产品丰富，应用于动物识别，进出控制，物品追踪等管理中短距离识别，阅读速度慢，产品价格低1.95-8.2MHz

24、电子物品监视，多用于零售业或者物品防盗领域13MHz 系列中高频 10-15MHz可用于小区物业管理，大厦门禁系统，电子物品监视及ISM中短距离识别，中速阅读27MHz 系列应用于工业，科学及医疗行业430-460MHz系列应用于工业，科学及医疗行业902-926MHz 系列超高频 850MHz-5.8GHzGSM移动电话网，集装箱识别和自动收费系统等长距离识别，高速阅读，产品价格较贵2350-2450MHz系列用于工业、科研和医药行业5800-6800MHz系列非管理频段，其中5.8G在部分国家已定为智能交通系统应用频段1.4 本文开展的主要工作本文针对超高频射频识别技术的国内外发展现状及发

25、展趋势，阅读了大量文献及资料。基于ISO/IEC 18000-6 Type B协议对915MHz射频读写器进行了设计及研发。主要开展了一下工作：（1）深入掌握UHF频段的ISO/IEC 18000-6 Type B协议。（2）设计应用于学生签到系统的基于AVRmege64单片机的915MHz读写器的硬件电路方案设计。（3）完成了基于读卡器硬件电路的系统调试和测试。2 RFID技术工作原理及相关技术2.1 RFID系统组成及工作原理2.1.1 射频识别系统原理RFID系统的工作原理框图如下图2.1所示。读写器通过天线发送出一定频率的射频信号；当RFID标签进入读写器工作场时，其天线产生感应电流，

26、从而RFID标签获得能量被激活并向读写器发送出自身编码等信息；读写器接收到来自标签的载波信号，对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理；计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号；RFID标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作2。 图2.1 射频识别系统原理图RFID针对常用的接触式识别系统之缺点加以改良，采用射频讯号以无线方式传送数位资料，因此识别卡不必与读卡机接触就能读写数位资料。2.1.2 射频识别系统组成射频识别系统一般由三部分组成：读写器（Reader）一台

27、典型的读写器应包含射频信号发射单元器、高频接收单元和控制单元。此外，许多读写器还都有附加的接口(RS232、RS485、USB)，以便将所获的数据传输给另外的系统作进一步的处理或存储。读写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；控制与射频标签的通信过程(主一从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频标签与读写器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频标签和读写器间的身份验证等附加功能。标签（Tag）RFID标签是一种以无线方式传送数据的信息载体形式，它具有数据处理及安全认证等特有的优点。RFID标签是射频识别系统真正的数据载体，主

28、要由天线、谐振电容以及IC芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。射频标签与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证射频标签的合法性，同时射频标签也验证读写器的合法性；处理前，标签要与读写器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有数据都加密。此外，标签中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。天线（Antenna）射频识别系统中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向无源标签提供能量并在读写器和标签之间传送信息。系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频标签获得能量被激活；射频标签将自身编码等信息通过标签内置发送天线发送出

29、去；系统接收天线接收到从射频标签发送来的载波信号传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。在耦合方式(电感一电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频标签到读写器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的读写器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有读写器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口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射频标签并提供

30、能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频标签；接收并解调来自射频标签的高频信号。读写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；控制与射频标签的通信过程(主一从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频标签与读写器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频标签和读写器间的身份验证等附加功能。射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。影响射频标签读写距离的因素包括天线工作频率、读写器的RF输出功率、读写器的接收灵敏度、射频标签的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、读写器和射频标签的耦合度，以及射频标签本身获得的能量及发射信号的强度等

31、，大多数射频识别系统的写入距离约是读取距离的4080。2.2 UHF的技术特点UHF（超高频，典型的915MHz）的RFID系统由于读写距离远，多标签识别快，抗干扰能力强及标签的体积小，容量大，成本低的特点，已经有越来越多的场景正在使用它了。在本次设计用采用了UHF频段来作为信号。2.3 学生签到系统介绍学生签到系统主要由读写器、天线、应用系统等组成，用来对学生上课时进行签到。读写器通过接收的数据用来对学生进行签到识别，并发送相关数据由天线发出信号。天线用来接收学生来到时候的接收信号。应用系统是针对读卡器识别信息进行学生签到系统的信息管理。读写器的构造的核心用单片机ATmega64作为主控制器

32、，用来控制对所来学生签到的读写技术作用。该系统主要应用915MHz射频卡读写器，原因是由于该系统具有技术成熟稳定、远距离传输效果好的特点2.4 射频读卡器系统的介绍915MHz射频识别系统工作的基本原理与一般的射频识别系统相同，但是超高频的读写距离远、识别快、抗干扰能力强、成本低等特点已受到广泛关注、因此加以介绍。射频卡读写器系统组成框图如下图2.2所示，由微控制单元电路、射频收发模块电路、功率放大电路、滤波匹配网络电路、天线、检波电路、串行通信接口和电源等部分组成。 图2.2 915MHz射频识别系统框图串行通信电路：负责上位机与读写器的通信，使得系统可通过上位机指令控制读写器的工作过程。一

33、般采用RS232接口或RS485接口，也可采用USB接口。在完善的RFID系统中也可加入以太网控制模块实现对RFID系统的网络控制。微控制单元电路：读写器系统的控制模块，负责对整个读写器系统工作过程进行控制，内嵌程序实现基带数据指令的发送与接收和多卡状态下的防冲突方案。射频收发单元电路：在高频频段市场上有专用的RFID读写芯片，如13.56MHz频段下的RI-R6C-001A和RC500等芯片。这些RFID专用芯片内嵌了RFID通信协议，使得读写器的开发工作大大简化。目前对于UHF频段的读写器目前市场上没有专用的RFID芯片，所以射频读写模块的开发一般可以采用两种方案：一是采用搭建射频电路实现

34、的方法，用搭建的硬件电路实现射频信号的调制与解调。二是采用通用无线射频模块来完成调制解调，射频接口电路模块完成对已调制信号的放大、匹配功能以满足天线发射要求，实现上行射频信号的检波和调制以满足射频接收芯片的要求3。本文主要采用第二种设计方法。天线模块：完成与标签之间射频信号的发送和接收功能。系统的基本工作流程是：串行通讯接口获得从服务器(或者PC机)发送来的数字信号指令并把它在微控制单元中进行存储，而后再转发给射频读写模块，读写模块经过功率放大、滤波匹配等一系列工序把信号进行处理，变成有利于天线发射的载波信号，然后通过发射天线发送超高频射频信号4。当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射

35、频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写系统，读写系统对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。2.5 lSO/lEC180006协议UHF频段的标准最常见的是ISO/IEC18000-6标准，本文设计工作也是以ISO/IEC18000-6 Type B协议标准为基础的。由于各国对频段的使用要求不同，RFID标准涉及的方面又比较多等各方面原因，在超高频频段中至今还没制定出一个统一的国

36、际执行标准。现在国际上比较流行的标准有国际标准化组织制定的ISO/IEC18000等系列标准而ISO/IEC18000- 6协议是ISO/IEC18000协议的一部分。所以可供射频卡使用的几种标准有ISO/IEC 11784、ISO/IEC14443、ISO/IEC15693和ISO/IEC18000-6等等5。应用最多的是IS014443、IS015693和ISOl8000-6，这三个标准都由的物理接口、协议和命令以及防冲突判断机制四部分组成。2.5.1 lSO/lECl8000-6协议简介ISO/IEC 18000-6协议是ISO/IEC 18000协议的一部分。ISO/IEC 18000

37、是一系列标准。此标准是目前最新的也是最热门的标准，原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。ISO/IEC 18000是基于物品管理的射频识别(RFID)的国际标准，按工作频率的不同分为7部分，第1部分：全球接受频率；第2部分：低于135kHz的频率；第3部分：频率为13.56MHz；第4部分：频率为2.45GHz：第5部分：频率为5.8GHz；第6部分：频率为860930MHz；第7郁分：频率为433MHz。其中，第6部分规定的UHF频段因为适合远距离识别并且对环境影响较小而成为目前国际上RFID产品发展的热点，相应亦成为人们关注的焦点6。以下介绍ISO/IEC 18000-

38、6信息技术针对物品管理的射频识别(RFID)-第6部分：针对频率为860930MHz无接触通信空气接口参数的阅读器与应答器之间的物理接口、协议和命令以及防冲突判断机制。ISO/IEC 180006标准定义了两种类型的协议：Type A和Type B。Type A协议：Type A协议的通讯机制是基于一种“阅读器先发言”，即基于阅读器的命令与应答器的回答之间交替发送的机制。整个通讯中的数据信号定义为以下四种：“0”，“1”，“SOF”和“EOF”。Type B协议：本论文设计的系统是基于ISO/IEC18000-6TypeB协议下的，Type B的传输机制也是基于“阅读器先发言”的，即基于阅读器

39、的命令与应答器的回答之间交换的机制。下面分四个方面：射频通讯格式、指令帧格式、状态转换和防冲突机制、指令集分类。3 学生签到系统的UHF读卡器的硬件电路设计3.1 射频读卡器硬件系统功能和读卡器流程简介 本设计中的硬件结构主要可以分为五部分：主控模块、射频发射模块、状态指示、通讯、电源部分等，见图3.1，各个部分的功能如下：主控模块：读写器系统的控制模块，负责对整个读写器系统工作过程进行控制。射频收发模块：用来收发射超高频信号。状态显示：指示电源是否接通，通信接口收发状况及出现故障的显示。电源部分：电源转换。由于系统设计中AVR工作所需要的电压为5V，而射频芯片工作所需要的电压为3.3V，这就

40、要求对电源进行5V-3.3V的转换。通讯部分：负责上位机与读写器的通信，使得系统可通过上位机指令控制读写器的工作过程。控制射频收发模块实现ISO/IECl8000-6 Type B协议下的命令的收发功能。系统硬件功能框图所示 图3.1 系统硬件框图主控模块由微控制器及其复位电路、指示装置电路、RS232通信接口电路、电源电路、JTAG接口电路及辅助电路组成。读卡器流程：本文所设计的读卡器工作流程介绍如下：主控制器由串行通信模块从上位机接受命令，并对命令的类型和内容进行判断。主控制器对接受到的命令进行基带编码。主控制器将基带码传送给射频收发模块，由射频收发模块完成对信号的调制、放大等功能。由天线

41、模块完成对以调信号的发射。射频卡对命令操作完毕后，由天线接收射频信号传送给射频收发模块。射频收发模块完成对射频信号的解调，发送基带数据给主控制器。主控制器完成基带解码。串行通信模块对上位机进行数据回传。3.2 主控模块电路设计主控制器是系统的核心部分，它负责接收用户命令、对发送信号进行编码和对接收信号进行解码，主控制器与应答器的通信过程经由射频收发模块实现。JTAG(Joint Test Action Group)接口主要用于在线调试以及设置主控制器的熔丝位等7。通过串行通信接口可以实现与PC机的通信过程。电源电路完成稳压与电压转换功能，系统提供指示电路用于工作状态指示与报警功能。射频收发模块

42、完成对基带信号的调制发射和解调接收功能。主控模块的组成部分有微控制器及其复位电路、指示装置电路、RS-232通信接口电路、电源电路、及其辅助电路。本节将详细介绍每个模块的原理及其功能。3.2.1 徽控制器及其复位电路系统选用AVR单片机ATmega64作为主控制器，它是Atmel公司生产的一款高性能、低功耗的8位精简指令集单片机。系统选用ATmega64作为主控制器主要基于以下三点原因：很多指令都可以单时钟周期执行，易于UHF协议下读写命令通讯过程中的时序控制。最高可以外接16MHz晶振，能够提供足够的基带数据传输速率。能够比同价位的传统8051单片机具有更多的片内资源。64K字节多次可编程程

43、序存储器。ATmega64具有很强的抗干扰能力，集成有上电复位电路，使可靠性得到进一步的提高。(1)微控器及其外围电路为控制器电路以ATmega64为核心，其外围电路包括时钟电路，电源保护网络。图3.2 ATmega64封装图图3.3 微控器及周围电路AVR单片机SECTRLl、SECTRL0、CECTRLl、CECTRL0四个引脚为射频芯片控制引脚，使其在接收发射睡眠模式之间的工作模式进行转换，从而控制其工作状态。可分为以下几种状态：SECTRLl为“1”，SECTRL0为“1”则射频发射模块处于OOK发射状态。SECTRLl为“0”，SECTRL0为“0”则射频发射模块处于休眠状态。CEC

44、TRLl为“1”，CECTRL0为“1”则射频接收模块处于ASK接收状态。CECTRL1为“0”，CECTRL0为“0”则射频接收模块处于休眠状态。引脚RXDATA为微控器端的基带数据输出和数据输入引脚，引脚TXMOD是射频模块和控制模块进行通讯的通道。在单片机的外围电路中，上下接电源的电容和电抗组成一个电源保护网络，因为输入的电源为5V直流电，里面可能混有不规则的交流电压，如果直接接入单片机的话，可能对某些部件构成损坏，甚至烧掉整个单片机，所以必须对其进行保护。单片机外部还有一个石英晶振X1，它的频率为13.56MHz，用来提供单片机工作的外部时钟，而晶振要工作在一个特定串联谐振频率fq下，

45、就必须给它两边加两个保护电容，组成并联振荡回路，这样才不致使单片机工作的时钟频率产生变化，进而可以稳定的工作，提高系统的性能8。(2)复位电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是将程序记数器PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。在程序运行中，外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或者跑飞。为了摆脱困境，可将单片机复位，以重新启动。复位也可以使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。当引脚的RESET上面的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时，MCU复位。nRST引脚是复位信号的入射端，高电平有效。其有效时间应持续在24个振荡周期(即两个机器周期)以上。复位操作有

46、上电自动复位和手动按键复位两种方式。下图为具有两种复位方式的电路，只要电源的上升时间不超过lms，就可以完成自动上电复位，即接通电源时就完成了复位操作。按动键KEY1，可实现手动复位。图3.4 复位电路3.2.2 RS-232串行通信接口电路本设计中，为了提高系统的可适应性，提供了两种串行通信接口形式：USB和RS232。USB选用CP2101芯片来实现虚拟串口，RS-232采用MAX232芯片。（1）USB接口电路设计本设计中采用了USB接口，主要是考虑到这种通信接口在微型计算机的应用越来越广泛。USB是“Universal Serial Bus”的缩写，意思是“通用串行总线”。但这并不是一

47、种新的总线标准，而是电脑系统接驳外围设备(如键盘、鼠标、打印机等)的输入/输出接口标准。现在电脑系统对外围设备的接口并无统一的标准，如键盘的插口是圆的、连接打印机要用9针或25针的并行接口、鼠标则要用9针或25针的串行接口。USB把这些不同的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。也就是说，USB将取代当前PC上的串口和并口。为了方便得实现微控制器AVRmeg64的UART接口与USB接口的转化，设计采用了Silicon Laboratories(原Cygnal)公司生产的一款性能优良的USB 1.1到UART(T

48、TL电平)桥接芯片CP2101。如下图所示：图3.5 USB接口电路 如图3.5中USB即为CP2101，可以看出该芯片的外围电路十分简单，只需一只电容C22。CP2101的25、26两个引脚与微控制器的UART接口连接，4、5两个引脚与微计算机的USB接口的D+、D-进行连接。CP2101兼容USB2.0协议，可以应用于工业级温度范围。芯片一端作为从设备以全速(Full Speed：12Mbps)连接到计算机的USB上，芯片另一端是一个具有全部RS-232信号的TTL电平端口，可以通过电平转换把芯片转换成一个标准RS-232串口，也可以直接将该口连接到单片机UART口上（2）RS-232串行

49、接口电路RS-232标准是是美国电子工业协会EIA(Electroni Industrie Association)与BELL公司一起开发的通信协议，它适合于数据传输率在020kbps范围内的通信。是目前PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，也被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出的正电平在+5+15v之间，负电平在-5-15V之间。当无数据传输时，线上为TLL电平，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TLL电平。接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送

50、电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。在本文的设计中采用RS-232串行接口进行数据传输。其电路图如下图3.6所示。AVR单片机具有全双工的串行通讯接口，通过它与PC机实现数据通信。本设计采用MAX232芯片实现RS-232电平与TTL电平之间的转换。RS-232串行通讯接口电路如图3.6所示 图3.6 RS-232串行通讯接口电路MAX232是MAXIM公司生产的一种RS-2

51、32接口芯片，使用单一电源电压供电，电源电压在3.0V5.5V范围内都可以正常工作，其额定电流为300uA。只需外接四个0.1uF的电容，保证数据传输速率在120kbps下保持RS-232输出电平。可以很方便地完成TLL电平与RS232电平之间的转换。MAX232内部有一对调整充电泵，由增压充电泵产生+5.5V、反向充电泵产生-5.5V的输出电压。由于电源电压可在3.0V5.5V之间变化，充电泵以间断方式工作，如输出电压低于5.5V，则充电泵工作，如输出电压超过5.5V，则充电泵停止工作。每个充电泵需要一个浮动电容(C11，C12)和一个储存电容(C14，C15)来产生V+、V-电源。其中图中

52、的TxD0和RxD0与单片机串行发送口和串行接收口相连，RS TXD0和RS RXD0通过连接器CNl连到PC机COM口的RXD和TXD端。3.2.3 电源及稳压电路电源转换：由于系统设计中AVR工作所需要的电压为5V，而射频芯片工作所需要的电压为3.3V，这就要求对电源进行5V-3.3V的转换，在这里选用的芯片为ASlll7-3.3，电压转换电路图如下：当接通电源把5V电压从1脚输入时，发光二级管D6开始发光，而从3脚输出的电压即为射频芯片工作时所需要的3.3V电压。电压转换电路如图3.7所示图3.7 电压转换电路半导体器件ASlll7是一个低功耗正电压管理芯片，它的输出电流为800mA9。

53、这个器件在电池电源使用中是一个非常好的选择，可以作为SCSI总线和笔记本的主要终端，ASlll7可以转换输出的分别为2.85V、3V、3.3V和5V，本设计中主要用它输出3.3V电压供给射频芯片TRl000工作。3.2.4 指示装置电路单片机应用系统通常采用发光二极管和蜂鸣器来指示系统的状态，它们的驱动电路比较简单、易于实现且价格低廉。本系统设有3个状态分为指示发光二极管和1个蜂鸣器。3个状态指示中发光二极管包括1个电源指示和2个通信指示。电源指示发光二极管在接通电源的时候常亮，断开电源熄灭；通信指示发光二极管在通信接口收、发数据时亮，平时处于熄灭状态：蜂鸣器用来报告程序运行时的意外状况，此外

54、也可通过软件设定在读写数据程序使其发出声响。目前已经能够实现了让蜂鸣器发出连续声响或者长时间间歇声响的方法。它的鸣响时间可以通过BUZ端口的低电平时间加以控制。蜂鸣器电路如图3.8所示 图3.8 蜂鸣器电路当BUZ端口处于低电平时，三极管导通，这时电压加在蜂鸣器上，即发出响声。对于二极管状态指示电路当电阻左端处于低电平时，不同的发光二极管导通，显示出通讯接口处在数据的接收或发送状态中。如D4发光则表示读写器处于数据发送状态，如D5发光则表示读写器处于数据接收状态。二极管状态指示电路如下图3.9所示 图3.9 二极管指示电路3.3 射频收发电路设计RFID读卡器射频电路部分开发通常采用芯片厂商提

55、供的RFID专用读写芯片，这些专用芯片内嵌了对应频段的RFID通信协议。如13.56MHZ频段下的TI公司推出的RI-R6C-001A和菲利浦公司推出的MF RC500等10。但超高频频段目前没有芯片供应商推出专用的RFID射频读写芯片。这就给读写器的开发带来了一定的难度，也提高了开发的成本。超高频频段射频读写模块的开发一般可以采用两种方案：一是采用搭建射频电路实现的方法。用搭建的硬件电路实现射频信号的调制发送与解调接收。二是采用通用无线射频模块来完成射频信号的调制解调。本文主要采用第二种设计方法来实现射频信号的调制解调工作。本文所设计的射频收发模块主要包括两部分： OOK射频发射电路：ISO

56、IECl8000-6Type B协议规定由读卡器到射频卡端的射频调制方式为调制深度为99的ASK调制，也就是可以近似看作为OOK调制。本文设计了以TRl000为核心芯片的OOK射频发射电路。为了提高系统的输出功率，以达到更远的读写距离，系统还设计了以RF2132为核心芯片的功率放大电路。 ASK射频接收电路：ISO/IECl8000-6Type B协议规定由射频卡到读卡器端的射频调制方式为反向散射调制。其调制方式与ASK调制类似，所以在解调端可以按照ASK方式解调。本文设计了以TRl000为核心芯片的ASK射频接收电路。3.3.1 射频收发模块芯片本设计中射频收发模块的核心芯片采用RFM公司的

57、TR1000芯片。TRl000是一个单片OOK/ASK通用无线射频收发器芯片，适合高稳定、小尺寸、低功率、低价格的短距离无线数据通信和无线控制应用。TRl000芯片具有以下主要特点：射频调制解调可采用OOK和ASK两种方式。同时具有调制发送和接收解调两种功能。中心工作频率为915MHz。工作电源电压为3.3V。提供最高可达115.2kbps的基带速率。接受灵敏度为-95dBm。工作温度范围为-50至+100C。可见在调制解调方式、中心工作频率和基带速率等方面来讲，TRl000符合ISO/IEC180006 TypeB协议的要求。表将TR1000各引脚功能介绍如下 表3.1：TR1000引脚功能

58、引脚功能1GND1 ，RFGND2VCC1，发射机输出放大器和接收机基带电路电源3AGCCAP，这个引脚控制AGC复位4PKDET，峰值检波器电容5BBOUT，基带输出6CMPIN，内部数据限制器输出7RXDATA，接收芯片数据输出8TXMOD，发射机调制输出9LPFADJ，接收器低通滤波器带宽调节10GND2，芯片地11RREF，外界基准电阻12THLD2，数据限制器2阀值调节13THLD1，数据限制器2阀值调节14PRATE，脉冲上下沿设置15PWIDTH，脉冲带宽设置16VCC2，接收器RF部分与发射机振荡器电源17CNTRL1，接受/发射/睡眠模式控制18CNTRL0，接受/发射/睡眠

59、模式控制19GND3，芯片地20RFIO，RF输入输出本系统以TRl000为主要模块设计射频收发模块，可分为射频发射模块和射频接收模块两部分。3.3.2 射频发射模块设计（1）OOK射频发射器电路按照ISO/IECl8000-6Type B协议要求，射频信号发射调制采用OOK调制方式，这就要求将TRl000设置为OOK发射状态，即将SECTRLl管脚设为“1”，SECTRL0管脚设为“1”。若两管脚都设置为低电平则芯片处于休眠状态。其中管脚TXMOD为基带数据调制输入管脚，接收微控制器发出的基带数据信息。管脚TXMOD接有一个串联电阻R6，可调整电阻值对输出功率进行微调。下图为OOK射频发射电

60、路原理图：图3.10 OOK射频发射电路（2）功率放大电路由于TRl000是一款低功率、短距离无线射频通信芯片，其输出功率有限，读写器的读写距离和读卡器发射功率成正比，也就是说若想提高读卡器的读写距离最有效的方法就是提高读卡器的输出功率，是对发射电路的功率放大。基于以上原因，本文以RF Micro Device公司的RF2132为核心芯片设计了功率放大电路。RF2132是一种高功率、高效率的功率放大器，放大信号频率范围为800MHz到950MHz，最大可提供29dB的功率增益。 功率放大电路如图所示 图3.11 功率放大电路3.3.3 射频接收模块设计ISO/IECl8000-6Type B协

61、议规定，应答射频信号采用反向散射调制技术。由前述内容可知反向散射调制波形与ASK调制波形类似，这就要求将TRl000设置为ASK发射状态，即将SECTRLl管脚设为“1”，SECTRL0管脚设为“l”。若两管脚都设置为低电平则芯片处于休眠状态。其中管脚RXDATA为基带数据输出管脚，将解调出的基带信息发送给微控器进行处理。 下图为ASK射频接收电路原理图图3.12 ASK射频接收电路 引脚2中，通过RF铁氧体磁芯L3与电源相连，电源端接一个旁路电容C16，起到保护电源的作用。电容C2和C17使用误差在10范围内的陶瓷电容，连接引脚5和6的电容C19是一个耦合电容，当一个外部处理用于AGC时，B

62、BOUT必须用串联电容与外部数据恢复处理器和CMPIN相耦合。RXDATA可驱动一个10pF电容和一个500K电阻的并联负载，此管脚峰值电流随接收机低通滤波器截止频率增加而增加。在睡眠和发送模式，管脚成高阻态，此管脚在高阻态时，可用一个1000K的上拉电阻或者下拉电阻确定逻辑电平。引脚LPFADJ用接地电阻调节接收机低通滤波器带宽，引脚11RREF与地间接一个阻值为100K的基准电阻，误差范围为1，如果THLDl和THLD2通过一个阻值小于1.5K的电阻与RREF相连，此节点的电容加上RREF节点电容不应大于5pF。引脚PRATE电阻接地，tPR1能用51K2000K的电阻设置在0.15us的范围。R14阻值的大小R14=404tPR1+10.5，误差范围为5，有利于以高数据速率工作。引脚15 PWIDTH，此引脚设置RFAl的接通脉冲宽度tPW1，由一个接地电阻Rpw实现。TPW1能用一个电阻范围为200K390K的电阻在0.55lus的范围调节。3.3.4 系统天线设计(1)系统天线收发原理