摘 要：為了掌握RFID技術(shù)并應用，介紹一個基于U2270B的125 kHz的射頻卡讀寫器。它主要用軟件實現(xiàn)射頻信號的調(diào)制和解調(diào)，進而實現(xiàn)了對Temic卡讀和寫操作，且利用CH375芯片實現(xiàn)系統(tǒng)的USB通信及數(shù)據(jù)傳輸，及利用SD卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫存儲，利用SD卡橋接芯片W86L388D實現(xiàn)簡單的SD卡SD模式通信操作。該讀卡器在解決實際問題時取得了很好的效果，相時于傳統(tǒng)條形碼識別有巨大優(yōu)勢，且引入USB和SD技術(shù)。
關(guān)鍵詞：RFID；USB；SD；U2270B；CH375；W86L388D；Temic；EM4100

O 引 言
    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感應、電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的一種自動識別技術(shù)。射頻識別卡最大的優(yōu)點就在于非接觸，因此完成識別工作時無須人工干預，適于實現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便。目前，射頻識別技術(shù)己經(jīng)廣泛使用，準備接替目前許多人工完成的工作程序。
    RFID技術(shù)是一個嶄新的技術(shù)應用領(lǐng)域，它不僅涵蓋了射頻技術(shù)，還包含了射頻技術(shù)、密碼學、通信原理和半導體集成電路技術(shù)，是一個多學科綜合的新興學科。因此，對RFID技術(shù)的認識和研究具有深遠的理論意義。隨著21世紀數(shù)字化時代的到來，基于遠程信息化網(wǎng)絡管理技術(shù)和移動商務的社會需求，RFID技術(shù)智能管理系統(tǒng)將在各個領(lǐng)域中發(fā)揮巨大的作用。RFID技術(shù)正在成為一個新的經(jīng)濟增長點，在全球范圍內(nèi)蔓延開來，研究開發(fā)RFID技術(shù)有著巨大的經(jīng)濟效益和社會意義。
    一個典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標簽、讀寫器以及計算機系統(tǒng)等部分組成。其中RFID標簽中一般保存有約定格式的編碼數(shù)據(jù)，用以惟一標識標簽所附著的物體。與傳統(tǒng)的識別方式相比，RFID技術(shù)無需直接接觸、無需光學可視、無需人工干預即可完成信息輸入和處理，且操作方便快捷。能夠廣泛應用于生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設備和資產(chǎn)管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的應用領(lǐng)域，并且認為是條形碼標簽的未來代替品。RFID系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

    讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號：當RFID標簽進入讀寫器工作場時，其天線產(chǎn)生感應電流，從而RFID標簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)出自身編碼等信息；讀寫器接收到來自標簽的載波信號，對接收的信號進行解調(diào)和解碼后送至計算機主機進行處理；計算機系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號；RFID標簽的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯，控制邏輯接收指令完成存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)或其他操作。
    RFID針對常用的接觸式識別系統(tǒng)的缺點加以改良，采用射頻信號以無線方式傳送數(shù)據(jù)資料，因此識別卡不必與讀卡機接觸就能讀寫數(shù)據(jù)資料。

1 系統(tǒng)總體簡介
    本系統(tǒng)以AT89252單片機為控制核心，利用RFID讀寫基站U2270B對Temic公司的射頻卡(本系統(tǒng)使用EM4100卡)進行數(shù)據(jù)的讀寫。在通信方面使用USB高速通信接口，采用南京沁恒公司的USB主控芯片CH375。數(shù)據(jù)庫的存儲管理利用SD卡。系統(tǒng)總體框如圖2所示。

2 RFID讀寫模塊
    U2270B的載波頻率為100～150 kHz，其調(diào)制方式為曼徹斯特碼和雙相位碼。U2270B的電源供給可為5 V的穩(wěn)壓電源或者是12 V的汽車蓄電池。它可以為RF場提供能量，其中在短距離運用時，外圍驅(qū)動電路簡單。U2270B還具有信號微調(diào)能力，而且其讀寫距離可達7～10 cm。U2270B還具有電壓輸出功能可以給微處理器或其他外圍電路供電。
    U2270B具有省電模式和STANDBY控制可選，所以設計基站電路時可以按照功能的不同要求，設計基站的外圍電路。具體電路圖如圖3所示。

    本系統(tǒng)采用9 V電池供電，并通過STANDBY端進行省電模式的控制。同時通過橋式二極管來增強讀寫距離。
    通過調(diào)整Rf引腳所接電阻的大小，可以將內(nèi)部振蕩頻率固定在150 kHz，然后通過天線驅(qū)動器的放大作用，在天線附近形成150 kHz的射頻場，當射頻卡進入該射頻場內(nèi)時，由于電磁感應的作用，在射頻卡的天線端會產(chǎn)生感應電勢，該感應電勢也是射頻卡的能量來源。
    數(shù)據(jù)寫入射頻卡采用場間隙方式，即由數(shù)據(jù)的“O”和“1”控制振蕩器的啟振和停振，并由天線產(chǎn)生帶有窄間歇的射頻場，不同的場寬度分別代表數(shù)據(jù)“O”和“1”，這樣完成將基站發(fā)射的數(shù)據(jù)寫入射頻卡的過程，對場的控制可通過控制芯片的第6腳(CFE端)來實現(xiàn)。
    由射頻卡返回的數(shù)據(jù)流可采用對射頻卡天線的負載調(diào)制方式來實現(xiàn)。射頻卡的負載調(diào)制會在基站天線上產(chǎn)生微弱的調(diào)幅，這樣，通過二極管對基站天線電壓的解調(diào)即可回收射頻卡調(diào)制數(shù)據(jù)流。應當說明，與U2270B配套的射頻卡返回的數(shù)據(jù)流采用的是曼徹斯特編碼形式。由于U2270B不能完成曼徹斯特編碼的解調(diào)，因此解調(diào)工作必須由微處理器來完成，這也是U2270B的不足之處。

3 射頻卡模塊
    射頻卡選用的EM4100卡是由瑞士微電生產(chǎn)的一款用于只讀射頻卡信息傳輸?shù)募尚酒?。射頻卡由IC芯片、感應線圈組成，COIL1與COIL2為感應線圈接口。全波整流電路、Csup可以將線圈感應產(chǎn)生的能量保存供給芯片作為工作電源；時鐘選取電路將篩選頻率125 kHz的載波作為時序發(fā)生電路的基準時鐘源；內(nèi)存中64位數(shù)據(jù)依次串行輸出，通過編碼模塊輸出曼徹斯特碼；最后信號通過調(diào)制電路再由感應線圈發(fā)射出去。圖4為EM4001芯片內(nèi)部功能圖。

    EM4100全部的數(shù)據(jù)位為64位，它包含9個開始位(其值均為‘1’)、40個數(shù)據(jù)位(8個廠商信息位+32個數(shù)據(jù)位)、14個行列奇校驗位(10個行校驗+4個列校驗)和1個結(jié)束停止位。EM4100在向讀卡機或PC機傳送信息時，首先傳送9個開始位，接著傳送8個廠商信息或版本代碼，然后再傳送32個數(shù)據(jù)位。其中15個校驗以及結(jié)束位用于跟蹤包含廠商信息在內(nèi)的40位數(shù)據(jù)。當EM4001上電初始化后，便依次將這64位數(shù)據(jù)反復輸出，直到卡片離開基站讀寫器失電為止。圖5為EM4100芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)信息采用曼徹斯特編碼，然后調(diào)制到載波上，影響感應線圈工作。數(shù)據(jù)“O”對應著電平下跳，數(shù)據(jù)“1”對應著電平上跳。

5 SD卡控制模塊
    SD卡有兩種總線協(xié)議，SD協(xié)議和SPI協(xié)議?，F(xiàn)在絕大部分微控制器都集成SPI接口，所以利用這種方式與SD卡通信相對簡單方便，但SPI協(xié)議在數(shù)據(jù)交換時只允許1位數(shù)據(jù)串行傳輸，所以速度受到限制。在SD協(xié)議下，允許強大的1線到4線數(shù)據(jù)傳輸，這樣就提高了傳輸速度。但SD總線時序要求嚴格，如果用軟件模擬不僅復雜繁瑣，而且可靠性也不高，W86L388D支持SD方式的4線數(shù)據(jù)傳輸，并且根據(jù)所收到的命令能自動產(chǎn)生相應的SD時序，從而方便用戶的使用，提高了系統(tǒng)的性能。
    W86L388D為臺灣華邦公司的SD卡橋接芯片。W86L388D有8位數(shù)據(jù)與16位數(shù)據(jù)寬度可以選擇，并且有專門的端口進行SD卡的檢測與讀寫保護。W86L388D的工作電壓為3．3 V，所以在與89S52單片機進行通信的時候必須經(jīng)過一個470Ω的電阻進行分壓處理。W86L388D的電路圖如圖7所示。

6 結(jié) 語
    射頻識別技術(shù)最大的優(yōu)點就在于非接觸，因此完成識別工作時無須人工干預，適于實現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便。所以，目前已經(jīng)廣泛使用，準備接替許多人工完成的工作程序。
    讀卡器的設計主要用軟件來實現(xiàn)射頻信號的調(diào)制和解調(diào)，以實現(xiàn)對Teinic卡片的讀和寫操作。利用CH375芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的uSB通信及數(shù)據(jù)的傳輸，利用SD卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫的存儲，同時利用SD卡橋接芯片W86L388D來實現(xiàn)簡單便捷的SD卡SD模式的通信操作。