基于rfid读写器接收射频电路设计

基于rfid读写器接收射频电路设计内容摘要：

照读写器和标签的合距离将射频识别系统分为密耦合、遥耦合和远耦合三种。 这三种分类的标准如下： 密耦合： 典型工作 距离处于 0～ lcm之间。 遥耦合： 典型工作 距离处于 I～ 100cm之间。 远距离： 典型工 作 距离在 lm以上。 三、按标签供电方式分 RFID 标签依据发送射频信号的方式不同，分为有源标签 (Active Tag)和无源标签 (Passive Tag)两种。 有源标签由内置电池供电 ，其工作时有的主动向读**大学本科 毕业设计（论文） 8 写器发送射频信号以建立通信，有的内置电池仅为控制器供电，射频信号的能量还是由读写器 产生的电磁波 提供 ；无源标签不带电池，在接收到 读写器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量，供 其发射电 路及内部处理模块。 无源标签表 是两种标签特性的比较。 表 有源标签和无源标签的比较 无源 有源 能量来源 从读写器获取 自带电池 工作距离 较近 远 价格 低 高 使用寿命 长 通常 14 年 存储容量 较小 较大 第四节 RFID 标准概述 标准是 RFID 技术 的重要环节，而 RFID 的标准众多，且与行业应用关系密切，如非接触式 IC 卡标准（ ISO/IEC14443， ISO/IEC15693）、动物识别标准（ ISO/IEC11784 ， ISO/IEC14223 ）、 集装 箱识别 标准 （ ISO/IEC10374 ，ISO/IEC18185）、集装箱识别标准（ ISO/IEC18000， ISO/IEC18001）。 本节将简要介绍非接触式 IC 卡标准 ISO/IEC14443 主要内容。 ISO/IEC14443 是近耦合非接触式 IC 卡的国际标准，可用于身份证和各种智能卡、存储卡。 ISO/IEC14443标准由四部份组成，即 ISO/IEC144431/2/3/4。 ① ISO/IEC144431 物理特性 第一部分物理特性规定了非接触式 IC 卡的机械特性。 如其尺寸应满足ISO7810 中的规范。 此外还规定了对弯曲和扭曲实验的附加说明等。 ② ISO/IEC144432 射频能量和信号接口 第二部分规定了射频能量和 信号接口：读写器应产生耦合到应答器的射频电磁场已传输能量和调制信号；射频频率为 177。 7KHz；读写器产生的非调制磁场强度有效值为 ～ ；信号接口分成 A 和 B 两种类型。 以及他们的比特率、调制方式等。 ③ ISO/IEC144433 初始化和反碰撞 第三部分初始化和反碰撞主要内容有，轮询进入读写器区域的应答器。 阅**大学本科 毕业设计（论文） 9 读器和应答器通信的字格式、帧、和时序。 初始化请求和应答命令内容。 碰撞检测和反碰撞的实现。 以及初始化通信需要的其他参数。 ④ ISO/IEC144434 传输协议 第四部分 传输协议主要描述满足非接触环境的半双工传输协议和定义激活、去激活序列；这部分结合协议的其他部分并适用于 A 和 B 两种类型的近耦合卡。 第 五 节 常见标签天线比较 常见的 RFID 标签天线有线圈天线、微带贴片天线和偶极子天线三种基本形式。 中低频段的标签天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，其作用距离较近，一般小于 1 米。 而远距离应用系统就需要采用微带贴片天线或偶极子天线，它们适用于甚高频及微波频段。 下面就简述他们各自的特点。 一、线圈天线 线圈天线本质上是耦合电感，读写器和标签之间的耦合关系可用电感耦合模型分 析，如下图所示 L 1 L 2DC 1 C 2 C 3R 1R LA CM1i 2v 图 天线耦合示意图 L1 为读写器线圈电感， L2 为标签天线电感， M 为阅读器线圈和标签天线间的互感。 标签线圈上的电压 dtdiMv 12  2/322 2210 )(2 ra SaNNuM  其中： 1i 为阅读器线圈电流， 1N 为阅读器线圈匝数， 2N 为标签线圈匝数，a 为阅读器线圈半径， S 为标签线圈面积， r 为阅读器线圈和标签线圈间距离。 可见要使作用距离变远，需增大互感。 二、偶极子天线 在远距离耦合的射频识别系统中最常见的是偶极子天线（或称对称振子天**大学本科 毕业设计（论文） 10 线）。 典型的偶极子天线由两端相同的的直导线组成。 信号从中间馈点进入，在偶极子的两臂上就产生特定的电流分布，从而在周围空间激发电磁场。 偶极子天线具有辐射能力较强、成本低和制造简单等优点。 其类型可分为直线行和变形偶极 子。 三、微带天线 常用的微带天线是在薄介质基片上的一面附上金属薄层作为接地板，另一面做出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针进行馈电。 当金属贴片是一面积单元时，它被称作微带天线；若贴片是一细长条，则又称作微带振子天线；若把接地板刻出窗口，而另一面印出微带线对缝隙馈电，则又称作微带缝隙天线。 与普通微波天线相比，微带天线的优点有：剖面薄、体积小、重量轻，具有平面结构；馈电网络可以和天线一起制造，成本低，适合批量生产；比较容易制成双频工作的天线。 但他也有一些缺点：带宽小，不宜做成宽频带天线；有介质损耗和导 体损耗，增益不高；多数微带天线只向半空间辐射； 第 六 节 本章小结 本章首先简要介绍了 RFID 系统的发展趋势。 然后 RFID 系统的组成，并介绍了标签、读写器、高层的作用。 在此基础上，介绍了 RFID 系统的几种常见分类，并简要对比了各类 RFID 系统的特点。 简述了众多 RFID 标准的ISO/IEC14443 协议。 最后参考相应文献资料，简要叙述了常用的线圈天线、微带贴片天线和偶极子天线各自的特点。 **大学本科 毕业设计（论文） 11 第二章 RFID 读写器硬件电路设计 第一节 总体方案设计 读写器是 对标签进行 读取或写入 的 设备。 读写器可以是 单独的整体，也可以作为部件的 以模块的形式 嵌入到其他系统中去。 对于独立的应用，可以 仅由读写器 完成应用的需求，如公交车上的 读写器。 但是对于多 读写器 构成的网络架构的信息系统，高层是必不可少的。 高层将各个 读写器 连接起来，并配合相应的应用软件和数据库等，构成复杂而强大的应用系统。 因此，通用的 读写器应包含与高层通信的功能。 故通用 读写器 应 有读写、显示、数据处理等功能，也可以与计算机或其他系统进行联合，完成对射频标签的操作。 而 读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段，同时，读写器的频段 和 功率直接影响了识别的距离。 由前一章 可知，目前技术较成熟、成本也较低廉、应用较广泛的是 13MHz的 RFID 系统。 故本设计选择频率为 13MHz 的无源 RFID 系统。 系统结构图如图 所示。 主 控 制 器P CT F T 液 晶按 键射 频 模 块 匹 配 电 路 天 线电 源 图 系统硬件架构图 各部分的主要功能如下。 主控制 器 ： 与射频模块通信，以 识别应答器的 ID 号。 控制与应答器的通信， 射频 信号的编码与解码。 执行 用户 输入的命令；控制 TFT 液晶 显示界面，完成人际交互。 执行防冲突算法， 当多个标签进入射频场时只操作一个标签。 对应答器与读写器之间要传送的数据进行加密和解密 ， 保障数据安全。 控制射**大学本科 毕业设计（论文） 12 频模块 进行应答器与读写器之间双向的身份验证。 与 PC（高层）建立通信，以实现更复杂的系统功能。 射频模块：产生射频信号，为应答器提供能量并激活应答器 ；对需发送的数据进行编码并 对发射信号进行调制，将数据 信息 传送给应答器 ； 接收并解调 和解码 来自应答器返回的射频信号 ；通过相应接口与主控制器通信。 而为了发送、接收稳定的高频信号，射频读写芯片要通过高频滤波电路 和天线匹配电路 与天线部分连接。 匹配电路：对天线和射频模块进行阻抗匹配，确保天线能获取最大的能量。 这是读写模块实现射频通信必不可少的一部分。 读写模块要依靠天线产生的磁通量为 RFID 卡提供电源、在读写模块与 RFID 卡之间传送信息。 为使天线正常工作，天线线圈要通过无源的匹配电路连接射频读写芯片的天线引脚。 电源：为各个模块供电。 第 二 节 射频读写模块 本设计选用 NXP（ philips）的 13MHz 射频读写芯片 MFRC522，其简单框图如图所示。 图 MRFC522 框图 参考 MFRC522 数据手册，其主要特性包括： 高度集成的模拟调制解调电路； 带缓冲的输出驱动， 采用少量外部元件，即可将输出驱动级接天线； 支持 ISO 14443 TypeA 和 Mifare174。 通信协议 ； CRC 协处理器，其 16 位长的 CRC 计算多项式固定为： x16+x12+x5+1，符合 ISO14443 和 CCITT 协议； 在读写模式中， 支持 MIFARE Classic 加密； **大学本科 毕业设计（论文） 13 支持 Mifare 信号输入输出； ～。 支持 ISO 14443 212kbit/s 和 424kbit/s 的更高传输速率的通信； 支持防碰撞操作； 灵活的数字接口。 支持 3 种与主机通讯接口： － 最高 10Mbit/s 的 SPI 接口 －速率为 400kbit/s 的 I2C 接口，高速模式的速率为 3400kbit/s －传输速率高达 ，帧取决于 RS232 接口，电压电平取决于提供的管脚电压 64 字节的发送和接收 FIFO 缓冲区； 灵活的中断 模式：发送结束中断、接收接收中断、命令执行完毕中断等； 低功耗的硬件复位； 可编程定时器； 内部振荡器，连接 的外部晶体振荡器； 具备硬件掉电、软件掉电和发送器掉电 3 种节电模式； 内部自测电路； 采用 相互独立的多组电源供电，以避免模块间相互干扰，提高工作的稳定性。 作为阅读器， MFRC522 在向卡片发送数据时，采用调制指数为 100%的幅度调制方式，基带信号采用弥勒码。 卡片返回的数据采用曼彻斯特编码。 通信信息速率在 106kbit/s 至 848kbit/s 之间可选。 MFRC522 与符合 ISO14443A 协议的卡片通信模式如图 所示 M F R C 5 2 2I S O 1 4 4 4 3 A 卡1 0 0 % A S K 米 勒 编 码副 载 波 调 制 曼 彻 斯 特 编 码码 率 1 0 6 至 8 4 8 k b i t / s 图 MFRC522 与符合 ISO14443A 协议的卡片通信模式图 MFRC522 引脚图如图 所示，引脚描述见表。 **大学本科 毕业设计（论文） 14 图 MFRC522 引脚图 表 MFRC522 引脚描述 引脚名 引脚序号 类型 描述 II2C 1 I II2C 使能端 PVDD 2 PWR 电源 DVDD 3 PWR 数字电源 DVSS 4 PWR 数字电源地 PVSS 5 PWR 接地端 NRSTPD 6 I 当低电平时，输入隔离，振荡器停振 MFIN 7 I 调制信号输入 MFOUT 8 O 调制信号输出 SVDD 9 PWR 调制信号电源 TVSS 10,14 P 发射电源地 **大学本科 毕业设计（论文） 15 WR TX1 11 O 信号发射引脚 TVDD 12 PWR 信号发射电源 TX2 13 O 信号发射引脚 TVSS 10,14 PWR 发射信号地 AVDD 15 PWR 模拟供电 VMID 16 PWR 内部参考电压 RX 17 I 射频输入 AVSS 18 PWR 模拟地 AUX1 19 O 辅助输出，测试用 AUX2 20 O OSCIN 21 I 振荡器输入 OSCOUT 22 O 振荡器输出 IRQ 23 O 中断信号输出 SDA 24 I 串行数据线 D1 D7 25 31 I/O 数据口 EA 32 I IIC 地址 MFRC522 有灵活的数字接口， 支持 UART、 SPI 和 IIC 三 种与主机通讯接口。 MFRC522 与主机接口描述见下表。 表 MFRC522 与主机接口描述 MFRC522 引脚 串行接口方式 UART SPI IIC SDA RX NSS SDA IIC 0 0 1 EA 0 1 EA D7 TX MISO SCL **大学本科 毕业设计（论文） 16 D6 MX MOSI ADR_0 D5 DTRQ SCK ADR_1 D4 —— —— ADR_2 D3 —— —— ADR_3 D2 —— —— ADR_4 D1 —— —— ADR_5 引脚行为。