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1、基于Intel R1000的超高频RFID读写器设计时间：2009-05-22 09:37:12 来源：现代电子技术 作者：黄志敏，李 鹏，高 远，沈少武，徐斌富 武汉大学摘 要：设计并提出一种超高频射频识别系统读写器设计的新方案。该读写器采用Intel R1000收发器芯片、w78E365微控器，符合Is0 180006c和EPC global Gen 2标准，工作频率为860960 MHz，读写距离在210 m之间。同时给出读写器硬件系统的组成和软件工作流程，并针对同时读取多张卡的情况进行分析，实现了防冲突算法。该读写器支持SSB一ASK和DSB-ASK双重调制方式，可根据需要改变使用天线
2、的单、双模式。关键词：IS0 18000-6C；EPC global Gen 2；射频识别；R10000 引 言 RFID技术是一种非接触的自动识别技术，通过无线射频的方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。RFID系统通常主要由电子标签、读写器、天线3部分组成。读写器对电子标签进行操作，并将所获得的电子标签信息反馈给PC机。射频识别技术以其独特的优势，逐渐被广泛应用于生产、物流、交通运输、防伪、跟踪及军事等方面。按工作频段不同，RFID系统可以分为低频、高频、超高频和微波等几类。目前，大多数RFID系统为低频和高频系统，但超高频频段的RFID系统具有操作距离远，通信速度快，
3、成本低，尺寸小等优点，更适合未来物流、供应链领域的应用。尽管目前，RFID超高频技术的发展已比较成熟，也已经有了一些标准，标签的价格也有所下降；但RFID超高频读写器却有变得更大，更复杂和更昂贵的趋势，其消耗能量将更多，制造元件达数百个之多。然而，这里的设计采用高度集成的R1000，可以解决上述问题，既可降低芯片设计中的复杂性和生产成本，又能使制造商制造出体积更小，更有创新性的读写器，从而开拓新的RFID应用领域。l 读写器硬件结构设计 该设计选用W78E465作为主控模块，IntelR1000收发器作为射频模块。该设计可以作为手持终端，并用RS 232串行通信模块和电平转换接口MAX232与
4、上位机相连。系统硬件原理见图1。11 主控模块 W78E365是具有带ISP功能的FLASH EPROM的低功耗8位微控制器，可用于固件升级。它的指令集与标准8052指令集完全兼容。W78E365包含64 KB的主ROM，4 KB的辅助FLASH EPROM，256 B片内RAM；4个8位双向、可位寻址的I0口；一个附加的4位IO口P4；3个16位定时计数器及1个串行口。这些外围设备都由有9个中断源和4级中断能力的中断系统支持。为了方便用户进行编程和验证，W78E365内含的ROM允许电编程和电读写。一旦代码确定后，用户就可以对代码进行保护。 W78E365内部ROM仅64 KB，内存太小，故
5、采用AT29C256作为外扩ROM。线路连接见图2。12 收发模块 射频模块采用Intel R1000收发器。R1000内包含了一个能源扩大器，使得它可以在近距离或者2 m内对标签进行编码和阅读，而具体距离由读写器所使用的天线决定。有了额外的外部能源扩大器，使用R1000读写器的读写范围可以达到10 m。R1000必须与单独的微处理器连接，这个微处理器可以把由R1000数字信息处理器产生的原始数据转换成EPc或者18000-6c格式的代码，其工作频率为860960 MHz，共有56个引脚，采用018mSiGe BiCMOs先进工艺，体积仅为8 mm8 mm，功耗只有15 w左右，具有很高的集成
6、度。 R1000与W78E365的连接见图3。射频信号经天线进入电桥，输出信号被分为两路，一路信号经过带通滤波器和不平衡到平衡的转换进入R1000的射频输入口。另一路信号经不平衡到平衡的转换进人R1000的本振输入口。这两路信号在R1000内部经过解调和模数转换等一系列操作后，将所得的数字信息送给W78E365。W78E365对收到的信号经解码和校验，将所得信息送往上位机，并将其对R1000的命令编码和加密后发送给R1000。这些命令在R1000内部经过调制和PA，再经过平衡到不平衡的转换和滤波，由天线发射出去。数字模块中的时钟驱动来自于外部TCXO产生的24 MHz参考频率。系统中通过-DA
7、CS的信号频率为24 MHz；通过-ADCS的信号频率为48 MHz。 R1000内部集成了接收器和发射器。实质上，接收器是一个零中频接收机。下变频后，直流的大部分被复位，由交流耦合电容器滤除。模拟中频滤波器提供粗略的频道选择。它具有可编程带宽满足大范围的数字通过率。该滤波器可以配置成两个实际的低通滤波器，也可以配置成复杂的单相带通滤波器。经滤波后，I，Q信号被数模转换器转换成数字信号。滤波器中自动中频增益的升高会降低模数转换器的动态范围。 R1000中，发射器支持同相正交矢量调制和极化调制。前者，用于SSB-ASK调制和反相幅移键控调制；后者，用于DSB-ASK。在这两种调制方式下，数字模块
8、产生的信号，经过一数模转换器和重建滤波器转换成模拟信号。 在SSB-ASK调制方式下，基带编码信号经希尔伯特滤波器产生复合的同相信号I和正交信号Q，经-数模转换器将I，Q数字信号转换成模拟信号，进入模拟模块，该模拟信号经天线发射出去。在PR-ASK调制方式下，用混频器将信号反相弥补AM部分的时延，反相时延控制有一个可编程时延，使极化调制的相位与幅度之问的时间错误趋于最小值。在DSB-ASK调制方式下，基带编码和脉冲信号同样也经过希尔伯特滤波器产生一个复合的I，Q信号。所不同的是脉冲成型信号预先进行了扭曲，这样可以补偿调幅传递函数中的非线性。这个经过预先扭曲的调幅控制信号经过-数模转换器转换成模
9、拟信号，最后通过天线发射出去。 基于功率要求和调制方式的不同，R1000有全功率非线性，低功率非线性和线性3种发射模式。在DSB-ASK调制模式下。R1000采用全功率非线性发射模式。为了发射R1000允许的天线上最大发射功率值为+30 dBm，需在R1000外部接1个PA。采用classC极化调制能够提高系统的功率效率。在这种发射方式下，只有在DSBASK调制方式才有效。低功率非线性发射模式与全功率非线性发射模式相似，只是外部不再需要PA。相反，只使用内部较低的输出功率，在这种发射方式下只有DSBASK调制方式有效。在线性发射模式下，R1000的PAout信号与外部线性PA相连，这是因为SS
10、BASK调制方式要求1个线性的PA。需要指出的是在R1000外部接1个PA时，会增加系统的复杂度，但同时放大了传输信号的功率，使信号传输距离更远，提高了读写器的读写距离。13 天线 对Intel R1000超高频收发器，基于不同的天线子系统，天线有两种配置情况。第一种情况是单天线模式。在这种情况下，用一个回路来隔离发射路径和接收路径，每根天线都具备接收器和发射器的功能。第二种情况是双天线模式。同样用分离的天线将接收器和发射器连接起来，通常情况下，两根独立的天线由一个开关控制，每根天线仅具备接收器功能或发射器功能。 对单天线模式，因天线的反射系数并不理想，所以接收增益不能太大，会有饱和的问题。以
11、R1000的高接收灵敏度，可以搭配-10 dB左右的Coupler，视整体线路的隔离而定；对于双天线模式，天线的收发隔离比较理想，接收路径可以使用高增益。 该设计采用双天线模式，用矩形微带天线和同轴电缆构成读写器的天线。该微带天线的基板材料采用介电常数比较高的陶瓷基片，厚0635 mm。天线宽为705 mm，长为52689 mm，微带线宽度为0598 mm，馈电点选取在天线宽边中心。经过ADS仿真，该天线中心频率为915 MHz。为减小天线反射系数，达到较理想的匹配，对天线串联一根长度为18471 mm，阻值为50的传输线，然后再并联一根长度为24678 mm，阻值为50的传输线。经ADS仿真
12、优化得知，在中心频率915 MHz处，天线最大辐射方向上的方向性系数为3535；效率为40087；增益为1417。2 系统软件设计21 主程序 若系统在PC机的监控下工作，则系统与PC机之间是主从通信模式。系统收到Pc机的命令便进入初始化状态，按照主控程序进行相应的工作。处理完毕后，将所得信息送往PC机。主程序流程见图4。22 软件设计 该设计采用曼彻斯特编码方式，用2位二进制数来表示一位二进制数据信息。编码波形的上升沿用01来表示，对应数据信息0；下降沿用10来表示，对应数据信息1。首先，对w78E365进行初始化，使计数器TO工作在16位定时器工作模式下；T1工作在计时器工作模式下，对T0
13、，T1赋初值，使： TLO1=(最大计时次数一要计数次数)256 THO1=(最大计时次数一要计数次数)256然后，设同步脉冲定时值为一位半码宽，将有效数据编码采用半位码宽定时。接着启动定时器T0，检测同步沿的到来。若检测不到同步沿的到来，则继续检测；若检测到同步沿的到来，则开始读端口状态，并启动计时器T1。当检测到下一跳变沿到来时，使计数器数目加1，且将对应端口数字1编码为10，对应端口数字0编码为01。之后进入下一轮循环，直至计数器数目达到码长为止。按照上面操作就可以实现对数据的编码。同理，在进行解码时只要按照相反的逆操作进行即可。 多字节CRC校验的方法一般是移位法。这种方法执行起来速度
14、较慢，但是其需要的空间小；另一种方法是查表法，即预先把多字节可能产生的余式计算出来组成一个余式表，直接查表而不进行二进制的除法。这是一种快速的方法，但是需要很大的空间。用标准CRC一16进行校验，则需要至少12 KB，对于MCU来说是很不利的，故选择前者。 该设计采用流密码加密算法，将明文M分割成字符串和比特串M=m0，m1，mj,，并逐位加密：EK(m)=Ek0(m0)，Ekl(m1)，Ekj(mj)，其中密钥流是K=k0，k1，kj。对明文加密就是将K和M对应的分量分别进行模2相加，得到密文序列C。在接收端，合法的接收者将密文序列C与上述密钥序列进行简单的模2相加，将原来的明文恢复出来。序
15、列密码使用一个比特流发生器，以产生随机二进制数字流，称为密码比特流。密码比特流直接作为密钥使用，而且其长度与明文报文的长度相等。考虑到比特流发生器不是真正随机的实际情况，流密钥生成器用线性反馈移位寄存器构造。23 防碰撞程序 该设计采用非基于位碰撞的二进制算法来实现防碰撞。防碰撞流程如图5所示。 具体流程如下： (1)发送Request命令给应答器； (2)发送Group-select命令和Ungroup-select命令给所有应答器，使所有或部分应答器参与冲突判断过程： 若有冲突，读写器发送Fail命令给选定应答器，直到没有冲突； 若没有冲突，读写器发送Select命令给应答器， 选定该应答
16、器。 (3)发送Data-Read命令给选定的应答器： 若正确接到应答器反馈的信息，读写器发送Success命令给选定应答器； 若未正确接收到应答器反馈的信息，发送一定次数Resend命令给选定应答器。超过该次数则认为有冲突，进入步骤(2)的。 (3)当读写器读写信息成功后，读写器对选定应答器发送Unselect命令，使应答器进入完全非激活的状态，不再应答读写器发送的命令。 为了重新活化应答器，必须暂时离开读写器的作用范围，以实行复位。通过以上程序就可以实现系统的防冲突功能。3 结 语 设计在Modelsire 61中进行功能和时序仿真，并通过Altera Quartus60的Stratix
17、EPl SlOF484C5器件综合。结果表明，该算法使用的寄存器为347，比基于位碰撞的算法使用的寄存器数少得多，节省了硬件资源。最大读写标签数为3 595，读写速度可达每秒1 000个标签，防碰撞算法效率接近50，比传统算法具有更高的TDMA信号利用率及平均识别效率。支持SSB-ASK和DSB-ASK双重调制方式，具备单、双天线模式，体积小，集成度高，可作为手持终端，且能够在各种环境下即插即用。RFID在商品防伪领域的应用时间：2009-05-21 16:11:10 来源：计算机与信息技术 作者：张翼凌 黎明0 引言 激光防伪、荧光防伪、磁性防伪、温变防伪、特种制版印刷等是目前通常使用的防伪
18、技术手段，这些技术在一段时间内一定程度上发挥着防伪的作用，但到目前为止上述防伪技术还不完善，未能有效地制止假冒的行为。 RFID防伪技术的探索和应用，不仅将为企业带来直接的经济效益，还将为国家相关管理部门有效的监管企业的生产经营状况，打击和取缔非法生产活动，维护社会秩序稳定，为国民经济持续发展提供有力的技术保障。同时有利于提高管理效率，降低运作成本。 无线射频识别技术RFID（Radio Frequency Identification）是自动识别技术的一种，它通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。RFID应用于防伪是将极小芯片贴在所需防伪的物品上，利用射频技术将芯片内存储的资
19、料传递到系统终端加以辨认，是目前一项研究热点。它无需直接接触即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷。能够广泛应用于生产、物流、医疗、交通运输和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。 1 RFID系统组成和原理1.1 系统组成 一个最基本的RFID系统一般是由存储标识物信息的芯片即电子标签（Tag）、用于写入和读出标签数据的阅读器（Reader，也可称为读头）以及天线组成。为了能实现对标签数据的处理，还需具备相应的计算机系统支持。 （1）电子标签(Tag，即射频卡)：是RFID 的核心部件，它被装置于被识别的物体上，存储着一定格式的电子数据，即关于此物体的详细信息。标签类似于条码技术中的条码符
20、号，但不同的是必须能够自动或半自动地把存储的信息发射出去。电子标签由标签天线和标签芯片组成。标签芯片是具有无线收发功能和存储功能的单片系统(S0C)，其中存储有约定格式的编码数据，用来唯一标识所附着的物体。它是射频识别系统的数据载体，具有智能读写及加密通信的能力。 （2）阅读器：它能够自动以无接触的方式读取电子标签所存储的电子数据，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器与电子标签之间存在着通信协议，彼此互传信息。每当黏附有电子标签的物体通过它的读取范围时，就向标签发射无线电波，然后标签回送自身储存的物体信息，整个过程是非接触式的。 （3）天线(Antenna)：在电子标签和阅读器间传递射频信
21、号。阅读器上连接的天线一般做成门框形式，放在被测物品进出的通道口，它一方面给无源的电子标签发射无线电信号提供电能以激活电子标签；另一方面也接收电子标签上发出的信息。在每个电子标签上也有自己的微形天线，用于和阅读器进行通讯。1.2 RFID系统的工作原理 RFID系统的工作原理示意图参见图1。通常电子标签安置在物体上，阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号；当电子标签进入阅读器的电波接收覆盖范围时，其微形天线产生感应电流，电子标签获得能量被激活并向阅读器发送识别所需的数据等信息（电子标签从接收到的射频脉冲中解调出指令送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作）；阅读器接收到来自电
22、子标签的载波信号，对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。图12 RFID的优点 RFID具有如下的优点： （1）读取方便 数据的读取免“接触”，无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上。 （2）识别速度快 电子标签一进入识别场所，阅读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个电子标签，实现批量识别。 （3）容易实现小型化和多样化的形状 电子标签在读取上并不受尺寸大小与形状之限制。它的体积小，易封装，外形多样(如卡状、环状、钮
23、扣形、笔形等)，可以隐藏或者嵌入在大多数材料或产品内，使被标记的货品更加美观。可应用于不同场合，使用非常方便。 （4）数据的记忆容量大通常数据容量最大的二维条形码(PDF417)，最多也只能存储2725个数字，若包含字母，存储量则会更少，电子标签则可以根据用户的需要扩充。目前市场上生产的电子标签芯片，存储数据量最低的也有17位二进制数，远远大于条形码的数据量。未来物品所需携带的资料量愈来愈大，数据容量会随着记忆规格的发展而扩大，对此电子标签不会受到限制。 （5）穿透性 RFID在识别时能透过泥浆、污垢、油漆涂料、油污、木材、水泥、塑料、水和蒸汽等非金属材料阅读标签，不必一定与电子标签载体直接接
24、触。数据传输使用较高的频段，利用无线电原理传输信号，电子标签即使被诸如上述的纸张、木材、塑料等包裹时仍然可以进行穿透性通讯。 （6）耐环境性 RFID在黑暗或脏污的环境之中，也可以读取数据。它对水、油和药品等物质有较强的抗污性，不像纸张一受到脏污就会看不到，甚至在恶劣环境下也可以使用，工作温度可达-25+70，因此电子标签成为肮脏、潮湿和刺目等恶劣环境下阅读的理想选择。 （7）使用寿命长，应用范围广 电子标签的使用寿命可长达10年以上，读写10万次，无机械磨损、无机械故障。 （8）更好的安全性 电子标签的编号独一无二，可以为存储数据的读写设置密码保护，还可以通过一种加密运算加入防伪识别码。只要
25、通过联网或生产厂商的防盗识别设备如阅读器等扫描，立即可以分辨产品的真伪，具有更高的安全性。 （9）成本 电子标签价格将随着技术的发展及生产规模的扩大而降低。3 RFID在商品防伪中的应用 防伪的原理是：将商品识别号（ID）即防伪码（它是通过硬件或软件算法进行加密）写在RFID芯片中，这个ID在生产、销售等所有环节中是唯一的；芯片被制作成电子标签，电子标签被附加在商品上，使它成为商品不可分割的一部分。当电子标签“被迫”与商品分离时，商品的“完整性”被破坏，商品被认为已被“消费”，防伪结束。在上述环节中，通过各种技术手段保证此ID验证过程是不可伪造和篡改的。如果验证机制被伪造，则会出现伪造的商品；
26、如果验证过程被篡改，则导致真品被“证伪”从而扰乱市场。这样，在商品从生产、流通到消费的全过程中，都只有一个被唯一ID标识的拥有唯一验证手段的商品存在，从而达到防伪的目的。RFID电子标签的识别ID数据是只读的，不可更改。为了防止造假者使用相同ID的伪造电子标签，在防伪标签中还可以写入一个与ID关联的也具有唯一性的隐秘信息“密钥”，用于鉴别验证过程的唯一性。因此防伪标签ID唯一，芯片中隐秘验证信息唯一以及严格的加密认证机制，可使防伪技术长期有效。 国内人们常用的商品，诸如酒类、化妆品、医药保健品等中的一些名牌，假冒伪劣商品出现市场会严重影响这些名牌商品的信誉，影响国家的经济建设，其防伪很具必要性
27、。 RFID防伪技术突破了以往防伪技术的思路，采取了一种新举措，使其具有难以伪造性、易于识别性、信息反馈性、密码唯一性、密码保密性、使用一次性等特点。利用RFID技术防伪，与激光防伪、数字防伪等相比，其优点在于：每个标签有一个唯一的ID号码，此唯一ID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改、难以仿造；无机械磨损，防污损；阅读器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；阅读器与电子标签之间存在相互认证的过程等。4 结束语 应用RFID防伪无论采用何种方式，还要确保鉴别仪器的安全问题。只有这样，才可以真正起到防伪作
28、用。目前，我国RFID主要应用于物流管理、医疗领域、货物和危险品的监控追踪管理、民航的行李托运及路桥的不停车收费等方面。可以预测，RFID的应用会孕育一个庞大的市场，是一个新的经济增长点，它的潜力和前景将是非常诱人的。RFID技术所独有的优势，将在全球形成一个巨大的产业，值得各个领域加以关注。RFID读写器的设计时间：2009-04-20 09:21:22 来源：现代电子技术 作者：田径，储海兵 东南大学摘 要：为了掌握RFID技术并应用，介绍一个基于U2270B的125 kHz的射频卡读写器。它主要用软件实现射频信号的调制和解调，进而实现了对Temic卡读和写操作，且利用CH375芯片实现系
29、统的USB通信及数据传输，及利用SD卡实现数据及原始数据库存储，利用SD卡桥接芯片W86L388D实现简单的SD卡SD模式通信操作。该读卡器在解决实际问题时取得了很好的效果，相时于传统条形码识别有巨大优势，且引入USB和SD技术。关键词：RFID；USB；SD；U2270B；CH375；W86L388D；Temic；EM4100O 引 言 射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感应、电磁场或电磁波为传输手段，完成非接触式双向通信，获取相关数据的一种自动识别技术。射频识别卡最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预，适于实现自动化且不
30、易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。目前，射频识别技术己经广泛使用，准备接替目前许多人工完成的工作程序。 RFID技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了射频技术，还包含了射频技术、密码学、通信原理和半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。因此，对RFID技术的认识和研究具有深远的理论意义。随着21世纪数字化时代的到来，基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会需求，RFID技术智能管理系统将在各个领域中发挥巨大的作用。RFID技术正在成为一个新的经济增长点，在全球范围内蔓延开来，研究开发RFID技术有着巨大的经济效益和社会意义。 一个典型的RFID系统一
31、般由RFID标签、读写器以及计算机系统等部分组成。其中RFID标签中一般保存有约定格式的编码数据，用以惟一标识标签所附着的物体。与传统的识别方式相比，RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷。能够广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域，并且认为是条形码标签的未来代替品。RFID系统的工作原理框图如图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，从而RFID标签获得能量被激活并向读写器发出自身编码等信息；读写器接收到来自标签的载波信
32、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。 RFID针对常用的接触式识别系统的缺点加以改良，采用射频信号以无线方式传送数据资料，因此识别卡不必与读卡机接触就能读写数据资料。1 系统总体简介 本系统以AT89252单片机为控制核心，利用RFID读写基站U2270B对Temic公司的射频卡(本系统使用EM4100卡)进行数据的读写。在通信方面使用USB高速通信接口，采用南京沁恒
33、公司的USB主控芯片CH375。数据库的存储管理利用SD卡。系统总体框如图2所示。2 RFID读写模块 U2270B的载波频率为100150 kHz，其调制方式为曼彻斯特码和双相位码。U2270B的电源供给可为5 V的稳压电源或者是12 V的汽车蓄电池。它可以为RF场提供能量，其中在短距离运用时，外围驱动电路简单。U2270B还具有信号微调能力，而且其读写距离可达710 cm。U2270B还具有电压输出功能可以给微处理器或其他外围电路供电。U2270B具有省电模式和STANDBY控制可选，所以设计基站电路时可以按照功能的不同要求，设计基站的外围电路。具体电路图如图3所示。 本系统采用9 V电池
34、供电，并通过STANDBY端进行省电模式的控制。同时通过桥式二极管来增强读写距离。 通过调整Rf引脚所接电阻的大小，可以将内部振荡频率固定在150 kHz，然后通过天线驱动器的放大作用，在天线附近形成150 kHz的射频场，当射频卡进入该射频场内时，由于电磁感应的作用，在射频卡的天线端会产生感应电势，该感应电势也是射频卡的能量来源。 数据写入射频卡采用场间隙方式，即由数据的“O”和“1”控制振荡器的启振和停振，并由天线产生带有窄间歇的射频场，不同的场宽度分别代表数据“O”和“1”，这样完成将基站发射的数据写入射频卡的过程，对场的控制可通过控制芯片的第6脚(CFE端)来实现。 由射频卡返回的数据
35、流可采用对射频卡天线的负载调制方式来实现。射频卡的负载调制会在基站天线上产生微弱的调幅，这样，通过二极管对基站天线电压的解调即可回收射频卡调制数据流。应当说明，与U2270B配套的射频卡返回的数据流采用的是曼彻斯特编码形式。由于U2270B不能完成曼彻斯特编码的解调，因此解调工作必须由微处理器来完成，这也是U2270B的不足之处。3 射频卡模块 射频卡选用的EM4100卡是由瑞士微电生产的一款用于只读射频卡信息传输的集成芯片。射频卡由IC芯片、感应线圈组成，COIL1与COIL2为感应线圈接口。全波整流电路、Csup可以将线圈感应产生的能量保存供给芯片作为工作电源；时钟选取电路将筛选频率125
36、 kHz的载波作为时序发生电路的基准时钟源；内存中64位数据依次串行输出，通过编码模块输出曼彻斯特码；最后信号通过调制电路再由感应线圈发射出去。图4为EM4001芯片内部功能图。 EM4100全部的数据位为64位，它包含9个开始位(其值均为1)、40个数据位(8个厂商信息位+32个数据位)、14个行列奇校验位(10个行校验+4个列校验)和1个结束停止位。EM4100在向读卡机或PC机传送信息时，首先传送9个开始位，接着传送8个厂商信息或版本代码，然后再传送32个数据位。其中15个校验以及结束位用于跟踪包含厂商信息在内的40位数据。当EM4001上电初始化后，便依次将这64位数据反复输出，直到卡
37、片离开基站读写器失电为止。图5为EM4100芯片内部数据格式。数据信息采用曼彻斯特编码，然后调制到载波上，影响感应线圈工作。数据“O”对应着电平下跳，数据“1”对应着电平上跳。5 SD卡控制模块 SD卡有两种总线协议，SD协议和SPI协议。现在绝大部分微控制器都集成SPI接口，所以利用这种方式与SD卡通信相对简单方便，但SPI协议在数据交换时只允许1位数据串行传输，所以速度受到限制。在SD协议下，允许强大的1线到4线数据传输，这样就提高了传输速度。但SD总线时序要求严格，如果用软件模拟不仅复杂繁琐，而且可靠性也不高，W86L388D支持SD方式的4线数据传输，并且根据所收到的命令能自动产生相应
38、的SD时序，从而方便用户的使用，提高了系统的性能。 W86L388D为台湾华邦公司的SD卡桥接芯片。W86L388D有8位数据与16位数据宽度可以选择，并且有专门的端口进行SD卡的检测与读写保护。W86L388D的工作电压为33 V，所以在与89S52单片机进行通信的时候必须经过一个470的电阻进行分压处理。W86L388D的电路图如图7所示。6 结 语 射频识别技术最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预，适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。所以，目前已经广泛使用，准备接替许多人工完成的工作程序。 读卡器的设计主要用软件来实现射频信
39、号的调制和解调，以实现对Teinic卡片的读和写操作。利用CH375芯片来实现系统的uSB通信及数据的传输，利用SD卡实现数据及原始数据库的存储，同时利用SD卡桥接芯片W86L388D来实现简单便捷的SD卡SD模式的通信操作。基于MSP430单片机的低功耗主动式RFID标签设计时间：2009-04-08 09:47:54 来源：世界电子元器件 作者：西安科技大学通信与信息工程学院 尚 亮 李白萍 李文峰引言射频识别（RFID）技术近年来在国内外得到了迅速发展。对于需要电池供电的便携式系统，功耗也越来越受到人们的重视。本文将具体阐述基于MSP430F2012和CC1100低功耗设计理念的双向主动
40、式标签的软硬件实现方法。低功耗设计低功耗概述功耗基本定义为能量消耗的速率，可分为瞬态功耗和平均功耗两类。两者意义不同，有不同的应用背景和优化策略，通常被笼统地概括为低功耗设计。实际研究中可根据不同情况区分为：(1)瞬态功耗优化：目标是降低峰值功耗，解决电路可靠性问题。(2)平均功耗优化：目标是降低给定时间内的能量消耗，主要针对电池供电的便携电子设备，以延长电池寿命或减轻设备重量。功耗的物理来源芯片电路的功耗主要来自两方面：动态功耗和静态功耗。动态功耗主要是电容的充放电和短路电流。静态功耗主要是漏电流，包括PN结反向电流和亚阈值电流，以及穿透电流。如果工作时序及软件算法设计有缺陷，会降低系统工作
41、效率、延长工作时间，也会直接增加系统能量的消耗。低功耗设计策略算法级功耗优化：在电路设计的开始，就要进行算法的选择，应该尽量选择功耗效率高的算法。首先，从实现算法所需逻辑的大小来看，算法中操作的数目、所需要的带宽、存储操作、端口操作越少，此算法应用到的电路功耗越低。在实际的设计中，需要按照应用的要求进行总体性能和功耗的均衡。同时，算法中需要的协处理必须考虑，算法所需的协处理越简单、协作模块越少、实现算法所需要的功耗就越小。此外，算法中临时变量少、临时变量有效的时间短、循环的合理运用都会降低算法所需的功耗。系统级功耗设计与管理：系统级的功耗管理主要是动态功耗管理。通常的做法是处于空闲状态的时候，
42、运作于睡眠状态，只有部分设备处于工作之中；当产生一个中断时，由这个中断唤醒其它设备。实际上，这一部分需要硬件的支持，如：电源系统的低功耗技术；系统软硬件的划分，在于决定哪些功能模块由软件来实现功耗较小，哪些功能模块由硬件实现功耗较小；低功耗处理器的选择。系统硬件设计综合考虑系统功耗来源与低功耗设计策略，硬件设计选择具有低功耗特性的单片机及射频收发芯片，并尽量简化电路减少功耗开支。主要芯片的选择MSP430系列单片机的结构完全以系统低功耗运行为核心，电源采用1.83.6V 低电压，活动模式耗电250A/MIPS，RAM数据保持方式下耗电仅0.1A。由于系统在90%以上的时间内都是处于休眠或低功耗
43、状态，因此漏电流成为影响系统功耗的另一个重要因素，其I/O输入端口的漏电流最大仅为50nA。加上有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字震荡器时钟系统。由时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗会有明显的差别。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。用中断请求把CPU唤醒只需要6s，通过合理编程
44、，既可以降低系统功耗，又可以对外部请求做出快速响应。射频芯片是整个RFID卡最核心的部分，直接关系到标签的读写距离和可靠性，同时也直接影响到整个系统的功耗。CC1100是Chipcon公司推出的单片UHF无线发射芯片，体积小，功耗低，数据速率支持1.2500kbps的可编程控制，其工作电压范围为1.93.6V，可以工作在915MHz.、868MHz.、433MHz和315MHz四个波段，还可通过程序配置在所有频段提供-3010 dBm输出功率内置地址解码器、先入先出堆栈区、调制处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块。它具有两种低功耗工作模式：关机模式
45、和空闲模式，在关机模式下工作电流小于200nA。本文中CC1100工作在433MHz的频率上，采用FSK调制方式，数据速率为100kbps，信道间隔为200kHz。电路设计为简化系统结构，本系统仅由必须的微处理器单元、射频收发单元、天线及电池单元组成。省去电池到器件之间的稳压电路，直接由电池给系统供电。节省了稳压电路所带来的静态电流消耗，使电池寿命进一步延长。为防止发射状态较大的电流造成电池电压瞬态降低，使用较大容量电容与电池并联。MSP430F2012内部集成的零功耗欠压复位（BOR）保护功能，可以在电压低于安全操作范围时执行完全复位，很好地解决了单片机复位不完全而产生的随机错误操作问题。软
46、件设计尽量用软件来代替硬件也是低功耗系统设计常常采取的措施。本次程序开发综合考虑了时序调度和工作效率两方面问题，以降低系统的功耗。合理设计工作时序由于CPU的运行时间对系统的功耗影响极大，应尽可能缩短其工作时间，较长地处于空闲方式或掉电方式是软件设计降低单片机系统功耗的关键。程序运行流程图如图2（a）、（b）所示，当系统上电完成初始化操作即刻进入低功耗模式，只在系统接收到正确信息产生中断时才会唤醒单片机进入工作模式，尽量在短时间内完成对信息或数据的处理，当处理结束立即返回低功耗模式等待下一个中断到来。提高工作效率用宏定义来代替子程序调用。因为CPU进入子程序时，会首先将当前CPU寄存器推入堆栈
47、（RAM），在离开时又将CPU寄存器弹出堆栈，这样至少带来两次对RAM的操作，所以读RAM会比读Flash带来更大的功耗。用宏定义来代替子程序调用，无疑会降低系统的功耗。尽量减少CPU的运算量，将一些运算的结果预先算好，放在Flash中，用查表的方法替代实时的计算，减少CPU的运算工作量，可以有效降低CPU的功耗；不可避免的实时计算，精度够了就结束；尽量使用短的数据类型：如尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。让I/O模块间歇运行，不用的I/O模块或间歇使用的I/O模块要及时关掉，以节省电能。不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。若引脚没有初始化，可能会增大单片机的漏电流。结论本文详细介绍了基于MSP430单片机的低功耗主动式RFID标签的设计，合理地利用了MSP430单片机的中断、定时、运算等功能，借助于软件优势，对耗能较低的CC1100 模块采取限能工作措施，提高了电池的寿命，增加了系统可靠运行的时间，与其它设计功耗对比如图3所示。这种主动式RFID标签的设计使 RFID 的性能得到了改进，它在很大程度上解决了远距离、大流量、抗干扰、高速移动的标
