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一种便携式射频卡记录仪设计

作者:唐一哲 蔡伯根 来源:传感器与仪电仪表 2016-12-21 14:22:12

摘要:本文设计了一种基于便携式射频卡记录仪。首先从射频识别技术出发,分析了射频识别的工作原理和技术标准;然后结合嵌入式硬件和软件详细阐述了系统的设计,对数字接口和天线进行了详细的分析,介绍了RFID读写程序流程和SD存储卡记录程序流程。最后本文进行了测试,分析了应用价值。

关键词:射频识别[278篇]  SD卡[3篇]  ISO14443[4篇]  文件系统[2篇]  

  1.引言

  RFID 是Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别。它是一种利用射频技术实现非接触双向通信的自动识别技术,在物流管理、汽车防盜、门禁管理、交通管理等领域有广泛的应用前景。随着射频卡使用的频繁,卡片的管理成为一个重要的问题。本文设计了一种便携式的RFID 卡记录仪,可以快捷、方便的将大量的卡片信息记录在SD 存储卡里面,然后再通过计算机读取,录入数据库。在交通信息采集、设备巡检上、门禁管理等领域有应用价值。

  2.平台硬件设计

  2.1 方案选择

  RFID技术的国际标准有ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000 以及EPC 标准体系。其中现在应用最广泛的是ISO 14443,它使用13. 56MHz 频段进行读卡操作。MFRC531是对应的读写器芯片。它是一块数模混合芯片,把13.56MHz通信的基带处理器和频带处理器集成在一块IC里面,全面支持ISO14443A/B标准。系统采用的ARM7 处理器是AT91SAM7S64,它集成SPI、IIC、USB、UART 等多种数字接口,功能非常强大。相比51 单片机系统,不需要另外扩充这些数字接口,大大提高了系统的稳定性。信息存储介质采用SD 存储卡,体积小,可插拔,数据读取方便,现在的使用也越来越广泛。

  2.2硬件实现

  硬件的总体结构,主要由处理器、读卡芯片、SD 存储卡、用户界面、匹配电路、天线电路、射频卡组成。读卡芯片为MFRC531,和匹配电路、天线电路一共构成读卡功能硬件,用于完成和射频卡片的非接触通信,最终读取卡片的信息;SD 存储卡完成卡片信息的存储,处理器为AT91SAM7S64 处理器,完成读卡控制和信息存储操作。

一种便携式射频卡记录仪设计

  芯片间数据传输选用SPI串行总线。SPI 串行总线是一种4 线的串行通信总线,与传统的并行总线相比,大大节省了电路端口资源。MFRC531 读写芯片和SD 卡都支持以SPI 方式和处理器进行通信。在SPI总线中,设备分为主设备和从设备。它一共有4 条线,其中一条是时钟同步线(SCK),一条是片选线(NSS),一条是主设备到从设备串行数据线(MOSI),一条是从设备到主设备串行数据线(MISO)。另外除了这4 根信号线外还应该接一根SPI中断信号线到处理器,实现读写过程的中断。除了MFRC531 外,外部存储器(SD 卡)也是通过SPI总线与处理器连接的。

  天线设计可以分为两种。一种是直接匹配天线,要求天线和读写器很近,这种设计主要是应用于小范围空间内或者便携式设备。另外一种是50Ω匹配天线,要求天线和读写器有一定距离,如天线在室外而读写器在室内的一些应用。对于这种要求可以用同轴电缆连接天线和读写器。在本系统中采用直接匹配天线设计。

一种便携式射频卡记录仪设计

天线设计图

  天线电路前需要一个EMC电路进行滤波。TX1 和TX2 和天线之间有一个简单的LC 低通滤波电路。RX 为射频芯片的天线接收管脚,管脚VMID 提供接收信号的参考电压。已知载波频率为13.56MHz,为了最佳传输载波,电路的固有频率应该尽量接近载波频率,即固有频率

一种便携式射频卡记录仪设计

  信号经过EMC电路后,进入天线线圈。天线线圈的作用是完成射频信号的发射和接收。这个天线线圈在功能上类似于变压器的主线圈。它制造一个局部空间的磁场。

  线圈的面积和线圈匝数相关,一般设计半径7cm 左右的线圈采用2 圈就够了。天线线圈对读写器电路最大的影响就是它的阻抗,因为天线的阻抗必须要和读写器电路匹配。天线的阻抗可以测量,也可以通过经验公式推导出来:

一种便携式射频卡记录仪设计

  在天线线圈阻抗推导公式中,l 是线圈的周长,D 是线圈的直径,α是形状参数,圆形为1.07,正方形为1.54。这个公式只在13.56MHz频率下有效。

  3.平台软件设计

  平台软件设计包括两个部分:读卡程序设计和SD卡记录程序设计。

  3.1 读卡程序程序

  读写射频卡的过程是一个比较复杂的程序执行过程,要执行一系列的操作指令,包括装载密码,询卡,抗冲突,选卡,验证密码,读卡,挂起卡等。这一系列的操作必须按固定的顺序进行。读卡程序流程图如下:

一种便携式射频卡记录仪设计

图 3 读卡程序流程图

  包括以下步骤:首先,初始化系统;然后,用户需要给出读卡命令,系统只有接受到读卡命令,才开始执行询卡操作。如果射频卡不在有效范围内,返回;如果射频卡在有效范围内并且有响应,那么执行抗冲突操作和选卡操作,即在所有有效的射频卡中选中一个进行读卡操作。如果要对射频卡的加密存储空间进行读取,还需要进行验证,输入密匙后才能读取信息。读卡完毕后,要执行挂起卡操作结束会话。

  3.2 SD卡记录程序

一种便携式射频卡记录仪设计

图4 SD卡记录程序流程图

  SD 存储卡接收从射频卡读取的数据,并以文件形式记录下来。通过SD 卡记录程序流程图,叙述通过FAT16/32 文件形式将数据记录在Secure Digital 存储卡里的步骤。首先检测SD 卡,如果SD卡存在,读取引导区信息,根据引导区的BPB 表寻找FAT 表;读取FAT表,通过FAT表上的信息寻找SD 卡上空白的数据区;更新FAT 表,将缓存中记录的数据写入空白数据区;最后读取根目录区数据,判断记录数据的文件是否已经建立;如果没有发现已经建立的文件,则新建一个的记录文件;如果记录文件已经存在,则更新文件的信息,如文件大小、记录时间等。

  4.结束语

  本文完成了一种便携式射频卡记录仪设计与实现。它采用ARM7处理器平台,可以对ISO14443兼容的射频卡进行读写、数据记录等操作,并且能以文件形式记录在可插拔的SD存储卡中,是一种比较理想的射频卡便携式记录方案。在天线平面和射频卡的天线平面平行的条件下测量,最长读卡距离为7厘米。通过本设计可以简化了射频卡信息采集流程,加快采集速度和效率,实现脱离计算机的射频卡信息采集,在交通信息采集、工业控制、人员管理等领域有应用价值。

  本文作者创新点:(1 )针对射频卡信息采集和管理,提出一种新的便携式记录仪的设计,它可以兼容多种射频卡,在没有固定读卡器的时候也能方便的进行射频卡信息采集,然后再进行数据后处理。(2)该设计采用SD存储卡进行记录,记录满后可以随时更换,支持即插即用,提取数据简单方便(3)内建文件系统,数据以文件形式记录,可以方便的提取文件和后续数据处理,适合多种场合应用。

  参考文献

  [1] Klaus Finkenzeller. 射频识别(RFID)技术(第二版). 电子工业出版社. 2001年

  [2] Philips Semiconductors. MFRC531 ISO14443 Reader IC Preliminary Product SpecificationRevison 2.0 Confidential

  [3] Philips Semiconductors. Design of MFRC500 Matching Circuit andAntennas

  [4] ISO/ETC. International Standard 14443. 1st Edtion. 2001.

  [5] Atmel Corporation. AT91SAM7S256-128-64-321-32 Preliminary

  [6] 芦东昕,李强,柳长安.基于ARM的RFID阅读器设计[J].微计算机信息, 2006,10-2: 286-288

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