读写器设计论文（共12篇）
读写器设计论文 篇1
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,相对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,EM4100
0 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100～150 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7～10 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“0”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“0”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 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“0”对应着电平下跳,数据“1”对应着电平上跳。
4 USB模块
在工业生产和科学技术研究的各行各业中,常常利用PC机或工控机对各种数据进行采集。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡,常用的有A/D卡以及RS 232,RS 485等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰,而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制,不可能挂接很多设备。而通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)的出现,很好地解决了以上这些冲突,很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。
在本系统中,USB除了负责总线的数据采集外,还有一个很重要的作用,就是充当一个SD卡读写器,方便PC机对SD卡的直接操作。这样可以在系统初始时方便地将数据库导入到读写器中,在系统停运时将数据再上传给PC机。
USB接口芯片种类繁多,其中具有代表性的有Cypress公司的SL811HS,PHILIPS公司的ISPll61A、PDIUSBD12,National公司的USBN9602,国内则以沁恒公司的CH75系列为代表。这些芯片各有优点,适合不同的场合。如ISPll61A支持USB协议2.0,而SL811HS可支持多种USB设备,CH375则将USB协议、MASS-STORAGE协议、SCSI协议都集成到了片内,可以直接对U盘的扇区进行读写,另外厂家还提供U盘文件系统操作库,这使得面向U盘等设备的开发变得更便捷。
考虑到操作的简洁性我们选择CH375。CH375是一种通用的USB总线接口芯片,支持USB-HOST方式和USB-DEVICE/SLAVE方式。在本地端,CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可以方便地挂接到单片机等控制器的系统总线上。
CH375芯片提供了两种操作方式,分别是内置固件方式和外置固件方式。内置固件方式模式下屏蔽了相关的USB协议,自动完成标准的USB枚举配置过程,完全不需要本地端控制器的任何处理,简化了单片机的固件编程,但是只能使用固定的端点进行数据的传输;外置固件虽然也使用端点0作为默认端点,但是可以根据自己的需要更灵活地定制需求,可以使用端点1作为辅助端点。内置固件在开发上更简单,外置固件则更灵活。
CH375的接线图如图6所示。
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3.3 V,所以在与89S52单片机进行通信的时候必须经过一个470 Ω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,目前己经广泛使用,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号的调制和解调,以实现对Temic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。
参考文献
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读写器设计论文 篇2
摘要：针对网络计算机安全问题，提出了一种完整的智能IC卡读写器子系统设计方案。此方案讨论了基于单片机的IC卡读写器硬件和软件设计、基于PC/SC行业规范的读写器驱动程序设计和IC卡的软硬件选取。
关键词：网络计算机 安全 单片机 智能IC卡 IC卡读写器 PC/SC ISO7816
随着网络的飞速发展和计算机技术的不断进步，计算机应用模式正发生着巨大的变革。网络计算机(NC)的出现标志着计算机体系结构的革新，代表着未来计算机系统的发展方向。由于网络计算机可以采用开放源码操作系统，为发展带有自主知识产权的核心技术创造了有利条件。在开放源代码的操作系统中，Linux是一种较好的选择。它源代码公开，可以根据要求自行剪裁并且稳定，对资源要求低，有大量应用软件支持。按照网络电脑的特定需求，可以开发出具有自主智能产权的CPU，从而提高网络电脑的安全。网络电脑走的是一种网络服务器集中式管理的道路，具有成本低廉、管理费用低的优势。
为此，国家863计算机软硬件技术主题发展规划提出了以下要求：组织优势力量，研究网络计算机系统的关键技术，研制网络计算机系列产品，选择若干典型应用领域的进行应用示范，以此推动国产微处理器芯片和系统软件的发展，促进我国电子政务、网络教育、金融、社区服务、企业管理等方面的信息化建设。
随着计算机网络的迅速发展，网络计算机的安全问题显得非常突出。尤其在某些特殊领域，如电子政务等，安全问题显得极端重要。目前，在计算机安全方面，有各种不同的方法，但效果都不太好。本文提出的智能IC卡技术，在网络计算机是一种全新的方法，能够很好地实现网络计算机的安全。智能IC卡(Smart IC)具有较高的安全性，以前主要用在金融、电信等领域，笔者把此技术推广应用到网络计算机，以提高安全性。智能IC卡本身含有自行研制的COS(Chip OS)和加密算法，并采用多密钥、多加密算法体系，对所有的敏感数据文件加密保护。如图1所示。
(本网网收集整理)
IC卡子系统是整个网络计算机系统网络安全的核心，它保存了加密算法所需要的私有密钥，供加密算法对网络上传输的数据加密使用。
1 IC卡读写器硬件开发方案
IC卡作为一种信息技术可以广泛应用于许多行业领域，如金融、电信等，不同领域均有各自不同的应用特点、应用环境和应用要求。IC卡在某一领域的应用，必须适应该领域的特点。国际上有关组织及部分针对各个领域的不同要求，制定了IC卡在某一领域应用所应参考或遵循的应用标准。不过所有智能IC卡都必须符合国际标准化组织的ISO/IEC 7816国际标准。读写器的硬件也必须遵循ISO/IEC 7816国际标准。
ISO/IEC 7816标准要求IC卡与IC卡读写器使用串行通信，时序要求非常严格。常用的MCS51系列单片机速度较慢，每个指令周期需要12个机器周期，较难达到该标准所要求的严格时序。Microchip公司的PIC系列单片机采用RISC结构，每个指令周期为4个时钟周期，并且除转移指令外，所有指令都可以在一个指令周期内完成，速度较快，能够满足该标准对时序的严格要求。所以采用一片PIC16C73单片机作为IC卡读写器的控制器。
读写器与IC卡的通信，采用半双工的ISO 7916-3字符帧协议标准。3.57MHz的晶振为IC卡和读写器提供时钟。在缺省工作方式下，IC卡和读写器的通信速率为9600bps。即时钟频率为3.57MHz，每372个时钟输入或输出一个比特位。在未来需要较高通信速度时，可以在对程序作较小改动的前提下，提高晶振频率，如采用2×3.57MHz的晶振。
IC卡读写器与NC之间的通信，可以采用USB接口、并口、串口、PS/2口等多种方案。采用USB接口可以实现即插即用和热拔插等功能。但使用USB接口，电路和协议都很复杂，并且增加USB接口器件会较大地增加系统成本。并口有较高的通信速度，但通信线路较多，硬件比较复杂，可靠性不好，且IC卡读写器并不需要太高的通信速度，故使用并口也不是理想的方案。而PS/2口一般固定给键盘和鼠标等标准外设使用，使用PS/2口就会占用这些标准外设的接口，故也不在考虑范围之内。使用串口通信虽然速度慢，但却具有硬件成本低、软件实现简单、运行可靠等优点。而通信速度完全可以满足IC卡读写器的要求。所以IC卡读写器采用了RS232串口与NC主机通信的方案。
整个系统使用5V电压供电。IC卡读写器采用低功耗设计，系统电源从RS232接口的信号线上获得。RS232接口的电压为±12V,经过电源稳压器件LP2950将12V电压变为+5V，给IC卡读写器所有器件提供电源。
IC卡读写器硬件的原理框图如图2所示。
IC卡各引脚接到单片机I/O口上，由单片机对IC卡进行读写。由于PC(NC)机的RS232接口电平与单片机的逻辑电平不同，所以需要对串口信号进行电平转换。图2中
使用了电平转换器件。它把单片机的TTL逻辑电平转化为RS232接口的±12V电平，实现单片机与RS232的透明传输。转换后的信号直接接在RS232接口上。
2 IC卡读写器软件开发方案
IC卡读写器驱动程序由读写器与IC卡通信的通信程序、读写器与NC或PC通信的通信程序以及NC与读写器通信的驱动程序三部分组成。其中，NC与IC卡读写器通信的程序符合PC/SC规范，它与PC/SC规范的中间件结合，向应用程序提供符合PC/SC规范的API函数。
2.1 读写器与IC卡通信的通信程序
该通信程序采用ISO 7816-3字节协议标准编制。使用T=0，即字符协议，主要实现与IC卡的通信。由于选用的时钟为3.57MHz，在IC卡I/O口默认的9600bps通信速度下，每隔372个系统时钟脉冲，I/O状态可能变化一次。所以，为了准确读取IC卡I/O状态，在IC卡输出的每一位脉冲中间，即I/O启动186个时钟周期后，读取I/O状态。为了排除可能的干扰，在186个时钟周期的两侧再采样两点，共取样三点。三个采样点之间每两个点间隔24个时钟周期。如果三点取样值都为1，则输出为1;如果三点取样值都为0，则输出为0;如果三点取样值中有两点为1，一点为0，则输出为1;如果三点取样值中两点为0，一点为1，则输出为0。如图3所示。
2.2 读写器与NC的通信的通信程序
读写器与NC的通信程序采用异步串行口协议，双方通信先握手取得同步，然后再进行串行口通信。读写器通过串口接收NC发来的命令，并将执行结果通过串口发回。读写器与NC的通信在不影响读写器与IC卡通信的前提下完成。
2.3 NC的驱动程序
NC通信程序驻留于NC，它与读写器的通信程序通信。这个程序符合PC/SC规范。规范规定的分层模块结构见图4。
图4中的ICC就是Integrated Circuit Card，即IC卡。IFD就是Interface Devices，即IC卡读写器。IC卡插入读写器后，通过IC卡读写器IFD与NC驱动程序的IFD Handler层通信。ICC Resource Manager层管理各种不同的IC卡读写器和IC卡资源。每一种IC卡读写器通过各自的IFD Handler接口函数与ICC Resource Manager层通信，ICC Resource Manager层根据上层软件的要求，将上层软件发来的命令分别发到相应的IFD Handler，再通过它发给IC卡读写器和IC卡。而ICC-Aware Applications层对上层应用软件提供一个通用的API接口，以满足不同的应用程序对不同的IC卡和读写器的编程要求。Service Provider层介于ICC-Aware Applications层和ICC Resource Manager层之间，要吧提供文件的存取控制和驱动程序的加密通信功能。当然，在不使用加密通信功能时，也可以不用这一层。
NC的驱动程序根据规范要求，提供符合标准的IFD Handler层接口函数，其余各部分由符合规范的中间件提供。应用程序调用间件提供的API函数发送命令。中间件把应用程序发来的命令编译成动态链接库的IFD Handler接口函数发给IC卡读写器，最终发给IC卡。最后，IC卡将返回结果通过一系列相反的过程返回给应用程序。
3 Smart IC卡开发方案
IC卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，IC卡存储器的内容根据需要可以有条件地由外部读取，以供内部信息处理的判定。根据卡中所嵌入的集成电路的`不同可以分成三类：
(1)存储器卡，卡中的集成电路为EEPROM(可以用电擦除的可编程只读存储器);
(2)逻辑加密卡，卡中的集成电路具有加密逻辑和EEPROM;
(3)CPU卡，卡中的集成电路包括中央处理器CPU、EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的片内操作系统COS(Chip Operating System)。
除此之外，IC卡根据读写方式不同，可分为接触式IC卡和非接触式IC卡两种。由于网络安全要求，IC卡在使用时必须一直插在读写器内。非接触IC卡由于其读写器没有专用卡座，尽管有寿命长等优点，但不适用于网络安全应用。
同时，由于CPU卡计算能力强，可以使用自己的COS操作系统，甚至使用硬件完成加密算法。而IC存储卡仅具有存储功能，安全性不如CPU卡好，的怪SNCS(Smart Network Computer System)的IC卡子系统采用接触式CPU卡。
网络计算机安全系统的IC卡设计满足标准化(国际标准)和智能化，既有安全性又有易维护性。它由硬件和软件两部分组成。
(1)硬件
采用CPU卡，它含有CPU及RAM、ROM等。具有优秀的安全性能，可能有效防止黑客对IC卡解密。
(2)软件
・通信程序
IC卡软件即COS(Chip Operating Systarm)，它是智能卡芯片内的一个监控软件，用于接收和处理外界发给智能卡的各种信息，管理卡内的存储器，并给出相应的应答信息。它有IC卡与读写器的通信程序。该通信程序完成与读写设备之间的通信，必须满足7816-3字符帧协议。该协议含有T=0字符传送协议和T=1数据块传送协议。
・安全文件系统
COS文件系统与普通文件系统不同，它着重强调文件系统的安全性，除提供通常的字符流文件操作外，还提供记录文件的读写操作等。对每种不同的文件操作进行不同的访问权限保护。COS中的文件系统与上层应用软件的用户权限管理相结合，共同完成对IC卡文件的访问。由于IC卡的文件存储介质采用EEPROM，每次写文件操作时，必须对要写入的介质先进行擦除操作。
・安全机制
安全机制用于身份鉴别和IC卡与读写设备双方的认证工作及各种数据的加密、数据完整性检查等操作。每个用户IC卡上都有用户的一个私钥，服务器把用公钥加密后的数据经IC瞳用自己的私钥解密后将正确的信息通过网络送给服务器，由服务器根据解密的信息完成对用户权限的鉴别。
・加解密算法
加解密算法，用于对传入IC卡的数据进行加、解密，此外它还提供扩展接口，方便用户增加新的加密算法。
・命令解译
命令解译是COS的上层软件，它实现ISO7816-4的各种命令和CA命令。
根据串口窃电IC卡读写器设计技术思想，IC卡读写器采用低功耗元器件(PIC16C73B低功耗单片机和74LV125A等)，同时采用分离元件取代MAX系列的RS232接口电路，实现了无需外接电源的串口IC卡读写器。经实验测试，整个电路功耗低于10mA，完全可以由串口提供电源。
本项目实现的串口IC卡读写器完全符合ISO7816-1/2/3标准以及PC/SC规范;软件实现采用分层结构，实现了T=0的字符传输协议。
读写器设计论文 篇3
一、发展故事情节
有些课文在结尾猛然收笔，言已尽而意无穷。学生读到此处，往往觉得回味无穷，心中有言，不吐不快，而这正是绝佳的读写结合点。在《徐悲鸿励志学画》一课中，结尾是那个外国学生给徐悲鸿道歉的情景，最后他找到徐悲鸿，鞠了一躬说：“我承认中国人是很有才能的。看来我犯了一个错误，用中国话来说，那就是‘有眼不识泰山’。” 戛然而止，意味深长。而徐悲鸿的反应却只字未提，给读者留下了想象的空间，于是我激发学生发展一下故事情节：徐悲鸿听了这个曾经羞辱过他而现在又向他道歉的外国学生的话，会说些什么呢？请写下来。有的学生还在忌恨他前面的傲慢无礼，写道：“不知是谁说过，中国人就是到天堂去深造也成不了才？现在干什么又来道歉呢？”有的学生则大义凛然地写道：“不必了，中国是弱国，我们中国人自然会受到你们的轻视，我能理解。但我要告诉你的是，中国人决不比任何外国人差！”有的学生则表现出了徐悲鸿的大师风范：“算了算了，中国也有句俗话：‘知错能改，善莫大焉’，过去的事就不要再提了。我只是想让你重新认识一下真正的中国人！”学生对徐悲鸿爱国的思想有了更深刻地认识，徐悲鸿这一人物形象在学生心中也更丰满了。
二、给插图配上文字
课文的插图是课文的有机组成部分，它能够形象地帮助学生更生动地理解课文内容，有些插图也可以成为阅读课上的读写结合点。在《虎门销烟》这一课中，有一幅林则徐的雕像图，只见林则徐身着朝服，头顶官帽，项挂链珠，端坐于基座上，目视远方，手捻长须，威武正气。我引导学生认真观察插图后，问道：如果此刻你就站在林则徐爷爷的这尊雕像前，回想起他虎门销烟的英雄壮举，你会想些什么，说些什么呢？有的学生对林则徐表示钦佩：“林则徐爷爷，再那样一个内忧外患的年代，你能够顶着国内外的巨大压力，销毁了两百多万斤鸦片，长了国人志气，灭了列强威风，我真敬佩您！”有的学生联想到林则徐在虎门销烟后却被清政府革职发配新疆而感到惋惜与愤恨：“林则徐爷爷，虎门销烟是您的英雄壮举，更是中华民族历史上值得自豪的事，但对您这样一位大功臣，软弱无能的清政府却只知道卖国求荣，还把您发配到边疆，我真替您惋惜呀！”有的学生则表达了自己远大的报国理想：“林则徐爷爷，列强之所以敢于侵略中国，正因为清政府的闭关锁国、软弱无能，我们要努力学习，长大后把祖国建设得更加富强，才能永远让祖国立于不败之地！”学生的爱国之情、报国之心溢于言表，让学生有感情地朗读着自己发自肺腑的铮铮誓言，此刻，教师的讲解是多余的，再精确地中心思想的总结也是苍白而无力的。
三、仿写文中的排比句
写景的课文一般多用排比，文彩华丽，气势如虹，读来琅琅上口，景物跃然纸上，美不胜收。比如《九寨沟》这课的第四自然段，连续使用了四个“也许”句群，描写了体态粗壮的金丝猴、善于奔跑的羚羊、憨态可掬的大熊猫、行动敏捷的小熊猫，勾勒出一幅妙趣横生的野生珍稀动物园，让人产生一种神秘的探险欲。文中对这些珍稀野生动物的描写十分传神，正好可以让学生模仿学习描写动物。于是，我引导道：课文中介绍了四种动物，你猜一猜，九寨沟的林深叶茂处，还可能会碰到哪些动物呢？它们又在干什么呢？于是，学生笔下便诞生了这些可爱的小精灵：“也许，会有一只美丽善良梅花鹿在不远处草丛里正小心翼翼地向你张望，等你走过去，它已不见了踪影。”“也许，你会发现你身旁的大松树上跳跃着一群活泼机灵的小松鼠，它们正在开心地做着它们属于它们自己的游戏。”“也许，你还会发现一只色彩艳丽的鸟儿站在一根细细的树枝上一会儿耐心地梳理着自己的羽毛一会儿唱上一两句，可是你连它的名字都叫不出来呢！”……学生无穷的想象力让九寨沟这个野生动物园的动物品种极大地丰富了。
四、填充省略的内容
课文中常常会碰到省略号，其实省略号也是一处读写结合点。省略号在省略课文内容让行文变得简洁的同时也给读者带来了遐想的空间，而此处也可以进行小练笔。《普罗米修斯盗火》一课的第一自然段，讲述了一个寒冷而黑暗的无火世界——“没有火烧烤食物，只好吃生的东西，没有火来照明，就只好在那无边的黑暗中，度过一个又一个漫长的夜晚……”学生有感情地朗读完这一段后我追问道：省略号在这里是什么意思？那个没有火的年代里，人们还会遇到哪些困难呢？学生再一次发挥了它们丰富的想象力：“没有火，人们只好喝冷水，好多人都因此而得了病。”“没有火，就没法烧制砖块砌房子，人们只能生活在又阴有冷的山洞里。”“没有火，人们只好忍受野兽的欺负，甚至被野兽当作食物吃掉。”“没有火，冬天简直无法忍受，过一个冬天都会冻死很多人。” ……这些事例的补充为理解后文普罗米修斯因盗火而遭罪的英雄壮举作了更深入地认识和情感上的铺垫，从而为更好地理解课文主题打下了伏笔。
RFID卡读写器设计 篇4
整个读写器硬件系统主要分为以下几部分:
a.主控MCU模块:主控MCU, 采用宏晶公司的STC89C51, 通过对主控芯片编程, 控制对RFID读写芯片的控制以及外围电路的控制。
b.MF RC500芯片读写模块:该芯片是Philips公司的产品, 符合国际ISO14443A标准, 工作在13.56MHz频率范围内, 正常工作范围在0-100mm。在信号传输过程中, 为使信号能够稳定发送和接收, 要设计专门匹配的EMC滤波电路以及信号的发送和接收电路。
c.外围电路:主要包括LCD显示模块、RS232通信模块、键盘接口模块和报警模块等, 为用户提供良好的显示界面、键盘操作、精准时钟、计算机通讯以及声音提醒功能。
1 单片机最小系统设计
该系统选用的单片机为STC89C51单片机, 该型号单片机兼容了MCS-51系列单片机, 其内部集成有8KB的Flash存储器, 而且可实现在线编程 (ISP) , 可以更加方便地写入和调试程序。单片机的复位电路采用的是上电复位, 在系统加电时, 由电阻电容组成的积分电路使单片机的复位引脚RST持续在一段时间的高电平, 从而实现单片机的上电复位。
2 M F R C 500与M C U的接口电路
本系统采用STC89C51作为微处理器来操作MF RC500。主控芯片STC89C51通过P0口控制MF RC500的并行接口D0———D7。
MF RC500与STC89C51的接口电路采用了独立读/写选通复用地址总线的接口形式。其中MF RC500的D0———D7引脚接入单片机P0口, A2接地, A1、A0接电源, MF RC500的中断IRQ接单片机的INT0口, 复位RSTPD接单片机的1.7口。
3 M F R C 500外围电路设计
在信号传输过程中, 为使信号能够稳定发送和接收, 要设计专门匹配的EMC滤波电路以及信号的发送和接收电路。
MF RC500外围电路包括芯片的发射和接受电路以及匹配天线, 是读写模块实现射频通信的必不可少的一部分。MF RC500可通过TX1和TX2引脚驱动天线以13.56MHz的电磁波的形式向外发送, 在射频范围内的RFID卡采用的是RF场的负载调制方式进行响应。当天线接收到卡片的响应信号后, 经过天线的匹配电路送到MF RC500的接收引脚RX。
3.1 低通滤波器
MIFARE系统在一个由石英晶振产生的13.56MHz频率下操作, 用来驱动MF RC500以及用来作为驱动天线的13.56MHz能量载波的基频, 这样既可以产生13.56Mhz的发射功率, 又可以发射更高的谐波。因为国际低通滤波电路条例中定义了在广播频段中发射功率的幅值, 因此为了符合这一规范, 必须对输出的信号进行适当的滤波。
3.2 接收电路
使用一个受益于副载波双边带的概念作为MF RC500的内部接收部分, 装入卡响应的调整, 内部产生的VMID电势 (推荐使用) 作为RX脚的输入电势。必须在VMID脚接一个对地的电容C4, 读卡器的接收部分需要在VMID和RX引脚之间连接一个分压器, 以便提供较稳定的参考电压。此外, 在分压器与天线线圈之间推荐串接一个电容。
包括的元件有R1、R2、C3和C4它们的值见表1。
3.3 天线线圈电感量的计算
对天线线圈电感量的精确计算是不可行的, 但可以通过下面的公式估算出来, 将天线设计成环形或者矩形。
天线线圈产生的电感值计算公式 (1) :
式中:I为导体环一圈的长度;D为导线的直径或者PCB导体的宽度;N为圈数;Ln为自然对数函数。
4 LC D显示模块设计
LCM12864是一种带中文字库的图形显示液晶模块, 128X64像素显示, 每屏可显示4行16X16点阵汉字, 8列16X16点阵汉字;具有4位/8位并行总线, 每个显示RAM可以存储显示1个中文字符或者2个16×8点阵的标准ASCII码表字符;LCD各个字符显示RAM地址定义为80H———9FH。
利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令, 可构成全中文人机交互图形界面, 可以显示8×4行16×16点阵的汉字;也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点, 由该模块构成的液晶显示模块与其他同类型的图形点阵液晶显示模块相比, 不论硬件电路结构或显示程序上都要简洁得多, 且该模块的价格也略低于其他同类型点阵的图形液晶模块。
摘要：着重介绍读写模块的硬件电路设计, 整个模块包括主控MCU模块、射频读写模块、天线模块、LCD显示模块、时钟模块、R S232通信模块、键盘接口模块和报警模块组成, 经过测试可以稳定运行。
关键词：RFID卡,MFRC500,读写器
参考文献
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读写联动 教学设计 篇5
单元主题：描写秋天的景象 课型：读写联动 教者：马彦芳 教学目标：
1、写之前要先向同学介绍自己所选地点的内容。
2、写的时候要用上平时积累的词句。
3、写好后和同学交流，对自己描写的一段话进行修改。教学重点：
引导学生学习《秋天的雨》围绕一句话展开描写的表达方法，并运用在自己的习作之中。教学难点：
围绕一句话口头介绍及写出某一处的秋天景象。教学过程设计：
一、导入，图片观赏：
秋天已经来到了我们的身边，大家觉得秋天美不美？自由发言。读课文第一自然段，从整体感受是秋雨带来秋天的美妙变化。
二、整体读文：
1、出示问题：从哪些方面来描写秋天？
2、自读，解决问题。
3、全班反馈。
颜色、气味、小动物的活动。
三、细读课文：
质疑：课文是怎样将自己心中的秋天写生动的？
学生发言交流：写的方法，比喻拟人的运用。引导学生掌握课文每段围绕一句话展开具体描写的方法。在读中去体会比喻拟人的准确、生动，以及运用的好处。
第一段：围绕五彩缤纷写秋天的色彩。重点句进行朗读指导。抓住描写颜色的词语进行体会。看图写比喻句、拟人句等。
第二段：秋天的气味有哪些？齐读。
你还能说说秋天的其他方面吗？引导进行说话。第三段：体会小动物的活动是怎样写得有趣。教师学生分角色进行读中体会。你还知道哪些动物的活动。（自由交流）
4、总结叙述方法。
四、习作指导：
1、你喜欢秋天的什么地方？能用生动、有趣的语言介绍一下吗？ 指名进行发言，教师相机指导。
2、学生根据方法进行段的练笔。
3、请同学来读一读，赏一赏。
学生评价，感受写的好的地方，纠正不足。板书设计：
五彩缤纷的颜色
好闻的气味
读写器设计论文 篇6
关键词：小学语文 读写结合 教学模式
一、加大对学生的仿写训练
教材作为小学语文课堂中的主要教学内容，也是教师和学生获取重要教学资源的主要来源和参考依据。小学生的教材大都是经过许多著名的教育学家共同研究编订而成的，其中蕴含着丰富的教学资源。在小学语文阅读的教学过程中教师首先要深度挖掘教材这一有利的资源，利用教材内容提高学生的阅读和写作水平。在阅读中可以进行仿写训练让学生将阅读和写作结合起来。例如，在六年级下册《北京的春节》课文的教学时，这篇课文出自老舍的笔下，语言朴实无华，通过对北京春节一些习俗的介绍，传递出北京春节的喜庆和热闹的场景从而表现出对中国传统文化的认同。在课文讲述完毕后，教师可以让学生按照本篇课文的思路来写一篇关于自己家乡春节时的习俗，抒发一下自己对家乡的热爱和赞美之情。学生经过仿写训练，既能够对课文的内容和思想情感进行有力的把握，还能够提高自身的写作能力。
二、积极引导学生记日记
小学阶段的学生日常生活和学习十分丰富多彩，记日记不仅是一种良好的学习习惯，也是一种记录生活点滴的重要方式。小学生通过记日记的方式将生活中的点滴故事进行记录，表达自己的思想情感，既能够增强小学生对周围生活和学习的情感体验，又能够为阅读课上的写作积累生活素材，是培养小学生养成良好生活和学习习惯的有效方式。在实际的教学过程中，小学生记日记只是简单的当做一项学习任务，学生被动地完成这项任务，缺少对日记内容的所感、所思和所想，那么记日记就发挥不到自身的实际价值。如果学生日记中只是简单的记流水账，应付教师的检查，那么就达不到写作的锻炼效果。因此在实际的教学中，教师要增强小学生的读写结合训练，发挥日记的价值和作用，提高教学的效果。例如，在五年上册《黄山奇松》课文的教学中，这篇课文主要是通过讲述黄山松的奇和美来培养学生审美情趣，激发学生对祖国美好河山的热爱之情。教学完毕后教师可以给小学生布置一篇日记，让小学生借助星期天的时间对自己家乡的山水进行游历，用日记的形式记录下自己家乡山水的美好，抒发一下自己对家乡风光的热爱之情。这样小学生就会在自己经验的基础上写出自己游玩的经历以及自己眼中家乡山水的美好，表达自己的真情实感，从而达到对课文情感的把握。
三、加大学生的续写训练
小学生作为一个比较活跃的群体，具有丰富的想象力和创造力，这是小学阶段学生特有的优势，因此在阅读教学的过程中要充分挖掘小学生的想象力和创造力。语文作为一门具有艺术性和生命力的学科，在教学的过程中应当具有活泼的氛围和鲜明的课堂，启发学生在教学课堂中的活力。在课程讲解的过程中要引导学生发挥自己的想象力，深刻领悟课堂教学中的境界和作者的思想情感。在小学语文阅读的教学中，利用读写结合的方式开启学生的无穷的智力和想象力，尊重学生的想象力，鼓励学生利用自己的想象力进行写作和练习。例如，在二年级上册《神秘的恐龙》课程的教学中，在文章的最后作者对于恐龙的灭绝所发表的观点最后使用省略号。首先要让小学生明白课文中省略号的使用寓意，然后让学生发挥自己的想象力，让学生简答的发表一下自己对恐龙灭绝的看法，不论学生讲的对错，都应当尊重学生的想象力。教学任务完成后，教师可以利用课文中的契合点，给学生布置一篇续写任务，让学生充分发挥自己的想象力，勇于表达自己内容的真实想法，让学生在想象力表现在写作当中，不仅能够丰富学生的想象力，还能够提升学生的写作水平和综合表达能力。
四、结语
阅读和写作作为小学语文教学中的重要组成部分，对学生语文综合能力的培养具有十分重要的地位和作用。阅读和写作作为小学语文阅读中的重难点，只有培养学生的阅读和写作能力共同发展，才能够提高小学生的语文学习水平，真正做到读写结合的学习模式。小学语文阅读教学中的读写结合教学方式能够将小学生的阅读、写作和思考三者恰当地融合起来，共同提升小学生的语文学习能力和学习效率，培养小学生的语文综合素养，为以后的语文学习奠定良好的基础。
参考文献：
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读写器设计论文 篇7
关键词：分形,圆极化,超高频,微带天线
0 引 言
无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是一种借助于电磁波传播和感应而进行的自动识别技术,该技术作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础,被列为21世纪十大重要技术之一。目前已广泛应用于物流管理、动物识别和电子收费等领域[1,2,3,4]。无源UHF RFID技术具有工作距离远和数据传送速度快等特点,被认为是最具有应用前景的RFID技术[5,6]。在UHF RFID系统中,天线性能的高低直接影响系统的识别距离,是一个非常重要的器件。随着UHF RFID技术的发展,小型化、高增益、低成本的天线越来越受关注。在众多可适用于UHF RFID系统阅读器的天线中微带贴片天线因其结构简单、便于加工制作而被更多的研究和应用。传统的矩形微带贴片天线尺寸为谐振频率的半波长,天线的尺寸受到严格的限制。可以通过提高介质基片介电常数、加载短路探针、加载缝隙等方法实现贴片天线尺寸的减小,但是天线的性能会受到很大的影响,尤其是天线的增益和带宽。本文在这样的背景下设计了一款小型化、高增益微带天线。该天线基于Minkowski分形结构,并在其基础上通过矩形切角来实现圆极化,满足UHF RFID系统对天线的要求[7,8]。该微带分形天线的中心工作频率为915 MHz,增益最大可以达到6.15 dBi,-10 dB阻抗带宽为905～930 MHz,物理尺寸为140 mm×140 mm。仿真结果和测试结果吻合较好,从而验证了本文设计的正确性。
1 天线的设计
分形结构通常是按照一定的分形因子对初始单元进行自相似迭代生成的,初始单元决定了分形图形的框架,分形因子决定了分形图形的内部结构。Minkowski分形边界的构造过程如图1所示。
设初始贴片的直线边长为a,分形因子IF=1/n,即贴片直线边中央挖去的矩形区域宽度为a/n,设挖去的矩形区域深度为b,即挖去一个a/n×b的矩形区域,深度和宽度之比:
对于矩形微带贴片天线单元M0、一阶Minkowski分形贴片微带天线单元M1和二阶Minkowski分形贴片微带天线单元M2而言,M1和M2是在M0的基础上分形而来,贴片总尺寸不变,如图2所示。不同的分形因子1阶Minkowski分形贴片微带天线如图3所示。
通过研究发现,Minkowski分形贴片微带天线具有良好的尺寸缩减特性,可以谐振于更低的频率,随迭代系数的增加谐振频率逐渐降低,但是当迭代系数超过2时,谐振频率的降低趋于缓慢,并且加工难度也随之增加。因此迭代系数一般小于2。
本文设计的读写器天线以FR4(介电常数为4.4,介质损耗因数为0.02)为介质基板,中心频率为915 MHz,其结构如图4所示,由一个矩形非对称切角的1阶Minkowski分形贴片、金属底板、一个探针和FR4介质板构成。FR4介质板的厚度为1.0 mm,大小为140 mm×140 mm,辐射贴片的大小为135 mm×135 mm,分形矩形的大小为34 mm×34 mm。当前的圆极化微带天线多采用对称等腰直角三角形切角的方法,从工程应用角度出发,采用更易加工和调整的对角线上非对称正方形切角的方法来实现圆极,切角矩形大小为16 mm×16 mm。金属地板采用200 mm×200 mm的铝板。为了增加天线带宽、提高天线带宽、提高天线增益和降低天线成本,在FR4介质板和地板之间设置了空气层,空气层厚度为6.0 mm,其结构如图5所示。微带贴片天线为侧馈,单元与馈线之间需要匹配网络,这无形当中就增加了天线的尺寸。本文设计的微带分型天线采用50 Ω同轴线的背馈方式。这种方式无需阻抗匹配网络,通过调整馈电端口在x轴的位置即可实现阻抗变化,从而进一步减小了天线的尺寸。
2 天线的仿真和测试结果
通过ANSOFT公司的电磁仿真软件HFSS 11.0对该读写器天线进行仿真与优化,天线的回波损耗S11参数仿真结果如图6所示。从图中可以看到天线在900～925 MHz之间回波损耗小于-12 dB,阻抗带宽为8%,满足了UHF RFID系统的要求。
天线具有较好的方向性,最大工作增益可以达到6.15 dB,如图7和图8所示。图9所示的轴比参数仿真图表明该天线基本满足了圆极化的要求。
图10所示为天线加工实物图,最后利用安捷伦公司的矢量网络分析仪N5230A对该天线进行了测试,测试结果如图11所示。|S11|<-10 dB的工作带宽在905～930 MHz之间。实测结果和仿真结果基本一致,得到预期的结果。
3 结 语
随着UHF RFID技术的发展,小型化、高增益、低成本的天线成为研究的重点。本文提出了一种用于UHF RFID读写器的圆极化微带天线。该天线性能良好,符合RFID系统的工作要求,此外通过以单一的馈电结构以及在贴片和地板之间加上空气层介质,降低了天线的实际制作成本,仿真结果和测试结果吻合较好,验证了设计的正确性。
参考文献
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读写器设计论文 篇8
对于读写器天线阻抗的匹配, 研究已经转向自动匹配方面, 并有了比较成功的案例。一般来说, 阻抗失配信息通过检测反射系数、电压驻波比或节点阻抗来获取[8,9]。本文通过切换电容网络、扫描解调点电压来获取天线发射最大幅度, 获取最佳匹配电容和实现射频前端电路阻抗与天线阻抗的自动匹配。
1 自适应天线匹配低频RFID读写器架构
完整的低频RFID系统包括电子标签、读写器以及远端数据处理计算机三部分[10], 其工作原理如图1所示。电子标签也就是RFID射频卡, 具有智能读写及加密通信的能力。电子标签包含天线、匹配网络、充电模块、传输算法模块、存储模块等。低频读写器由天线、无线匹配模块、读写器芯片和微处理器组成, 通过调制的射频信号向标签发出请求信号, 标签回答识别信息, 然后读写器把信号送到计算机或者其他数据处理设备。
自适应天线匹配低频RFID读写器系统在基本的低频RFID读写器系统的基础上进行了功能扩展, 该系统主要由微处理器模块、功率放大、自适应电容匹配网络、低噪声放大、正弦波均方根检测、模数转换器、天线以及相应的处理程序和算法组成, 如图2所示。该系统比基本的低频RFID读写器系统多了3个模块:自适应电容匹配网络、正弦波均方根检测和模/数转换器。其中正弦波均方根检测和模/数转换器是为了检测天线发射信号的幅度, 并转换成数字量存储到微处理器;自适应电容匹配网络是用来调节射频前端电路阻抗与天线阻抗的匹配效率。
2 解调点电压采集
解调点电压采集电路的主要任务是实现天线发射信号的正弦波均方根检测和模/数转换, 在电路设计上充分运用高度集成专用集成电路, 仅需要较少的电阻、电容等外围器件就可以完成相应功能, 使采集电路小型化并尽量降低电路的功耗。完整的采集电路如图3所示。
AD736是一款低功耗、精密、单芯片真正弦波均方根检测电路。能够直接将正弦波转换为直流输出, 直流电压就是该正弦波的均方根值Vrms, 该正弦波的幅度Va可以由式 (1) 表示:
该芯片采用正弦波输入时最大误差为±0.3 m V。另外, 它能以高精度测量广泛的输入波形, 包括可变占空比脉冲和三端双向可控硅 (相位) 控制的正弦波。因此当天线上发射信号存在畸变, 变成三角波等含有高次谐波的信号时, 一样可以检测出其幅度。该芯片可以计算交流和直流输入电压的均方根值, 因此当检测信号存在直流分量时, 该芯片也可以检测出相应的幅度。此外在设计时, 增加了一个外部电容, 它作为交流耦合器件工作。这种模式下, 即使存在温度或电源电压波动, AD736也能分辨均方根值100μV或更低的输入信号电平。对于波峰因数为1~3的输入波形, 也同样能保持高精度。
模/数转换电路采用ADS1113, 该芯片具有16位分辨率的高精度模/数转换器 (ADC) , 采用超小型的MSOP-10封装。ADS1113在设计时考虑到了精度、功耗和实现的简易性。ADS1113具有一个板上基准和振荡器。数据通过一个I2C兼容型串行接口进行传输。
3 自适应匹配电容网络
天线匹配电路如图4所示, 通过计算阻抗匹配计算相应的电阻和电容值, 可以实现长距离的天线匹配和各类天线布局要求。将图5中电容矩阵代替图4中C4、C5构成可调节天线匹配网络。由于天线电感值的变化在一定的范围, 不可能从0到无限大, 因此可以根据实验初步确定最大电感为Lmax, 由此可以在电容矩阵连接一个不需要断开的电容C_M, 其他的电容可以通过微处理器输出控制信号D1、D2…D8控制MOS开关来确定是否连接该电容到天线匹配网络。MOS开关比普通的继电器开关体积小、成本低。但是在开关断开期间, 开关引脚之间、信号引脚与地之间都存在一定的寄生电容。这些寄生电容使得电容矩阵的调节范围产生变化, 因此在设计电容矩阵式时需要将这些寄生电容也考虑进去。电容矩阵中每个电容值的确定可以采用二进制累进方法, 即C_D1的容值为C, C_D1的容值为2C, C_D3的容值为4C, 以此类推, C_D8为128C, 总共可以构成256种可配置的电容值组合。在实际工作中通过扫描所有的256种组合, 选择其中最佳的组合作为匹配网络, 以达到最佳发射效率。
4 自适应匹配方法与软件设计
自适应天线匹配低频RFID读写器系统软件设计的流程图如图6所示。为了保证正弦波均方根检测电路和后续的模拟/数字转换器电路有足够的稳定和转换时间, 确保采集的天线发射信号的幅度准确稳定, 在读取过程中需要加入多个延时。程序中需要设置专门寄存数组用于存储读采集的256组发射信号幅度, 在读取完成全部256组数据以后, 再将256组数遍历一遍, 找出其中最大的一组。根据最大的一组所对应的位置, 设置相应的电容矩阵, 获取最佳匹配电容和实现射频前端电路阻抗与天线阻抗的自动匹配。通过使用微处理器MSP430提供的在线可编程功能, 直接通过USB-JTAG转接模块, 在计算机上调试仿真并下载微处理器。本系统采用高级语言C51编程, 程序的可读性和可移植性较好, 并兼顾程序的编译效率。此外, 还可以通过笔记本计算机直接在现场修改程序, 对功能和参数进行现场调整, 这种方式给工业仪器仪表中参数修正和软件升级带来了极大方便。
5 实验分析
实验分析分为两部分。第一部分实验:选取10种天线, 这10种天线的电感依次为300μH、400μH、…1 200μH。依次连接在自适应天线匹配低频RFID读写器系统上, 启动自适应程序, 系统成功配置电容网络, 配置的电容网络等效电容值和谐振频率如表1所示。从表1可以看出, 自适应匹配后的网络的谐振频率基本都在134 k Hz左右 (偏差不超过0.5%) , 即低频RFID系统工作的频率, 也就获得到最大的发射功率。
第二部分实验:将完整的自适应天线匹配低频RFID读写器和普通的低频RFID读写器分别放置在水中, 此时读写器的天线电感将发生变化, 普通的低频RFID读写器的读写距离明显减少, 而自适应天线匹配低频RFID读写器的读写距离仍可以保持原来的水平。
本文设计了一种自适应天线匹配低频RFID读写器, 该读写器集成了发射幅度检测电路和匹配电容矩阵以及相应的扫描和设置软件。通过实验测试, 该系统运行良好, 大体实现了不同电感天线的发射匹配要求, 比普通读写器更能适应水中工作。该设计方法还有进一步的改进空间, 例如根据更多环境下的实验了解天线电感变化的范围, 优化电容矩阵结构, 提高匹配效率。该技术还可以移植到高频和超高频RFID系统中。
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读写器设计论文 篇9
射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是从20世纪80年代兴起并逐渐走向成熟的一项跨学科的综合应用技术。射频识别是利用无线电波对记录媒体进行无接触读写,射频识别的距离由几厘米至几十米,且根据读、写的要求,可输入数千字节的信息,同时还具有极高的保密性。该系统广泛应用于交通管理中的自动收费和车辆自动识别、门禁控制、物流跟踪识别、各种消费卡及智能身份证等领域。
无源射频识别系统一般由应答器(智能卡或电子标签)、读写器(基站)以及数据交换、管理应用系统等组成。射频识别系统的数据存储在应答器中,其能量供应以及与阅读器之间的数据交换是由各自天线通过电磁波的无线传输实现的。读写器的天线在标签供电和信息传输中起着关键作用,因此研究天线设计有着重要意义。射频识别系统种类繁多,按工作频率分为中低频、高频、甚高频和微波等波段,绝大多数的射频识别系统依据电感耦合原理进行工作。本文主要讨论工作在高频段、典型值如13.56 MHz无源射频识别系统读写器天线的设计方案。
1 RFID系统天线模型及参数计算
在高频段,由于工作电磁波的波长远大于识别距离,读写器和应答器之间可等效为变压器耦合方式,与读写器相连接的天线相当于变压器模型中的初级线圈,标签上的天线相当于次级线圈。应用于该波段的天线以小型环形天线为最佳选择。小型环形天线是指天线的周长小于波长的四分之一。大型环形天线因为尺寸比较大,所以电流在圆环上的分布变化较大,而小型环形天线电流的分布基本是一致的。
为了推导在次级线圈感应的能量,须先给出环形天线在近场下的磁场公式。可采用毕奥—沙伐定律得出近似的小型环形天线的磁场公式。毕奥—沙伐定律直接将产生的磁感应强度B和电流I的分布相联系。如图1为小型环形天线的磁场分布示意图。
假定有均匀电流流过单匝的线圈,由毕奥—沙伐定律:
各电流元的磁场方向不同,可分解为d
式中,μ0=4π×10-7 H/m。
当空间点到天线的距离和天线半径接近时,
对于N匝线圈来说,可计算出沿线圈轴(X轴)方向某点的磁场强度为:
式(3)是基于近场下小环形天线的磁场公式,给出了在一定距离上的最大能量,从而也提供了最大响应距离。
对于给定的变压器模型,当磁场稳定不变时,通过一定面积S2的互感磁通量为:
ϕ12=∮2B1dS2=μH1S2cosψ。 (4)
式中,ψ为磁力线和表面法线的夹角。互感L12可用互感磁通量来表示:L12=N2ϕ12/I1。在线圈2上产生的互感电压为:
由楞次定律,在次级线圈上将感应出一个电流I2来阻止磁通量的变化,线圈2上产生的自感电压为:
读写器天线属于单圈发射小型环形天线,自感可近似表示为:
式中,R为线圈半径;a为导线的半径,且a<<R。
天线的效率取决于辐射电阻和损耗电阻。一般来说,单圈小环天线的损耗电阻比其辐射电阻大得多,因此,辐射效率低,且与损耗电阻有关。通常为提高效率而使用多圈圆环天线。射频标签天线属于多圈接收小环天线,其自感为:
次级线圈天线自身欧姆电阻产生一个附加的压降VRL2=I2RL2,另外,N匝小型环形天线自身损耗电阻为:
式中,
将互感产生电压减去自身电感产生电压和自身欧姆电阻产生的压降,就得出了次级线圈两端的电压值,即V2=V1→2-V2→2-VRL2,将V1→2、V2→1、VRL2代入得:
V2=jωN2μ0H1S2cosψ-I2(jωL2+RL2)。 (10)
相同的关系式由次级线圈在初级线圈产生的电压表达式为:
V1=jωN1μ0H2S1cosψ-I1(jωL1+RL1)。 (11)
由式(10)可以看出,标签天线两端的电压由读写器天线发射的磁场、射频标签天线自身参数和射频标签内部电路消耗的电流共同决定。当读写器天线发射功率一定时,某点的磁场强度就决定于该点与读写器天线的距离,为了获得较大的能量,射频标签越靠近读卡器天线效果就越好;而在特定的距离,要获得尽可能大的能量供应射频标签内部电路工作,标签天线的设计应该尽量减小天线自身欧姆电阻VRL2。另外射频标签为了获得较远的工作距离,标签内部电路应该尽量降低消耗电流I2,所以要求设计低功耗电路以实现较远的工作距离。
2 天线的设计
2.1 读写距离
对于单个500 mm×500 mm的天线,当输出功率为800 mW的时候,读卡距离可以达到500 mm。而对于利用双天线的读卡器,其读卡距离可以覆盖大约1 m的范围。一般情况下,输出功率和天线外形尺寸均影响着读卡距离的远近。在设计读写器时,为了达到较远的读写距离,尽量提高读写器的输出功率和天线的尺寸。另外,对标签进行写操作的有效距离一般为读操作有效距离的70%左右。
2.2 电子标签的方向性
由于无源电子标签是通过和读卡器天线通过磁场耦合来获得能量,所以标签的方向性直接影响到耦合系数,进而影响到能量的获取和通信的可靠性。
当标签的方向性达到最优,即和读卡器天线处于最佳耦合时,磁力线与电子标签成直角,电子标签面对天线,能获得最好的读写效果。但是,如果将电子标签移动到天线的两侧,这时标签的放置位置和磁力线的方向平行,即此时的方向性最差,读写效果也最差。
2.3 天线尺寸
场强是表征读写器输出功率的一个重要因素。ISO/IEC15693协议中规定,为了实现对标签的正常操作所必须的场强为100 mA/m。不同尺寸的天线,其磁场强度不同。实验表明,小型天线附近的磁场强度要大于大型天线附近的场强,而当距离天线逐渐远的时候,小型天线的场强就会比大型天线降得更快。当天线距离大于1 m时,场强将会很小。
2.4 天线的品质因数
天线的性能与天线的品质因数密切相关。通常对于尺寸一定的天线,Q值越高,输出的功率就越大。但是过高的Q值又与读写器的带宽相冲突。所以,为读写器天线选择合适的品质因数很重要,Q值既不能过大使信号带宽过窄少,也不宜太小影响标签的能量供应。
根据数据传输速率和所使用的编码、调制方式,可计算出所需要的大致带宽BBW。国际标准ISO14443规定的近耦合IC卡系统使用ASK调制方式,由经验法则可用以计算ASK调制系统的带宽为:
BBW×T=1。 (12)
式中,T为载波系统在调制时的接通时间。
在ISO/IEC 15693协议中规定的2种副载波频率均在400 kHz左右,所以要求天线带宽必须大于1 MHz。在图2中标出了天线品质因数和3 dB带宽的关系,而且指出了2个副载波频率点,实线频率为484.29 kHz,虚线频率为424.75 kHz。可以看出,当天线负载为50 Ω时(即读写器输出阻抗),Q值应当选为30或更低。
天线初步设计完成后,可以通过使用频谱分析仪测量天线品质因数得到天线的带宽。如果天线带宽不符合要求,需要通过加并联电阻的办法进行调整,电阻值为:
式中,设天线的谐振电阻为Rpar,理想的品质因数为Qrequired,Rpar=2πfLQrequired;利用频谱分析仪实测的天线品质因数为Qantenna,响应天线的阻抗为Rantenna=2πfLQantenna。
2.5 天线匹配网络设计
在天线的设计过程中,必须使天线的输入阻抗和同轴电缆的阻抗(50 Ω)相匹配,所以在天线设计完成后,需要使用匹配网络进行阻抗匹配。常用的匹配网络有变压器匹配网络和Gamma匹配网络和电容匹配网络。 图3所示电路为常用的天线电容匹配网路示意图。图中将电缆线的标准阻抗RL通过2个串联的电容C1和C2,与天线等效电感L进行匹配。
回路谐振角频率为:
2.6 环境对天线性能的影响
读写器和标签所使用的工作频率受限于政府无线电波管理的相关规定,以避免与其他系统的相互干扰;读写器天线所处的周围环境如有电噪声,通常会影响读写器接收性能并减小读写器的读写距离,对读写器天线的朝向稍做改动,或外加接地和屏蔽可以减小其影响;电感耦合式射频识别系统的读写器天线附近的金属会给天线性能带来负而影响,磁场不能穿透金属或其他导磁材料,金属物的出现会改变读写器天线附近磁力线的形状,导致金属表面磁通量衰减,读写器天线发出的能量被金属吸收,读写距离减小,所以金属物体要尽量远离读写器天线至少在工作距离之外;临近其他天线的存在,由于相互电磁感应的原因,将对彼此的性能产生负面影响。
3 结束语
无源射频识别系统一般工作在低辐射功率条件下,因此天线性能的优劣直接关系到系统工作性能参数能否达到预期目标的要求,受到系统低成本、易推广等固有属性的制约,如何用尽可能少的开销实现天线与系统性能的良好匹配,始终是系统设计人员的不懈追求。工作在不同频段的RFID系统,由于应用条件的差异,其天线的等效模型和设计方法不尽相同。本文提出的高频读写器天线的设计方法,兼顾了其理论要求和实际环境,具有一定的实践指导意义。
摘要：基于无源电感耦合RFID系统的工作模式,推导出高频段读写器近场小环形天线的磁感应强度和天线端电压的算法,提出一种天线的设计方法,并对其主要参数的选定、工作性能受工作环境的影响等问题进行了分析。工作在不同频段的RFID系统,由于工作条件的差异,其天线的等效模型和设计方法不尽相同。所提出的高频读写器天线的设计方法简便、有效,适于读些距离小于1m的应用环境,可作为工程设计的参考依据。
关键词：射频识别,读写器,小环形天线
参考文献
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[4]游战清.无线射频识别与条码技术[M].北京:机械工业出版社,2006.
手持式RFID读写器研究与设计 篇10
关键词：RFID,读写器,USB-WLAN
1. 读写器综述
射频识别技术RFID (Radio Frequency Identification)是一种非接触式自动识别技术。近几年来,RFID技术在物流领域、服务领域以及国防等其他方面得到了快速的普及与推广。与此同时,随着微电子技术、计算机技术的发展,各式各样的RFID系统相继问世。
RFID系统通常由电子标签、读写器和后台计算机组成。读写器通过天线发送出一定载频的射频信号,在有效的作用范围内,电子标签通过电磁耦合捕获相应能量,并将芯片内存储的自身相关信息通过天线发送到读写器,完成一次读取操作。读写器主要负责读写电子标签,处理(或不加任何处理)标签信息,以及与后台计算机通信。
上位机即后台计算机和读写器之间可以使用多种通信方式,传统的RFID读写器普遍使用串口与上位机连接,比如基于串口通信协议RS-232。位于读写器中的处理器一般采用以单片机作为主控芯片,速度比较低,运算能力上不能满足日益增长的对信息快速处理的要求。
本文重点讨论一种手持式读写器的设计方案,使得读写器具有无线接入互联网的功能。基于上图1所示,本设计使用一种基于ARM9内核处理器S3C2410,运算速度快,信息处理能力强,并结合54M USB无线网卡,方便地无线接入网络,大大扩展了系统的应用范围,提升了读写器的市场竞争力。
2. 系统硬件设计
读写器总体硬件架构如图2所示。
针对于本文手持式读写器的设计要求,核心处理器采用三星公司的S3C2410。该处理器是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器,主要面向手持设备以及高性价比,低功耗的应用,运行的频率可以达到203MHz。处理器上集成了很多重要的模块,接口资源丰富,并支持多种总线。处理器设计有2个USB主机接口,1个USB设备接口,网卡可以直接通过USB HOST PORT接入,很方便于完成设计。
射频识别模块部分采用MF RC500,负责与电子标签的射频通信,通过并行数字接口直接连接到处理器。设计Linux下MF RC500专用驱动程序实现操作系统对其硬件操控,从而实现对电子标签数据的读取与写入。
系统采用支持IEEE802.11g协议的54M USB无线网卡。由于S3C2410直接集成USB HOST控制器,网卡可以直接接到处理器上,而无需添加额外的控制芯片。MF RC500负责与电子标签通信;USB无线网卡负责进行网络通信,上载电子标签信息,下载相关数据或命令。两者由S3C2410处理器统一调度。
系统使用64M NAND FLASH作为存储器,存储读写器上电后运行所需要的系统软件部分BOOTLOADER、LINUX KERNEL、FILESYSTEM。系统中的串口、USB DEVICE接口、JTAG接口等外围部件主要在开发调试时使用。人机交互使用触摸式显示屏。
2.1 MF RC500接口设计
读写器的RF前端子系统主要负责对电子标签数据的读取与写入。核心芯片MF RC500由飞利浦公司生产,主要应用于13.56MHz射频信号的产生、调制、解调、安全认证和放碰撞等功能。MF RC500支持ISO14443A所有的层,适用于各种基于ISO/IEC 14443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。
如图3所示即为MF RC500与处理器S3C2410的硬件接口电路图。MF RC500支持不同的微控制器接口。在这里使用S3C2410的nGCS7去连接引脚NCS以选择MF RC500芯片。S3C2410有丰富的地址数据总线,将MF RC500的ALE脚连接到高电平,以使用独立的地址和数据总线。芯片自带的智能检测逻辑可以自动适应系统总线的并行接口。在上电或硬件复位后,MF RC500也会复位它的并行微控制器接口模式,并检查当前的微控制器接口类型,通过复位后控制引脚的逻辑电平来识别微控制器接口。
2.2 54M USB无线网卡接口设计
54M USB无线网卡是本文设计的读写器具有手持式接入网络功能的关键设备。鉴于市面上大部分11M无线网卡已经停产或即将停产,本读写器设计时直接使用具有更高网络接入性能的54M网卡,并通过USB HOST PORT接入。
USB系统中,各种USB设备要与主机相连,就必须通过一个共同的接口接入主机,这个接口即是USB主机控制器(USB Host Controller)。处理器S3C2410内部已经集成了USB HOST控制器,从处理器引线出来可直接扩展接口。S3C2410可以支持两个USB HOST通信端口。
下图4即为一个典型的接口扩展电路
图4 USB接口扩展电路(参见右栏)
USB接口可以从主机处理器上获得500mA电流,支持热插拔。USB协议中规定有四条引线,即两条负责数据传输的信号线和两条供电线。USB通信模型采用主从式结构,通信双方必有一方在通信中担当主机角色。54M USB无线网卡通过处理器USB端口直接接入系统。
3. 系统软件设计
读写器硬件搭建起来后,需要建立软件平台。本文设计以嵌入式Linux作为操作系统。这是由于Linux是一种内核源码公开的多任务操作系统,具有开放度高,安全性好,稳定性强,可移植性好等特点,在手持式设备中被大量使用。本文主要讨论在原来系统Linux内核基础上主要完成MF RC500芯片驱动程序,54M USB无线网卡驱动程序并激活配置,触摸屏显示等其他驱动程序。并在此基础上完成上层应用程序开发。
驱动程序可以看作是应用程序和底层硬件之间的一个软件层,它使得应用程序无需考虑硬件细节,提供了用户空间操作硬件设备的标准接口。Linux系统将设备分为字符设备,块设备和网络设备。本文涉及的MF RC500驱动程序可以看作字符设备,无线网卡属于网络设备范畴。
3.1 MF RC500驱动程序
Linux对于字符型设备操作进行了统一的抽象。MF RC500不挂载文件系统,故而可以使用字符设备描述。字符设备提供给应用程序的是一个流控制接口,主要包括open,release,read,write,ioct1等。这些操作统一定义在结构体file_operation中。
在标准的文件操作中,ioct1 ()负责设备的I/O控制。MF RC500正常工作涉及若干寄存器,对其进行的操作都封装在ioct1 ()中。MF RC500共有64个寄存器,8个寄存器为一页,每页的第一个寄存器为页面寄存器。其他的与数据发送接收所涉及到的有命令寄存器,发送控制寄存器,FIFO数据寄存器,中断允许寄存器,InterruptRq寄存器等。按照驱动程序设计“机制”与“策略”相分离的原则,将对寄存器的底层操作排列交给驱动程序,而将MF RC500使用的软件流程即“策略”交给应用程序。
3.2 无线网卡功能实现
Linux对于网络设备的驱动程序遵循通用的接口,设计时采用的是面向对象的方法。一个设备就是一个对象(device结构),它内部有自己的数据和方法。每一个设备的方法被调用时的第一个参数都是这个设备对象本身,这样这个方法就可以存取自身的数据。一个网络设备最基本的方法有初始化、发送和接收。
无线网卡的软件包括无线网卡固件(Firmware)、无线网卡驱动程序(Driver)和无线网卡配置管理程序三部分。驱动程序需要在固件的帮助下完成底层驱动。固件是基于物理层和驱动程序之间的最基本的控制系统,主要基于MAC芯片来实现对整个网卡的控制和管理。在嵌入式系统中,IEEE802。11提供的服务,包括认证、解除认证、登录、重登录等均由固件完成。固件为无线网卡的驱动程序提供软件编程接口,但对于不同的芯片,它们的固件和寄存器相关设置存在很大的差异,因此驱动程序要针对不同的无线网卡芯片进行单独的设计。除了要完成对下层的控制外,无线网卡驱动还要向上层应用程序和管理程序提供操作和配置无线网卡的应用程序编程接口,以实现其网络传输功能。
无线网卡驱动程序要完成向内核注册程序,建立设备驱动索引,根据索引寻找相应的驱动程序,下载固件并注册一个新的无线网卡设备。使用ifconfig命令设定网卡地址,iwconfig命令查看无线网卡状态,ping命令测试网络是否连通。
4. 总结
文章从硬件架构到软件实现讨论了一种基于ARM技术的手持式RFID读写器。读写器射频模块MF RC500直接挂载到处理器,其与电子标签通信的相关数据由54M USB无线网卡与网络进行通信。无线接入功能使得RFID读写器在高速发展的信息时代有着更广的应用前景和更强的竞争力。
参考文献
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读写结合，创新读写 篇11
一、如何培植学生读写的基点
学生的作文是否有创新意识，取决于他们知识面的宽窄，生活经验是否丰富，但这一切又都由“兴趣”主使，其实孩子的表现欲很强，而且也有很强的表达能力。他们观察世界有独特的视角，对事物奇异的想象也常使大人自叹弗如。其中抓住兴趣这一触发点，就能激发孩子潜在的写作能力。
1.设立“每周话题”让学生上台练说
为了扫除孩子从“说”到“写”的障碍，我在班级里设立了“每周话题”，并提前将话题告诉学生，诸如“自我介绍”“家庭成员介绍”“我的生日”“我家的喜事”等。这样让学生的表达有对象、有目的，可利用晨会课的时间，挨着学号上台练说。讲得不好的同学我可以提醒他，对说得好的同学我大加表扬。学生积极性高了，话题准备更充分了，话题内容更丰富。在练说的过程中，我有意识地教他们先说什么，后说什么，使孩子们感到说一段话并不难。渐渐地，他们胆子大了，也越来越爱说了。
2.开设“每天一读”让学生大量阅读
大量阅读是积累语言的主要途径，我在教学中注意引导学生尽量扩大自己的课外阅读面。我为学生列出课外阅读推荐书目，学生根据自己的爱好、兴趣，有选择地多读、广读，并且还指导学生课外看到的优美句子及时摘录在自己的记录本子上。为了提高学生的阅读兴趣，我坚持每周举行一次好词好句、好段好篇欣赏会，并自我梳理，归类“入库”。每半个月进行一次集体交流，每学期进行一次较为彻底的“翻箱倒柜”，使积累的语言文字不至于“发霉烂掉”，从而提高积累的长久性，既帮助学生积累了大量的语言素材，扩大了视野，还吸取了广博的知识。
二、如何搭设读写的支点
1.语言形式的仿写
教材中的选文基本上是一些文质兼美的典范文章，是学生语言学习的范本。对文章中作家个性化言语的品味，除了结合语境细细揣摩之外，就是进行形式仿写。
言语形式的仿写包括句式仿写与段落仿写。句式仿写对象为比喻句式、拟人句式、排比句式、“复说”句式等既具有形式感又具有较强表现力的句式（句式仿写主要适用在低年级进行）。段式仿写对象为排比句段、承接句段等一些形式感较强表达效果独特的句段。句、段仿写的理想状态为：初仿不脱离课文语境，在课文语境中进行言语实践，深化文本理解与言语感悟；二仿迁移到课外，以所仿句式、段式表现生活情景，达到运用的目的（段式仿写适合在中高年级进行）。
2.语言材料的仿用
将课文情境中的某些言语材料提取出来，用来表现其他生活情境，就是一种“移植”，所谓“言语材料的仿用”。对言语材料的调适与重组。这是学生对课文言语的内化过程、建构过程，其积累意义远大于传统的读读、背背。
《祖父的园子》课文节选自著名作家萧红的《呼兰河传》，全篇以轻快、优美的文笔详尽地展现了祖父园子的勃勃生机。园子里的所有生命都是那么无拘无束；祖父又是那么宽厚仁爱；尤其是童年的“我”，在这园子里自由自在、快乐无忧。其中课文第16节排举了大量事物细致描写了园子里所有生命的自由自在，文笔清新活泼，句式上都采用“愿意怎样，就怎样”，这样的句式特点和语言特色，很值得学生模仿，感受语言美、情感美。我们可设计这样的小练笔：请仿照第16节的句式规律，写一写自己童年生活中自由快乐的一个场景，可以是一处景，也可以是一个难忘的生活片段。
三、如何寻求读写的亮点
要培养学生的创造性习作思维，教师应有创造性的教学技巧。
1.边做边写
在练习写作时，注意动手动脑，加深情感体验，展开自由想象，边做边写。有一次我带领学生阅读有关地球知识的读物后，把学生分成几组，地球用泡沫塑料、牙签、颜料、胶水等做个模型。有个小组选了“热带雨林”他们用一块放行的塑料做好了树干、树枝、树叶等，这样粘来粘去，一座“热带雨林”的模型做好了，还有一组是“沙漠”。看着他们精心设计的模型，听着他们奇特的想象，我首先表扬了他们，而后激励他们“这么出色的模型，如果能配上文字说明该有多好啊！”孩子听了奋笔疾书，一篇篇异彩纷呈的习作诞生了。我请学生当堂读一读，不仅送与了夸奖和微笑，同时趣味也更浓了，也更乐于动手、动口、动笔了。
2.写“不经意作文”
所谓“不经意作文”，就是每一次作文训练都是在学生不知不觉中进行的，等到他们知道是写作文时，作文练习已经完成，作文教学的目标亦已达到。
我们可以经常捕捉他们生活的浪花，即时指导学生练习。一天，一个小朋友十分漂亮地出现在我的面前，原来她今天过生日。正好本学期也有一篇习作“介绍一位熟悉的人”我便把这名学生带到讲台前说：“同学们，她今天漂亮吗？谁能说说她怎么漂亮？”学生纷纷举手，我提醒学生：“要注意说的顺序，重点介绍同学的身材、长相、神情及衣着。”在学生充分练说的基础上，我让学生以《漂亮的——》为题，把刚才说的写下来。这种又生活的浪花引发出的作文训练，使学生在不知不觉中掌握了训练的要求，整个过程自然而富有情趣。经常进行这样的练习，可以培养学生留心生活的习惯。
读写结合更多训练类型的创生需要我们进行不断探索。朱作仁先生说，读写结合是一座“富矿”。相信只要我们不断开掘，它定会为我们的语文教学注入勃勃生机。
一种近距离RFID读写器的设计 篇12
关键词：RFID读写器,MFRC522,PIC单片机
RFID读写器由于读写距离的不同、频率的不同而有不同设计方法, 近距离读写器在日常的生活中具有广泛的应用。然而多数的读写器体积较大, 在手持移动设备终端中应用不方便。本文介绍了一种小体积的RFID读写器设计方法, 可以嵌入智能仪表、移动终端中, 应用灵活、方便。
1 RFID读写器硬件设计
RFID读写器主要由MFRC522和微控制器及天线组成。MFRC522是一款低功耗、低电压3.3V (2.5~3.6) 、低成本、小尺寸 (5mm×5mm) 的符合ISO14443A协议的专用读写MIFARE卡的芯片, 内部有8x64bit的FIFO缓冲器, 具备CRC校验功能, 适合用于智能仪表及手持设备的数据采集和处理。微控制器主要用来控制MFRC522来实现对外部卡片的读写, 一般使用单片机来完成。
读写器的硬件电路设计主要处理好通信与发射电路的设计。MFRC522与单片机的通信采用SPI方式, RC522可以支持高达10Mbit/s的SPI通信速度, 相对不用UART方式的好处在于可以更高的速度进行通信。读写控制用的单片机因处于高频环境中, 因此要考虑抗干扰能力强的芯片, 本文采用PIC单片机PIC16F72, 保证系统稳定可靠运行。电路参考图如图1所示。
2 读写器软件设计
2.1 微控制与RC522的通信流程
相对于Philips公司生产的其他芯片如RC500、RC530等, RC522简化了内部系统结构, 去掉了片内E2PROM。从而大大缩减了芯片命令集。另外, 对载波调制电路、发送电路和解调、解码电路的控制也相应简化, 去掉了校准接收电路I时钟、Q时钟、校准发送与接收时钟相位等繁琐的操作。一般而言, 微控制与RC522的通信流程如下:
(1) 读写通信相关寄存器, 设定通信参数;
(2) 写命令和数据到RC522的FIFO;
(3) 写命令寄存器, 开始通信;
(4) 读检测状态寄存器, 进行相应操作;
(5) 结束返回通信状态字指示通信结果情况。.
根据RC522和MIFARE卡间传送的控制流数据的不同, 通信过程中可能会出现不同的状态。对各种状态须作不同处理, 这正是软件设计的难度所在。在RC522命令集中有2个基本命令 (Tranceive和MFAuthent) , 这两个命令分别实现向MIFARE卡发送/接收数据和加密认证功能。实际上, 通过它们即可完成对MIFARE卡的所有操作, 包括Request (寻卡) 、Anticollision (防冲突) 、Select (选卡) 、Read (读卡) 、Write (写卡) 等。具体操作参考RC522的芯片手册进行即可。
2.2 防冲突算法
14443A标准定义的防冲突算法本质上是一种基于信道时分复用的信道复用方法。在某一时刻若多个射频卡占用射频信道与读卡器通信, 则读卡器将会检测到比特流的冲突位置;然后重新启动另一次与射频卡的通信过程, 在过程中将冲突位置上的比特值置为确定值 (一般为1) 后展开二进制搜索, 直到没有冲突错误被检测到为止。MIFARE卡内有4字节的全球惟一序列号UID, 而RC522防冲突处理的目的就在于最终确定MIFARE卡的UID。14443A标准的防止位冲突指令格式如下:
其中:命令代码“93”代表要处理的射频卡UID只有4字节;NVB表示此次防冲突命令的UID域中正确的比特数;BCC字节只有在NVB为70 (即UID的4字节都正确) 时才存在, 它表示此时整个UID都被识别, 防冲突流程结束。防止位冲突算法流程图如图2所示。
2.3 读写器整体软件流程
读写器整体软件流程如图3所示。当RFID标签 (Tag) 进入读写器 (Reader) 的天线感应范围, 经过一段时间的延迟, 应答器上电复位, 进入停顿状态, 在此状态下可接收Reader发送的请求应答指令, 当Tag接到Reader的请求应答指令后, 返回类信号。卡内部数据操作由卡内芯片自动进行, 只要将Command指令写入Command Reg中, 使用定时器延时后读取FIFO Data寄存器中的返回值来确定射频卡是否完成操作。
射频卡的操作流程包括:请求、防碰撞、选卡、密码验证、具体操作响应和HALT休眠。卡操作完毕后, 使卡进入HALT休眠状态, 此时只有Request All指令才能请求该卡。软件设计中使用了重试计数方式, 当操作失败时, 重试计数N加1, 最多可以重试5次, 超过5次后自动退出射频卡操作并将重试计数N清零, 流程如图3所示。
3 结语
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