射频识别和传感器技术实验指导书.docx
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射频识别和传感器技术实验指导书
《射频识别与传感器技术》实验指导书
实验一125KHzRFID实验
1、实验项目：
125KHzRFID实验
2、目的与意义
熟悉CVT-RFIDMCU-实验箱的硬件结构和原理，掌握实验箱配套控制软件的使用。
了解RFID的基本工作原理，了解典型的密耦合系统，了解125KHzRFID系统应答器芯片和阅读器芯片。
掌握125KHz只读卡、读写卡操作的基本原理。
通过相关信号的测量加深对信号调制与解调、125KHzRFID技术只读卡、读写卡相关协议标准的理解。
3、实验环境（设备与仪器）
CVT-RFIDMCU实验箱一台，PC机一台，双踪示波器一台，PC机操作系统WindowsXP，RFID综合实验平台环境
4、背景知识
1）实验箱系统硬件原理简介
整个系统主要由以下几部分组成：
（1）主处理器
采用ATMEL的高性能AVR单片机，主要处理RFID标签的读写操作、ZIGBEE模块的数据传输、键盘和显示电路的处理，以及和上位机的通信。
系统有标准JTAG接口和ISP下载接口，方便程序的调试和下载。
（2）CPLD
采用ALTERA的MAX系列CPLD，完成系统和上位机通信串口的切换工作，另外还挂接了键盘的行信号ROW0～ROW3。
（3）125KHzRFID
采用瑞士EMMICROELECTRONIC的低频RFID处理芯片，完成对125KHz标签的自动寻卡、读写操作等。
（4）ISO14443RFID
采用PHILIPS的高频RFID处理芯片，工作频率为13.56MHz，完成对ISO14443标签的寻卡、防冲突、选择卡、密码下载和校验、修改密码和读写操作等。
（5）ISO15693RFID
采用模拟分立元件的设计方法，使RFID读写器的内部结构更加清晰，工作频率为13.56MHz，可以完成对ISO15693标签的寻卡、防冲突、选择卡、密码下载和校验、修改密码和读写操作等。
（6）900MHzRFID
采用模块化的接口设计，增强超高频RFID的抗干扰性。
完成对900MHz标签的寻卡、读写操作等。
（7）ZIGBEE无线通信部分
采用TI的无线通信单片机，系统有2个ZIGBEE模块，可以实现相互之间数据的无线透传。
（8）键盘和显示部分
键盘采用4×4矩阵键盘，其中列信号线COL0～COL3连接到主处理器上，考虑到主处理器IO口不够，所以行信号线ROW0～ROW3挂接在CPLD上；显示屏采用128×64的点阵屏，所以口线均连接到主处理器上。
图1-1系统硬件原理框图
2）125KHzRFID硬件原理
采用低频RFID的CMOS集成收发器电路基站芯片，有以下功能和特点:
1100到150kHz载波频率范围。
2利用载波驱动天线，集成的锁相环系统，以实现用自适应载波频率来匹配天线谐振频率。
3用于可读写应答器的AM调制磁场。
对从天线传输来的应答器的调制信号进行AM解调。
4和微处理器通过串行接口通讯。
5无需外部晶振。
6睡眠模式电流低至1μA。
具体工作原理是：
通过外部线圈及内部集成的电容一起组成谐振电路，从连续的125KHZ磁场中获取能量启动。
芯片从内部的EEPROM中读出数据，并通过和线圈并联的负载的开断产生深幅调制，将数据发送出去。
通过对125KHZ磁场的100%幅度调制，可以执行各种命令和更新EEPROM中的数据。
图1-2125KHzRFID硬件原理框图
3）125KHz测量点
图1-3125KHz测量点
J22：
GND测量点，信号公共地。
J23：
RDY_CLK测量点，射频芯片返回给处理器的同步时钟信号测量点。
J24：
MOD测量点，处理器发送的调制信号测量点。
J25：
DEMOD_OUT测量点，射频芯片返回给处理器的数据输出信号测量点。
4）125KHz通信协议简介
这里介绍ISO18000-2标准协议，ISO/IEC18000-2定义了125～134.2KHz的空中接口通信协议参数，规定了时序参数、信号特性、标签与读写器之间通信的物理层架构、协议和指令，以及多标签读取时的防碰撞方法。
1、调制
标签和读写器之间采用ASK调制方式，调制深度为100%，如图1-4所示：
图1-4125KHzASK调制波形
图1-4中的时间参数如表1-1所示：
表1-1调制时间参数
注：
Tac=1/fac≈8us
2、读写器到标签
（1）数据编码
读写器到标签的数据编码包括：
数据‘0’、数据‘1’、‘codeviolation’和‘stopcondition’，如图1-5所示：
图1-5读写器到标签的数据编码
图1-5中的时间参数如表1-2所示：
表1-2数据编码时间参数
注：
Tac=1/fac≈8us
（2）SOF
读写器到标签的SOF起同步作用，由一个数据‘0’和一个‘codeviolation’组成，如图1-6所示：
图1-6读写器到标签的SOF
（3）EOF
EOF由‘stopcondition’组成，如图1-7所示：
图1-7读写器到标签的EOF
3、标签到读写器
（1）数据编码
标签到读写器的数据编码有两种速率：
4kbit/s和2kbit/s，其中4kbit/s速率用在InternationalStandardcommand，2kbit/s速率用在Inventorycommand。
如图1-8所示：
图1-8标签到读写器的数据编码
（2）SOF
标签到读写器的SOF由3bits位数据‘110’组成，如图1-9所示：
图1-9标签到读写器的SOF
（3）EOF
标签到读写器的EOF在ISO18000-2标准协议里没有定义。
5）125KHzID卡简介
实验中用到的125KHzID卡分只读卡和可读可写卡两种，下面是对这两种卡的简单介绍：
1、只读卡
主要特征：
●64位EEPROM
●多种编码（Manchester，Bi-phase，miller，PSK，FSK）
●多种速率
●工作频率范围（100-150KHz）
●工作温度范围（-40到+85℃）
存储器结构：
64位的EEPROM由5个部分组成，其中9位用作数据头（全1），数据头后紧接着10组4位的数据，每4位数据跟着1位奇偶校验位，最后一行由4位奇偶校验位和1位停止位（停止位规定为0）组成，详细结构如表1-3所示：
表1-3125KHz只读ID卡存储器组成结构
1
1
1
1
1
1
1
1
1
9headerbits
8versionbitsorcustomerID
D00
D01
D02
D03
P0
10lineparitybits（P0-P9）
D10
D11
D12
D13
P1
32databits
D20
D21
D22
D23
P2
D30
D31
D32
D33
P3
D40
D41
D42
D43
P4
D50
D51
D52
D53
P5
D60
D61
D62
D63
P6
D70
D71
D72
D73
P7
D80
D81
D82
D83
P8
D90
D91
D92
D93
P9
4columnparitybits
PC0
PC1
PC2
PC3
S0
1stopbitsettologic0
2、可读可写卡
主要特征：
●16个32位的数据块组成512位EEPROM
●32位密码读写保护
●32位唯一的ID码
●10位客户码
●锁定位可以将EEPROM的数据块变成只读模式
●多种编码（Manchester，Bi-phase，miller，PSK，FSK）
●多种速率
●工作频率范围（100-150KHz）
●工作温度范围（-40到+85℃）
存储器结构：
512位的EEPROM由16个32位的数据块组成，EEPROM的块被编号成0到15，每块的位被编号为位0到位31。
访问总是从LSB开始的。
这32bit的EEPROM字段，是以一个字段的写命令编程的。
开始的两个块是被芯片制造商规划安排的只读块（块0和块1）。
它们被分别写入有该芯片的类型、版本，客户码和唯一序列号（UID），再往下的3个块（块2到块4），用来定义器件的操作选项，分别为密码字段、保护字段和配置字段。
块5到块15是用户可以自由使用的空间。
详细结构如表1-4所示：
表1-4125KHz可读写ID卡存储器组成结构
地址编号
描述
类型
B0………………B31
0
芯片类型/谐振电容/用户代码
只读
Ct0……………Ct31
1
序列号UID
只读
Uid0……………Uid31
2
密码
只写
Ps0……………Ps31
3
保护字段
OTP
Pr0……………Pr31
4
配置字段
读写
Co0……………C031
5
用户空间
读写
Us0……………Us31
6
用户空间
读写
Us0……………Us31
7
用户空间
读写
Us0……………Us31
8
用户空间
读写
Us0……………Us31
9
用户空间
读写
Us0……………Us31
10
用户空间
读写
Us0……………Us31
11
用户空间
读写
Us0……………Us31
12
用户空间
读写
Us0……………Us31
13
用户空间
读写
Us0……………Us31
14
用户空间
读写
Us0……………Us31
15
用户空间
读写
Us0……………Us31
注：
OTP表示该字段可以一次性编程写入数据，写入后的数据不能再更改。
块0存放卡片信息及通用码等，该块为只读块。
块1存放卡片的身份识别码（UID），该块为只读块。
块2存放卡片密码，该块为只写块，为了保护卡片密码，该块在本平台中不开放写权限。
块3存放卡片保护字，用于控制卡片每块的读写权限，该块每一位都是一次性写入，写入后不可修改，为保证卡片正常使用，在本平台中不开放该块的写权限。
块4存放卡片配置字，用于配置卡片每块的加密情况，该块可读可写，为保证卡片正常使用，在本平台中不开放该块的写权限。
块5-块15为用户数据区，可读可写。
6）控制软件界面
软件界面分布如图1-10。
图1-10软件界面图
注：
①菜单栏②串口连接设置③实验操作区域④操作提示区域⑤协议显示列表⑥系统提示
通讯协议格式如图1-11：
Byte0
Byte1
Byte2
Byte3
Byte4-Byte4+n
Byte4+n+1-Byte4+n+2
0x43
0xBC
帧长度
模块类型
命令
CRC-16校验
图1-11通讯协议格式
Byte0：
帧头1，‘C’的ASCII码
Byte1：
帧头2，Byte0的反码
Byte2：
Byte0到Byte4+n+2的总字节数
Byte3：
表示命令操作针对的模块
0x00：
表示设置实验类型
0x01：
表示125K
0x02：
表示13.56M-14443
0x03：
表示13.56M-15693
0x04：
表示900M
0x05：
表示Zigbee1
0x06：
表示Zigbee2
Byte4
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