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1、从基因工程菌中释放提取白介素13的研究基于ARM开发平台的13.56MHz射频读写器的设计通信工程专业 朱启平指导教师 田小平 副教授摘 要 射频识别（Radio frequency identification，RFID）是一种无线射频识别技术，其在物流、货运、消费和访问控制等等方面都有广泛的应用。本文研究了基于ARM开发平台的13.56MHz的RFID读写器的设计。具体方案是通过结合硬件和软件，硬件上设计了电路原理图中的CPU模块、射频模块、电源模块、串口通信模块、psam加密模块和LED灯指示模块；软件上实现了读写器的嵌入式软件编程，主要包括通过射频模块达到识别电子射频卡、认证电子射频卡

2、、读取和修改电子射频卡内信息等目的。最后，通过上位机软件对一张空白IC卡进行读写功能测试。测试结果表明读写器能顺利完成其基本功能。因此本设计的基于ARM开发平台所设计的RFID读写器能基本实现对近场RFID系统中IC卡信息的采集功能。关键词 RFID读写器，ARM嵌入式，LPC1752，MFRC5221 前言1.1 选题背景射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种利用射频信号通过空间电磁场的耦合来实现无接触信息传递并通过传递的信息达到识别功能的技术。RFID的使用频段通常为工业、科学和医疗特别保留的ISM频段。ISM各频段的代表频率分别为6.

3、78MHz、13.56MHz、27.125MHz、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz、915.0MHz、2.45GHz、5.18GHz、24.125GHz以及60GHz等。在这些ISM频段中，13.56MHz是最典型的RFID高频工作频率，该频率的电子标签是实际应用中使用量最大的电子标签之一。这种电子标签被大量地应用在金融卡领域、消费领域和访问控制领域等等，例如在我国使用的二代居民身份证就是频率为13.56MHz的电子标签。因此，研究射频频率为13.56MHz的电子标签读写器具有实际应用的意义。1.2 本文主要研究内容本设计首先研究了RFID读写器的基本原理，然后结合硬件和

4、软件设计了一个频率为13.56MHz的RFID读写器。在硬件上，本课题主要侧重于研究读写器的电路原理图和电路板设计；在软件上，本课题主要是对基于C语言的部分嵌入式读卡程序进行研究。最后通过上位机软件对设计进行实物测试，验证所设计读写器具有基本读写IC卡的功能。2 RFID基本原理及其开发平台2.1 RFID系统RFID技术是指一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用无线射频识别信号空间耦合（电磁感应或者是电磁传播）的传输特性，实现对目标对象的自动识别和修改其信息。一个常用的RFID系统通常由电子标签、读写器和计算机通信网络等三部分构成。图1是RFID系统的结构框图。图1 RFID系统结构图

5、2.2 编码技术2.2.1 信源编码射频系统中现在普遍使用的信源编码有几种：曼彻斯特（Manchester）编码、反向非归零（NRZ）编码、单级性归零（DBP）编码、密勒（miller）码、改进型密勒码。其中在本设计主要运用到的是曼彻斯特编码、密勒码和密勒改进码。（1）曼彻斯特编码曼彻斯特码又称双相码，它的特点是在半个比特周期时下降沿表示二进制1，上升沿表示二进制0。特点是每个码元的中心均存在点评跳变，若无跳变则视为异常。（2）密勒码密勒码的电平转换规则是：自然二进制码为1时，半比特周期内用上升沿或下降沿表示。二进制0的编码电平在1比特周期内不改变，但遇到连0的情况时，在第一个0结束时，也就是

6、后一个0开始时电平转换。（3）改进型密勒码改进型密勒编码就是在密勒码的基础上每个边沿都用负脉冲替代。改进的米勒编码在电感耦合式射频识别系统中用于读写器到IC卡的数据传输。很多的脉冲持续时间（）就可以在数据传输过程中保证读写器的高频场中连续供给IC卡能量。2.2.2 差错控制编码在数字通信系统中，一般误码是不可避免，而为了减少误码，提高通信可靠性一直是设计通信系统所追求的最主要的目标之一。差错控制编码就是信道编码中为了提高通信的可靠性而发展起来的一种差错控制技术，所以也称信道编码为差错控制编码。目前，RFID中的差错控制编码主要是采用奇偶检验码和CRC码，它们都属于线性分组码。2.3 调制技术传

7、统的无线电技术中的调制技术，根据电磁波的三种不同参数幅度、频率、相位，可以区分为振幅调制、频率调制和相位调制。所有其他的调制方法都是从这三种类型之中引申出来的。射频识别系统采用的调制方法是振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）的数字调制方法。在本设计中所遵循的协议ISO 14443 TYPE A中，规定了13.56MHz射频系统中对IC卡通信所采用的是100%ASK调制和副载波调制。因此本文也是重点研究这两种调制方法。2.3.1 100%ASK调制振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其中频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应着二

8、进制信息0和1。其中已调波的键控度的表达式为： 公式（1）式中A、B分别为已调波的峰峰值。因此，100%ASK就是式中B值为0，所以在调制中用零电平来表示二进制0，用高电平表示二进制1。其表达式为： 公式（2）其中 公式（3）式中：为码元持续时间；g(t)为持续时间的基带脉冲波形；是第n个符号的电平取值。在这里的取值在0和1之间。2.3.2 副载波调制13.56MHz的RFID系统中的副载波是指在IC卡中经过对本地13.56MHz频率信号进行分频后得到的847k方波信号，然后用该方波信号对编码后的IC卡信号进行调制，这个过程就叫做副载波调制。在TYPE A中使用847k副载波OOK调制，在TY

9、PE B中使用847k副载波BPSK调制。在IC卡中，再用副载波调制信号来控制IC卡中的一个按键闭合与断开进而改变IC卡端的负载。如图2所示，RFID中读写器和IC卡端等效电路。图2 副载波调制原理图图2中初级回路和次级回路电压方程： 公式（4） 公式（5）其中，M为L1和L2的互感，为初级回路的自阻抗，为次级回路的自阻抗。联解公式（3）和公式（4）可得出： 公式（6）其中令 公式（7）可以看出是互感M和次级回路阻抗的函数，故称为次级回路对初级回路的反射阻抗。于是可得： 公式（8）于是对于初级回路可以等效成如图3所示图3 读写器与IC卡初级回路等效图由图3可以看出，线圈两端的输出电压还与次级回

10、路的阻抗有关。如果改变负载IC卡的阻抗，则改变的方式可以反映到读写器端输出电压，也即是场强的大小的变化。3 读写器的硬件设计3.1 硬件总体结构本读写器是要设计成为一个具有基本通信功能的RFID系统前端设备，其必须能够跟符合ISO I4443协议的IC卡通信，同时也能够跟上位机（计算机系统）通信以至于能够读出和修改IC卡的内容。因此，设计中应该基本配有一个射频模块用于处理卡的操作；在通信接口部分配置232串口，用于与上位机通信、烧录程序和测试程序，同时配置USB接口，用作给电路板供电和烧录程序；配置一个ARM CPU主频100MHz以上芯片，为以后扩展读写CPU卡做准备。硬件设计结构图如图4所

11、示。图4 读写器硬件框图如图4所示，通信接口模块、射频模块与CPU之间的通信是双向的，而其他外围电路中部分电路只受CPU的单向控制，另外一部分电路负责对CPU输入，这是因为：（1）在通信接口里面包含了RS232串口和USB串口，在本设计中需要通过USB串口使电路板与上位机联机，USB串口模块还负责供电和烧录程序等功能；RS232串口则主要用来烧录程序，并通过嵌入式编程的打印输来出测试软件的正确。（2）在射频模块，CPU需要读写射频芯片的寄存器和芯片内FIFO以达到控制读写IC卡的功能。（3）在其他外围电路中，主要包括了蜂鸣器、LED指示灯和电源转换电路。在这里面，蜂鸣器和LED指示灯是直接受到

12、CPU的单向控制，而电源转换电路负责给CPU供给电源。通过综合考虑，本设计中CPU模块采用NXP公司的LPC 1752芯片，射频模块采用PHILIPS公司的MFRC522芯片。3.2 射频模块如图5所示，在发送部分，引脚TX2上发送的信号是由包络信号调制的13.56MHz载波能量，经过L3和C16组成的EMC滤波电路以及C15组成的匹配电路，就可直接用来驱动天线，TX2上的信号可通过寄存器TxSelReg来设置，系统默认为内部米勒脉冲编码后的调制信号。在Rx接收部分，使用R3和C12以保证Rx引脚的直流输入电压保持在VMID，C4和R1的作用是调整Rx引脚的交流输入电压。在本电路中，芯片外接晶

13、振取值根据技术手册建议值而搭配，10M电阻R8是为了帮助晶振起振，使振荡器更加稳定。图5 MFRC522外围电路3.3 通信串口模块由于LPC1752内部含有USB的处理器，因此CPU外围的USB接口电路只需要简单地按照USB2.0的要求搭建。其电路原理题图如图6所示。本设计中加入了PSMS05防雷芯片，芯片原理就是通过二极管的单向导电性防止USB输入端出现较大的电压脉冲以导致烧坏电路板；在电路中VBUS还连接了型滤波器，用于稳定5V输入电压，抑制共模干扰；D+和D-差分信号分别都接了LC振荡器，与其线上值为75的R2、R4电阻进行匹配；D2二极管的使用是为了防止VBUS电源出现反接；D+上并

14、联的R7是上拉电阻，为了增强输入信号强度。图6 USB接口电路图4 读写器软件设计本设计中所采用的嵌入式软件是基于开源免费的操作系统FREERTOS之上的应用软件结构，其主要包括操作系统FREERTOS、读写器的读写任务程序、设备驱动程序和与上位的机通信程序。其结构框图如图7所示。图7 软件结构框架在本设计中采用的软件绝大部分是用C语言所编写的，带有少量的汇编程序。本设计中主要研究应用程序的射频读写卡程序。5 测试结果图8是测试读写器功能的流程图。图8 读写器测试流程图在实际测试中，通过USB接口给电路板上电后，指示灯和蜂鸣器都正常工作，通过电压表测得电路板各端电压正常。用一张IC卡接近天线时

15、，电路板的蜂鸣器发出正确检测IC卡的提示音。此时可以判断硬件电路没有短路和断路，PCB板基本实现了电路原理图。接着把电路板和上位机软件联机来测试读卡器读写IC卡的功能，主要测试读写器的读取和修改IC功能。在上位机测试中首先读取了IC卡的第一扇区，然后修改第一扇区，使得该扇区的前三数据块的后五位变成“12345”，最后重新读取第一扇区检测是否修改成功，如图9所示。整个测试结果表明了读写器无论从硬件上还是从软件上都实现了当初的设计，实现了其基本读取和修改IC卡功能，达到了设计的目的。图9 上位机读写卡测试6 总结与展望6.1 总结作为21世纪十大重要应用技术之一，RFID技术在当今高科技领域得到越

16、来越广泛的应用，RFID读写器的设计也成为一个重要的课题。随着技术的进步，人们对 RFID 读写器的读写性能、应用功能、成本和功耗都提出了愈来愈高的要求。本课题主要完成了一种基于ARM嵌入式平台的RFID读写器的方案研究和设计实现，主要做了以下工作：（1）研究了RFID系统的基本通信原理、传输协议、电子标签和读写器的构造。（2）对ARM嵌入式平台进行研究，熟悉掌握了LPC1752和MFRC522的开发方法。（3）完成了读写器终端的设计、读写器的电路原理图和PCB图、设备的焊接和调试，使得读写器能够在硬件上兼容读取TYPE A和TYPE B的IC卡，同时通过USB接口和RS232串口与计算机通信

17、。（4）在完成硬件平台的基础上，软件上熟悉和掌握基于C语言的嵌入式基本编程，深入研究并掌握了系统射频模块的代码。（5）烧录测试程序，测试读卡器实物，验证读写器的读写IC卡功能。6.2 展望尽管本研究中的读卡器能基本完成基本的IC卡读写功能，但是，随着人们对读写器功能的要求日益增加，本次研究的读卡器还存在很多需要改进的地方：（1）在设计读写器的时候没有考虑设备与互联网的连接部分。（2）本设计的读写器缺乏良好的人机交换模块，如键盘模块和液晶屏显示模块。（3）随着技术的发展，现在社会上已经出现了破解ISO 14443 TYPE A卡的设备，因此使读写器能够读写更加高级的CPU卡变得至关重要。这不仅需

18、要在硬件上添加psam加密模块，还需要在软件上添加专门读写CPU卡的程序。Abstract: RFID is a radio frequency identification technology. As one of the ten most important technology of the 21st century, RFID has penetrated into all walks of life which, in todays society, in terms of logistics, freight, consumption and access control, et

19、c. This paper studies the development platform based on ARM 13.56MHz RFID reader design. This paper studied the basic principles of RFID, including radio frequency identification technology, coding theory, modulation and the introduction of ARM microprocessor. And then based on these theories, accor

20、ding to reader design ideas and basic block diagram of a circuit diagram, this study designed the CPU module, RF module, power module, serial communication module, psam encryption module and the LED lights indicating module. It also gave the corresponding PCB. Then the paper realized the reader embe

21、dded software programming, through the RF module to achieve the functions of identifying IC cards, certificating IC cards, reading and writing IC cards. At last, via the PC software, it tested the readers reading and writing functions with a blank IC card. The test result shows that the completed re

22、ader can successfully complete its basic functions. Therefore, the designed RFID reader in this issue which is basing on ARM development platform can basically process the IC card information collecting in near-field RFID systems.Key words RFID reader, ARM embedded system, LPC1752, MFRC522参 考 文 献1 黄玉兰. 物联网射频核心技术详解M.2012年12月第一版. 北京：人民邮电出版社，20122孙安青. Cortex-M3嵌入式开发实例详解基于NXP LPC1768M.2012年10月第一版. 北京：北京航空航天大学出版社，20123吴晓峰，陈大才. 射频识别技术（第三版）M.2006年10月第一版. 北京：电子工业出版社，20064孙永飞. 基于ARM的RFID读卡器设计D：硕士学位论文. 江苏省南京市：南京理工大学，20075汪开元. 基于ARM的非接触式IC卡读卡器设计D：硕士学位论文. 江苏省南京市：南京理工大学，2009