引言

射頻識別技術(shù)RFID是二十世紀(jì)九十年代興起的自動識別技術(shù)，是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。它與早期的識別技術(shù)（條形碼、磁卡等）相比，具有可非接觸識別（識讀距離可以從10cm至幾十米）、存儲能力大、可識別高速運(yùn)動物體、抗惡劣環(huán)境、保密性強(qiáng)、可同時識別多個識別對象等突出特點(diǎn)，因此它可在更廣泛的場合得到應(yīng)用。

目前，工作頻率為UHF的射頻讀卡器的設(shè)計(jì)方法主要有三種：采用離散高頻元件設(shè)計(jì)、集成射頻芯片設(shè)計(jì)及OEM方法來完成射頻模塊。采用離散高頻元件設(shè)計(jì)讀卡器，電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試難度非常大，開發(fā)設(shè)備要求高。針對這種情況，許多芯片制造廠商陸續(xù)也開發(fā)了UHF集成芯片，如Melexis公司推出的低功耗FSK/FM/ASK收發(fā)器芯片TH71221就屬于這類芯片，但并沒有給出相應(yīng)的開發(fā)評估板，開發(fā)起來還存在一定的困難。同時許多廠家推出了UHF射頻識別模塊，用戶可以通過OEM方法生產(chǎn)自己的UHF讀卡器，降低了開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。

射頻識別系統(tǒng)

一個典型的射頻識別系統(tǒng)主要由應(yīng)用系統(tǒng)、射頻讀卡器和射頻標(biāo)簽三部分組成（圖1）。射頻標(biāo)簽和射頻讀卡器分別屬于信息載體和信息采集設(shè)備，而由它們所構(gòu)成的射頻識別系統(tǒng)歸根到底是為應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)的。射頻讀卡器與應(yīng)用系統(tǒng)之間的應(yīng)用程序接口API通常用一組可由應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具（如VC++，VB，PB等）調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)來表示。

UHF射頻讀卡器的設(shè)計(jì)

射頻讀卡器主要分為兩部分：控制模塊與射頻模塊。在射頻識別系統(tǒng)中，射頻讀卡器的任務(wù)是通過射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，再通過控制模塊將對象標(biāo)識信息連帶標(biāo)簽上的其他相關(guān)信息傳輸?shù)綉?yīng)用系統(tǒng)計(jì)算機(jī)以供處理。在本設(shè)計(jì)中比較了眾多的射頻收發(fā)模塊最終選用由Skyteck公司開發(fā)的Skymodule M8模塊。

M8模塊

M8模塊提供了一個低功耗、高性能、高效率的UHF讀卡器設(shè)計(jì)平臺，它是一個多協(xié)議OEM模塊，可以用來讀寫滿足ISO18000-6 A/B、EPC Class 0/0+或1、EPC Class1 Gen2和其它協(xié)議的頻率范圍為860~960MHZ的UHF標(biāo)簽。還可以在現(xiàn)場通過升級固件程序來增加新的標(biāo)簽協(xié)議和兼容性。M8模塊的射頻輸出功率可以通過程序在15mw~500mw之間范圍內(nèi)設(shè)定。

在5V電壓下，M8模塊的智能電源管理可以使電流低于100μA（休眠模式），這樣可以使設(shè)備用電池來驅(qū)動。為了簡化對M8模塊的操作，模塊留有一個20針的接口。只需要根據(jù)具體應(yīng)用來設(shè)計(jì)相關(guān)的控制模塊，并通過導(dǎo)線與接口相連，就可以以指定的通訊方式與M8模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。與控制模塊的接口包括UART （TTL）、I2C和SPI，還可以通過RS-232、USB接口直接與計(jì)算機(jī)通訊。M8模塊內(nèi)置有便攜式天線，還具有一個50Ω的輸出阻抗，用來與外部天線相連，模塊的讀卡距離與外部天線有著直接關(guān)系。其外觀圖如圖2所示。

控制模塊設(shè)計(jì)

由圖1可知，控制模塊主要包括兩部分：以微控制器（如單片機(jī)）為核心的控制單元和通訊接口單元。

控制單元的主要功能就是對射頻模塊功能進(jìn)行配置并與之通信取得射頻模塊所獲得的射頻標(biāo)簽信息，將獲取的標(biāo)簽信息通過通訊接口上傳給上位計(jì)算機(jī)，同時也可以接收上位機(jī)對射頻讀卡器的配置指令。還有，射頻讀卡器還需要留有一個可以直接與計(jì)算機(jī)通訊的接口，有利于上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

因此，需要根據(jù)控制單元的功能要求來選擇控制單元微控制器，并實(shí)現(xiàn)各種通信接口。在此，控制單元是一個以AT89S53為核心的單片機(jī)系統(tǒng)，該單片機(jī)片內(nèi)含有12K Bytes的Flash Memory和256Bytes×8的RAM，3個16位定時器/計(jì)數(shù)器，9個中斷源，可編程串行UART通道，SPI接口。

通訊接口單元又可以分為兩部分：芯片級總線接口單元（M8模塊支持I2C、SPI、UART等）和現(xiàn)場總線級接口單元（RS232、RS485、CAN總線等）?？刂茊卧ㄟ^芯片級總線接口單元來對射頻模塊進(jìn)行配置和讀取射頻模塊所捕獲的射頻標(biāo)簽信息。

在本設(shè)計(jì)中控制模塊上需要留有一個接口，一方面與單片機(jī)的SPI引腳相連，另一方面通過導(dǎo)線與M8模塊通訊，這樣就實(shí)現(xiàn)了控制模塊與M8模塊的通訊。為了將所采集的標(biāo)簽信息傳輸給上位計(jì)算機(jī)，可以使控制模塊與計(jì)算機(jī)之間通過串口通訊。控制模塊的電路原理圖如圖3所示。

軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)軟件主要分為兩部分：單片機(jī)與M8模塊之間的SPI通訊和單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)的串口通訊。Skyteck公司已經(jīng)為M8模塊制定了專門的通訊協(xié)議，單片機(jī)只需要按照通訊協(xié)議格式就可以通過SPI接口與M8模塊進(jìn)行通訊，讀取標(biāo)簽信息或?qū)8模塊進(jìn)行配置。為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通訊，也需要制定兩者之間的通訊協(xié)議。這樣，單片機(jī)就可以把獲得的標(biāo)簽信息按照通訊協(xié)議的格式傳輸給計(jì)算機(jī)。用戶則可以根據(jù)具體應(yīng)用，開發(fā)出相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件來對標(biāo)簽信息進(jìn)行管理。

結(jié)語

目前，筆者已經(jīng)采用M8模塊設(shè)計(jì)出了射頻讀卡器，并通過選擇合適的天線并將其應(yīng)用在遠(yuǎn)距離人員考勤系統(tǒng)中。通過讀卡器對人員的非接觸信息采集，然后把信息傳到上位機(jī)，可以對人員進(jìn)行有效的管理，用來瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)和修改數(shù)據(jù)庫內(nèi)的員工信息。該讀卡器在實(shí)際應(yīng)用中操作方便、運(yùn)行可靠。

作者：中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 李俊敏 張曉光 朱濱峰

編輯：jq