引言

射頻識別技術(shù)RFID是二十世紀九十年代興起的自動識別技術(shù)，是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(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、可識別高速運動物體、抗惡劣環(huán)境、保密性強、可同時識別多個識別對象等突出特點，因此它可在更廣泛的場合得到應用。

目前，工作頻率為UHF的射頻讀卡器的設(shè)計方法主要有三種：采用離散高頻元件設(shè)計、集成射頻芯片設(shè)計及OEM方法來完成射頻模塊。采用離散高頻元件設(shè)計讀卡器，電路的設(shè)計和調(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)主要由應用系統(tǒng)、射頻讀卡器和射頻標簽三部分組成（圖1）。射頻標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)歸根到底是為應用系統(tǒng)服務的。射頻讀卡器與應用系統(tǒng)之間的應用程序接口API通常用一組可由應用系統(tǒng)開發(fā)工具（如VC++，VB，PB等）調(diào)用的標準接口函數(shù)來表示。

UHF射頻讀卡器的設(shè)計

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，射頻讀卡器的任務是通過射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進行解碼，再通過控制模塊將對象標識信息連帶標簽上的其他相關(guān)信息傳輸?shù)綉孟到y(tǒng)計算機以供處理。在本設(shè)計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標簽。還可以在現(xiàn)場通過升級固件程序來增加新的標簽協(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)具體應用來設(shè)計相關(guān)的控制模塊，并通過導線與接口相連，就可以以指定的通訊方式與M8模塊進行數(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接口直接與計算機通訊。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

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）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行配置并與之通信取得射頻模塊所獲得的射頻標簽信息，將獲取的標簽信息通過通訊接口上傳給上位計算機，同時也可以接收上位機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算機通訊的接口，有利于上位機軟件的設(shè)計與開發(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為核心的單片機系統(tǒng)，該單片機片內(nèi)含有12K Bytes的Flash Memory和256Bytes×8的RAM，3個16位定時器/計數(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行配置和讀取射頻模塊所捕獲的射頻標簽信息。

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

軟件設(shè)計

本設(shè)計中單片機軟件主要分為兩部分：單片機與M8模塊之間的SPI通訊和單片機與上位計算機的串口通訊。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模塊進行通訊，讀取標簽信息或?qū)8模塊進行配置。為了實現(xiàn)單片機與計算機之間的通訊，也需要制定兩者之間的通訊協(xié)議。這樣，單片機就可以把獲得的標簽信息按照通訊協(xié)議的格式傳輸給計算機。用戶則可以根據(jù)具體應用，開發(fā)出相應計算機軟件來對標簽信息進行管理。

結(jié)語

目前，筆者已經(jīng)采用M8模塊設(shè)計出了射頻讀卡器，并通過選擇合適的天線并將其應用在遠距離人員考勤系統(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，可以對人員進行有效的管理，用來瀏覽、查詢、統(tǒng)計和修改數(shù)據(jù)庫內(nèi)的員工信息。該讀卡器在實際應用中操作方便、運行可靠。

作者：中國礦業(yè)大學機電學院 李俊敏 張曉光 朱濱峰

編輯：jq