基于U2270B的阅读器组成的125kHz的低频RFID系统的译码问题毕业论文.docx
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基于U2270B的阅读器组成的125kHz的低频RFID系统的译码问题毕业论文
沈阳理工大学
毕业设计(论文)成绩评定
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毕业设计(论文)答辩委员会(小组)评语:
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答辩评分(%)
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毕业设计(论文)评语
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毕业设计(论文)任务书
学院
专业
学生姓名
学号
设计(论文)题目
内容及要求:
学习和了解射频识别技术工作原理,掌握e5530射频卡的编码方式,了解以51单片机为核心与U2270B射频卡基站读写芯片组成的硬件电路的工作原理,并在此硬件环境基础上,设计EM4100射频卡的译码软件。
开发工具选用C51或汇编语言,设计内容主要包括射频卡数据采集、译码处理和校验、ASCII码转换和射频卡离场判断。
要求软件设计完成后应达到仿真器上可演示运行程度,译码准确,首读率高。
进度安排:
第1周~第2周:
选题、按任务书要求开题,写开题报告。
第3周~第4周:
查阅资料,RFID相关知识和51单片机学习。
第5周~第8周:
硬件环境搭建,软件功能设计。
第9周~第12周:
编写代码,程序调试。
第13周~第14周:
系统完善,撰写论文。
第15周:
毕业答辩。
指导教师(签字):
年月日
学院院长(签字):
年月日
学生毕业设计档案
学生姓名
学院
学号
指导教师姓名
职称
所在单位
毕业设计题目
毕业设计(论文)完成情况
毕业设计各阶段名称
起止日期
完成情况(存在问题及整改意见)
阶段成绩*
指导
教师
意见
(根据学生出勤及毕业设计(论文)完成情况,指导教师是否同意该学生参加答辩)
指导教师(签名):
年月日
*注:
阶段成绩分A、B、C三级:
A为全面完成任务、B为完成任务、C为完成任务不好
摘要
射频识别技术(RFID,RadioFrequencyIdentification)是自动识别技术中的一种,通过无线射频方式进行非接触双向数据通信,对目标加以识别并获取相关数据。
RFID的最大优点就在于非接触。
在完成识别工作时不需要人工干预,不需要直接接触。
RFID系统可工作于各种恶劣环境,可识别高速运动物体并可同时识别多个标签。
标签操作快捷方便,实现了无源和免接触操作。
标签无机械磨损,寿命长,数据安全性高。
它广泛应用于学校、公共交通、门禁、电子钱包、医疗等领域。
本文概括的介绍了射频识别系统的基本组成,基本工作原理以及数字通信等相关理论知识。
重点讨论了由标签EM4100和基于U2270B的阅读器组成的125kHz的低频RFID系统的译码问题。
论文首先对该系统的硬件部分做了详细的说明,给出了EM4100、U2270B和AT89C51的结构图以及引脚功能表,并设计了阅读器的典型工作电路。
然后通过分析EM4100输出的曼彻斯特码的数据波形,根据曼彻斯特码的编码特点,提出了检测曼彻斯特码在半个位周期内跳变的方法进行译码的思路。
最后译码软件确定分为四个模块分别设计。
编程语言选用汇编语言。
编码完成后,在仿真器上调试源代码。
试验软件的功能是否达到预期的目的。
实验证明,阅读器读卡稳定可靠,效果好。
此译码方法快度、准确。
在此基础上,对本论文所做的工作做了总结,指出所做工作的不足点,并展望RFID技术的发展,分析了本课题接下来还需要完善的工作和改进的地方。
关键词:
射频识别;曼彻斯特码;阅读器;译码
Abstract
Radiofrequencyidentificationtechnologyisakindofautomaticidentificationtechnology,radiofrequencythroughnon-contactformofbidirectionaldatacommunication,tothetargetrecognitionandaccesstorelevantdata.
ThebiggestadvantageofRFIDisthatthenoncontact.Atthecompletionoftheidentificationworkdoesnotneedmanualintervention,withoutdirectcontact.RFIDsystemcanworkwithavarietyofharshenvironment,canidentifythehigh-speedmovingobjectsandcanalsoidentifymultipletags.Itisfastandconvenient,doesnotneedpowerandoperateswithoutanycontact.Ithasnomechanicalwear,longlife,highdatasafety.Itiswidelyusedinschools,publictransport,accesscontrol,electronicwallet,medicalandotherfields.
ThispapergenerallyintroducesthebasiccompositionofRFIDsystem,thebasicworkingprincipleanddigitalcommunicationandotherrelevanttheoreticalknowledge.ItprimarilydiscussesthedecodingproblemoflowfrequencyRFIDsystemwhichconsistsofatagEM4100andcompositionofU2270Breaderbasedon125kHz.
Thepaperfirstmakesadetaileddescriptionofthesystemhardware,givesthestructurechartofEM4100,U2270BandAT89C51andpinfunctiontable,anddesignatypicalworkingcircuitreader.ThenthroughtheanalysisoftheEM4100outputwaveformdataofManchestercode,accordingtotheencodingcharacteristicsofManchestercode,,andputforwardthemethodthatdetectsthejumpofManchestercodeinhalfacycle.Finallythedecodingsoftwaredeterminestobedividedintofourmodulesfordesign.Assemblylanguageisusedprogramminglanguage.
Aftercodinghascompleted,sourcecodeisdebuggedinthesimulator.Thefunctionofthesoftwarewillbetestedifitachievestheintendedpurpose.Theexperimentsprovethatthereaderisstableandreliable.Itseffectisgood.Thisdecodingmethodisfast,accurate.
Onthisbasis,theworkofdissertationissummarized,pointingouttheshortageofthework,expectingthedevelopmentofRFIDtechnology.Thethesisalsoanalyzesthesubjectwhereneedstoimproveandperfect.
Keywords:
RFID;Manchestercode;reader;decode
1绪论
1.1射频识别技术简介
自动设备识别技术(AutomaticEquipmentIdentification)是目前国际上发展很快的一项新技术,大致可分为光学技术和无线电技术两个方面。
目前广泛应用的自动识别技术有条形码、磁卡、IC卡、RFID卡。
射频识别技术(RadioFrequencyIdentification,RFID)是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。
RFID属于无线电通信范畴,基本物理原理就是通过无线电信号识别特定目标并获取相关的数据信息。
即不需在识别系统与识别对象之间建立机械或光学接触,利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并达到识别目标的技术。
RFID的识别工作不需要人工干预,可工作与各种恶劣环境,可识别高速运动物体,并可同时识别多个标签,操作快捷方便。
1.2国际射频识别技术应用状况
RFID在国外发展的很快。
美国TI、Intel等集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。
Symbol等公司已经研发出同时可以阅读条形码和RFID的扫描器。
IBM、Microsoft和HP等公司也在积极开发相应的软件及系统来支持RFID技术的应用。
目前,美国的交通、车辆管理、身份识别、生产线自动化控制,仓储管理及物资跟踪等领域已经开始逐步应用RFID技术。
欧洲的Philips、STMicroelectronics公司在积极开发廉价的RFID芯片,Checkpoint公司在开发支持多系统的RFID识别系统,SAP公司则在积极开发支持RFID的企业应用管理软件。
日本在RFID研究领域起步较早,政府也将RFID作为一项关键的技术来发展。
2004年7月,日本经济产业省METI选择了七大产业做RFID技术的应用试验,包括消费电子、书籍、服装、音乐CD、建筑机械、制药和物流。
韩国主要由产业资源部和情报通信部来推动RFID技术的发展。
自2004年3月韩国提出IT839计划以来,RFID技术的重要性得到了进一步加强。
1.3射频识别技术在中国的发展
中国人口众多、经济规模不断扩大,RFID技术有着广阔的应用前景。
近年来,中国已初步展示了RFID相关技术的研发及产业化工作,并在部分领域开始应用。
中国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。
目前,我国RFID应用以低频和高频标签产品为主,如城市一卡通和中国第二代身份证等项目。
我国超高频标签产品的应用刚刚兴起,还未开始规模生产,产业链尚未形成。
2RFID系统的工作原理
2.1RFID系统的组成
一个RFID系统由三个部分组成:
电子标签、阅读器和应用软件系统。
(1)电子标签
电子标签(Tag),也称应答器(answer)、射频卡(radiocard)、感应卡(inductioncard)、智能卡(smartcard)或非接触式IC卡(contactlessICcard)等。
电子标签通常由三部分组成:
读写电路、硅芯片以及相关的天线。
它能够接受并发送信号,与外部的电磁波相互作用并进行数据传输。
标签根据供电方式可分为有源RFID标签、无源RFID标签和半有源半无源RFID标签;根据工作方式分为主动标签和被动标签;根据工作频率分为低频、中高频和超高频标签。
RFID标签可以做成卡状、环状、钥匙扣等多种形式。
(2)阅读器
阅读器(Reader),也称为接收器(receiver)、检测器(detector)、基站(basisstation)、读写器(readwritedevice)等。
阅读器包含有RFID模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。
RFID模块实现将阅读器发往标签的命令调制到射频信号上,经由天线发送出去;也实现将标签返回的信号进行解调,提取标签回送的数据。
控制模块实现将智能单元发出的命令编码以便于调制到射频信号上;也实现将射频模块解调的标签回送数据进行处理(也包括解码),并将处理结果送入阅读器智能单元。
阅读器可以设计为手持式或固定式。
(3)应用软件系统
应用软件系统是在上位监控计算机中运行的包括数据库在内的管理软件系统,用于各种物品属性管理、目标定位和跟踪,具有良好的人机操作界面。
一个RFID系统的基本组成如图2.1所示。
标签
天线
阅读器
阅读器通过线圈
发送一定频率的标签进入电磁场时产生感应电流而
电磁信号获得能量,向读卡器发送自身的遍
码等信息
计算机系统
读卡器将信息送至
计算机处理
图2.1RFID系统基本组示意成图
2.2基本工作原理
标签与阅读器之间通过耦合原件实现射频信号的空间(无接触)耦合,在耦合通道内,根据时序关系,实现能量的传递和数据的交换。
标签与阅读器之间的耦合通过天线完成。
首先,阅读器发送一定频率的无线电波能量给标签,用以驱动标签电路将内部的数据送出,此时阅读器便依时序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。
标签与阅读器之间的耦合大致分为电感耦合和电磁反向散射耦合。
在电感耦合系统中,阅读器和电子标签之间的射频信号实现为变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,该系统依据的是电磁感应定律。
电感耦合方式的典型工作频率为125kHz,13.56MHz。
标签与阅读器的工作距离一般在1m一下,典型作用距离为10~20cm。
电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。
2.3编码和调制
图2.2所示为从信号传递角度考虑的RFID系统前向链路简明框图,而后向链路也与此类似,只是发送方和接收方进行了互换。
噪声
RFID标签
阅读器
指令
信息
基带信号译码
载波
调制
无线信道
基带信号
编码
载波调制
图2.2从信号传递角度考虑的RFID系统前向链路简明框图
从通信过程来看,阅读器的命令(二进制数据)首先要经过信号编码,转换成一定码型的基带信号(高低电平),然后经过调制器调制成射频载波信号通过天线信道传递给RFID标签,RFID标签中的解调器对调制信号进行解调,以再生基带信号。
再生的基带信号经过译码,恢复出原来的阅读器命令内容以便进行后续处理。
由于阅读器与标签之间的信息传递是双向的,所以相应的信号编码单元,调制器,解调器以及信号译码单元在阅读器和标签之间都存在。
数字信号的传输分为基带传输和频带传输两种方式。
信息发出的信号未经调制或频谱交换,直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的通信方式称为数字信号的基带传输。
为了适应信道传输特性而将数字基带信号进行调制,即将数字基带信号的频谱搬移到某一载频处,变为频带传输的方式称为频带传输。
2.3.1基带中的编码
一般终端设备(如计算机,单片机)产生的电信号为单极性码,这种信号称为原始电信号。
原始信号由于由直流分量等原因不适宜在基带系统信道中传输。
原始信号必须经过编码变换为一定码型的基带信号后才适合在信道中传输。
基带信号的码型多种多样,并不是所有的基带信号码型都适合在信道中传输。
在RFID系统中常用的码型有曼彻斯特码和米勒码。
本课题中使用的码型是曼彻斯特码。
曼彻斯特码(Manchester码),又称为双相码。
它的特点是每个码元用两个连续相反的脉冲表示。
编码规则之一为:
“0”用“01”两位码来表示,“1”用“10”两位码来表示。
例如:
消息码:
1100101
双相码:
10100101100110
曼彻斯特码是一种双极性波形,只有极性相反的两个电平。
它在每个码元间隔中心点都存在电平跳变,所以含有丰富的定时信息,且没有直流分量,编码过程也简单。
缺点是占用带宽加倍,使频带利用率低。
2.3.2数字调制技术
在实际通信中大多数信道都具有带通传输特性,不能直接传输基带信号,必须借助载波调制进行频率搬移,将数字基带信号变成适于信道传输的数字频带信号。
调制就是使基带信号(调制信号)控制载波(没有被调制的电磁波,通常为正弦信号)的某个(几个)参数,使这一(或几)个参数按照基带信号的变化规律而变化的过程。
调制后所得的信号称为已调信号或频带信号。
经过调制后的已调信号应该具有两个基本特征:
一是仍然携带消息;二是适合于信道传输。
RFID系统使用的方式是数字调制方式。
调制信号为二进制数字信号时的调制方式统称为二进制数字调制。
二进制调制常分为二进制幅移键控(2ASK)、二进制频移键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK和2DPSK)三种。
本课题中的RFID系统涉及到的是二进制幅移键控。
下面做简要介绍。
二进制幅移键控(2ASK)方法是数字调制技术中最早出现的,也是最简单的一种调制方法。
(1)2ASK信号的时域表达
假定载波信号C(t)=cos(wct),设信息源发出的序列是由二进制符号0和1组成,假设0符号出现的概率为P,1符号出现的概率为1-P,二者彼此独立。
该二进制基带信号序列可表示为
(2.1)
式(2.1)中,Ts——二进制基带信号序列(码元)的时间间隔;
g(t)——调制信号的脉冲表达式;
an——二进制数字信号;其取值服从下述关系:
0,出现的概率为P
an=(2.2)
1,出现的概率为1-P
则二进制振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦形载波的相乘,它的时域表达式为
(2.3)
(2)2ASK信号的产生
2ASK信号的产生方法有两种,如图2.3所示。
图2.3(a)是通过二进制基带信号序列S(t)与载波直接相乘而产生2ASK信号的模拟调制法。
图2.3(b)是一种键控法,这里的电子开关受调制信号S(t)的控制。
开关电路
cos(wct)
S(t)S2ASK(t)S2ASK(t)
cos(wct)
S(t)
(a)模拟调制法(b)键控法
图2.3 2ASK信号的产生
(3)2ASK信号的解调
2ASK信号的解调可以采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)两种方式来实现,如图2.4所示。
其中,抽样判决器的最佳判决门限为a/2,与接收机的输入信号幅度a有关。
抽样值大于a/2时,判为“1”。
抽样值小于a/2时,判为“0”。
图2.4 2ASK信号的接收系统组成方框图
3125kHz的RFID系统
125kHz的RFID系统属于低频RFID范围。
它的特点是结构相对简单,成本较低(无论是阅读器还是标签卡片),数据量较少(几十到二百多位),传输速率较低(波特率一般低于10kb/s),操作范围在几厘米左右,应用范围广。
本课题介绍的是比较普及的EM4100只读型标签芯片和U2270B基站(阅读器)芯片。
3.1只读型芯片EM4100
EM4100是瑞士EM公司生产的CMOS集成电路,用于只读型RFID标签的芯片。
EM4100芯片为非接触式,无源,只读芯片,中心工作频率为125kHz。
芯片通过线圈从外部电磁场获得供电和时钟。
通过开通和断开调制电路,该芯片将发送出原先在工厂就写入存储阵列的64位信息。
这是用激光写入硅片永久保存的每芯片唯一的编码。
芯片的内部数据框图如图3.1所示。
注:
a处只有当psk方式时打开。
图3.1EM4100内部结构框图
(1)存储器阵列
EM4100的存储器是EEPROM,存储容量为64位,分5组信息:
9位用于前导,10行奇偶校验位(P0~P9),4列偶校验位(PC0~PC3),40个数据位(D00~D93),还有一个停止位S0设置为逻辑0,见图3.2。
图3.2存储阵列中的64位数据
前导是开始的9位,全是1。
由于数据和奇偶校验的结合,这种序列不可能在数据串中重复出现。
前导后面的10组四个数据位有100亿种组合,还有每行的偶校验位。
最后一行是4列的偶校验位。
S0是停止位,被写成0。
位D00~D03和D10~D13是客户特定的识别码。
64位串行输出控制调制器。
当64位数据串输出后,这个序列输出又重复进行,直到掉电为止。
(2)序列发生器
给存储阵列寻址和对串行数据编码输出提供全部所需的信号。
有三种掩膜编码方式可用。
它们是曼彻斯特、双相位和PSK。
前两种方式的波特率是载波频率(RF)的64或32分之一。
本课题使用曼彻斯特码,波特率设置为载波频率的64分之一,即RF/64。
3.2基站芯片U2270B
U2270B是低频RFID读写基站的一款专用集成电路,由德国Temic公司生产(已转入ATMEL公司)。
它的组成有:
给标签收发器提供能量的发送电路,片内电源,振荡器和线圈驱动器,还有所有信号的处理电路;它们最终输出微处理器可以接收的信号。
U2270B制作的基站适合对前面介绍的EM4100及其兼容的那些类型的标签。
它是面世较早的一类IC,应用比较广泛。
图3.3是U2270B与EM4100组建的低频RFID系统结构示意图。
阅读器电子标签
图3.3U2270B与EM4100芯片组建的RFID系统
U2270B芯片封装外形见图3.4。
引脚说明见表3.1。
图3.4U2270B芯片封装外形
表3.1U2270B引脚说明表
引脚号
符号
功能
引脚号
符号
功能
1
GND
地线
9
Coil1
线圈驱动器1
2
Output
数据输出
10
VEXT
外部电源供应
3
数据输出使能
11
DVs
驱动器电压
4
Input
数据输入
12
Vbatt
电池电压
5
MS
共模/差分模式选择
13
Standby
待命输入
6
CFE
载波频率使能
14
Vs
内部电源供电(5V)
7
DGND
驱动器地线
15
RF
频率调整
8
Coil2
线圈驱动器2
16
HIPASS
高通滤波电容
U2270B基站阅读器的基本性能如下:
①载波频率fosc范围为100~150kHz。
②fosc为125kHz时,典型的数据传送率为5kb/s。
③适用的调制方式为曼彻斯特码和双相位码。
④可由5V的稳压电源或车辆蓄电池供电。
⑤调谐能力。
⑥与微控制器有兼容的接口。
⑦处于等待工作方式时,其功耗甚低。
⑧有为微控制器供电的输出端。
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