“實現一種便攜式射頻識別讀寫系統。在對RFID系統的組成和原理進行分析的基礎上，提出基于PIC16F874控制器和RI—R6C一001A射頻芯片實現讀寫器的設計方法；給出相應的電路原理和程序流程以及部分程序。

”

引言

隨著計算機和嵌入式系統的發展，IC卡已經融入人們的日常生活，并發展成幾大類，其中非接觸IC卡的出現引起了人們的特別關注。與之相應，能夠讀取非接觸IC卡內信息的讀寫器（閱讀器）也在不斷地發展和更新。非接觸式卡又稱射頻卡（應答器），它使用無線電調制方式和閱讀器進行信息交換。

通常根據以下幾種標準來設計，即ISO／IEC10536標準、ISO／IEC14443標準、ISO／IEC15693標準。根據ISO／IEC10536標準設計的卡稱為“密耦合卡”，對應的閱讀器也相應遵循ISO／IEC10536標準設計；根據ISO／IEC14443標準設計的卡是近耦合卡，對應的閱讀器遵循ISO／IEC14443標準設計；根據ISO／IEC15693標準設計的卡是遙耦合卡，對應的閱讀器遵循ISO／IEC15693標準設計。遙耦合卡比近耦合卡具有更遠的讀卡距離，但二者均采用13．56 MHz工作頻率，均具有防沖突機制［1］。

本文以射頻識別技術的實際應用為背景，以智能車輛識別系統的設計為實例，闡述了使用一種TI公司生產的工作于13．56 MHz的典型射頻IC卡進行系統開發的方法。該系統采用性價比較高的PIC16F874單片機作為主控器件，具有更強的研究性、實用性和推廣性。

1系統總體結構及方案設計

本系統采用基于IS015693協議的TI公司的工作于13．56 MHz的射頻標簽（RI-I02-112A，RI-I03-112A等）為射頻信息鈕，由基于RI-R6C一001A［2］的射頻信息鈕讀頭模塊、天線、單片機、電源穩壓模塊（UA7805）、串口通信電路（MAX232）、液晶顯示電路（SED1335、MAX749）［3］、無線收發模塊（AYG一59C）［4］等組成。電源穩壓模塊把整個系統的工作電壓穩定在5 V，MAX749芯片主要是為液晶模塊提供所需的負電壓。系統總體結構框圖如圖1所示。

把此系統用于城市的公交車運行情況的統計上，前提是要把每輛公交車上貼一個射頻卡，在每一個站牌處安裝一個由閱讀器組成的系統（包括閱讀器、液晶模塊、無線收發模塊）。該系統的工作過程如下：

首先，由應用軟件通過單片機（PIC16F874）向射頻信息鈕讀卡模塊（RI-R6C一001A）發出指令（如讀射頻卡的UID），射頻信息鈕讀卡模塊把單片機發過來的數據按所選擇的射頻協議（ISO15693）［5］的要求對數據進行編碼和調制，然后經過天線發送出去。此時，在閱讀距離范圍內的電子標簽（射頻卡）收到此命令，經過認證，如果正確，則按命令的要求把自己的UID發送出去（如果錯誤，則返回錯誤信息）。

讀卡模塊經過天線收到此信息，對其進行解調和解碼后，通過SPI串口送給單片機。單片機把收到的數據通過RS232串口送給收發模塊（AYG一59C），收發模塊以短消息的形式把數據發送給控制中心，然后控制中心把收到的數據以短消息群發的形式送給各個智能站牌。站牌處的無線收發模塊收到此信息后，通過串口RS232送給單片機。單片機把此信息送給液晶顯示模塊，通過液晶顯示模塊乘客就可以知道公交車行駛的情況。

2系統硬件設計

硬件主要包括單片機MCU、RI一R6C-001A、液晶顯示器、時鐘電路、匹配電路及接口等外圍電路。下面給出各部分的詳細說明及相關設計。 2．1 MCU部分

圖2為MCU加外圍器件的應用原理［6］，也即控制部分電路原理。

控制部分首先輔助RI-R6C一001A工作。因為RI-R6C一001A芯片要正常工作，實現射頻閱讀器的功能，不但要有外圍電路，而且還要有控制器對其進行適當的控制。PIC16F874控制器有豐富的位操作指令，有SPI串行口和精簡的指令集，能夠很容易地模擬RI-R6C-001A傳送數據的時序以及時鐘切換的時序。

由于RI-R6C一001A對外只提供4個引腳（DOUT、DIN、SCLOCK、M-ERR），所以控制器的接口電路相對較簡單。DOUT、DIN、SCLOCK三個引腳分別連接到單片機的SPI串行口SDI、SDO、SCK三根線上，用來實現數據的串行傳輸。M-ERR引腳用來檢測接收到射頻卡中的數據是否發生錯誤（若有錯誤，則此引腳變為高電平），因此把此引腳接到單片機的外部中斷輸入33引腳，用于檢測接收數據是否有錯誤，進而單片機對其作出相應的處理。

由于RI-R6C一001A在接收射頻卡中的數據并把它發送給控制器時，要求控制器對其發送的數據是否結束作出判斷，并且RI-R6C-001A不發送數據時就不再送時鐘，所以在此電路設計中把RI-R6C一001A的SCLOCK引腳也接到了具有電壓變化中斷功能的RB4引腳。RB4引腳外接一個二極管，與軟件結合起來，要求當控制器供應時鐘時，RB4引腳處于高電平輸出狀態，經過二極管，RB4引腳不會輸入時鐘；

當RI-R6C-001A供應時鐘時，RB4引腳處于輸入狀態，SCLOCK信號輸入此引腳，從而可以對發送數據是否結束作出相應的判斷。其次控制器還要適時控制LCD的液晶顯示，圖2中，ADJ、CTRL是與MAX749相連的，提供LCD所需的-20 V電壓；C5、C6、C7、E4、E7以及DO～D7是與LCD相連的控制信號與數據信號；同時也通過MAX232控制無線收發模塊AYG一59C數據的發送和接收。

2．2射頻部分

微處理器與RI-R6C一001A之間的通信主要通過幾根連線實現，圖3所示為射頻芯片加外圍器件的應用原理［2］。

射頻電路由三大部分組成：RI-R6C一001A應用電路，與單片機相連的接口電路，天線發送、接收電路。在RI-R6C-001A應用電路中，L1、L2、C2組成的T型網絡以及L3、C9組成的LC網絡都起濾波作用，使RI-R6C-001A通過天線接收的數據不至于流向發送端TX-OUT，因為此芯片發送數據時頻率是13．56 MHz，而接收信號的副載波頻率是13．56 MHz／28和13．56 MHz／32（FM）或13．56 MHz／32（AM），R-MOD端的電阻R2決定發送信號的調制深度；

R3、L4、C10、C11組成串聯諧振電路，匹配阻抗為50 Ω。可調電容C11用來準確調整電路諧振點在13．56 MHz，這一設計有利于閱讀器正確的收／發信息。

3系統軟件設計

RI-R6C-001A射頻芯片正常工作時，一個基本的請求、應答時序如圖4所示。

由圖4可知，當控制器由發送轉換為接收過程中，它同時由主動轉化為被動，由發送時鐘轉換為接收時鐘。這里有時鐘切換問題。

a時刻表示控制器發送數據結束（發送數據時由控制器送出時鐘）；b時刻控制器把DIN置高電平，為SCLOCK準備一個控制模式的轉換或者準備一個結束信號ES1；c時刻DIN下降，控制器明確表明把SCLOCK的控制權交給射頻芯片RI-R6C一001A（此時SCLOCK=O，并且控制器和射頻芯片RI-R6C-001A的時鐘線都處于輸出狀態）；

d時刻DIN再次置高電平，表明控制器離開對總線的控制，直到DIN下降從而要求收回時鐘的控制權。在d時刻，SCLOCK仍然等于O，但控制器的SCLOCK引腳為輸入狀態，射頻芯片RI-R6C-001A的SCLOCK引腳為輸出狀態。d時刻之后，射頻芯片RI-R6C-001A便開始把接收到的從標簽過來的數據送給控制器，以便下一步對收到的數據進行處理。

當射頻芯片RI-R6C-001A控制時鐘時，它將發送一個S2給控制器。S2對應于標簽發過來的SOF，然后接著發送數據7位（圖中所示）和一個ES2對應于標簽過來的EOF。e時刻表示標簽過來的數據射頻芯片RI-R6C-001A傳送結束。e時刻之后，控制器把DIN置低的目的是收回時鐘的控制權，DIN引腳再一次出現一個高電平脈沖，表示控制器收回了對時鐘的控制權，在高電平脈沖期間時鐘將改變方向。根據需要，可以再進行下一次發送指令。

在智能車輛識別系統中，閱讀器對應答器的操作主要是讀標簽的UID，因此，實現軟件時，應嚴格按照圖4所示的時序要求。其實，閱讀器對接收到的一系列數據先進行判斷，然后決定執行什么命令，再將該命令轉換為應答器所能接受的無線處理方式。注意，由于閱讀器對命令的分析和執行都需要時間，所以要保證操作完成的速度和正確性。

例如，在發命令CMD之后，要有一個很短的時間延遲，再發二進制數據，以確保RI-R6C-001A能正確地動作。操作指令和參數均用十六進制數表示；同時，閱讀器按照ISO15693無線協議規范，將命令信息包調制發出。當得到應答器的應答信息后，再向控制器發送操作結果信息。命令處理過程實際上是命令的解釋和執行過程。下面以讀一個標簽的UID為例（其他命令的用法與之類似），給出系統的工作流程，如圖5所示。

下面是讀標簽UID的程序段［5-6］：

由SPI口模擬的RI-R6C-001A的時序結果如圖6所示。圖6中，上升沿采樣數據，兩幅圖中均有兩個信號，上面的是時鐘信號SCLOCK，下面的是數據線DIN。起始位后，發送的數據是十六進制的7D，緊接著是停止位，然后又是一個起始位，依次循環。從時序圖中可以看出，用SPI口能完全模擬該射頻芯片的協議。

結語

本系統在完成硬件和軟件設計后進行了制版、調試和測試。經過測試，閱讀器完成了與IC卡之間的數據傳輸，已經可以使用。系統中程序的設計采用PIC16F87X匯編語言和C語言，通過利用PC機、仿真器以及MPLAB ICE集成開發環境，完成了軟件的調試。如果硬件和軟件設計合理，則可進一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、讀寫電路簡單，應用必然會更加廣泛。

編輯：jq