(完整版)基于ARM的射频识别读写器设计毕业设计

本科毕业论文（设计）

摘要

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无需人工干预，是一种新的自动识别技术[1]。RFID是利用射频的方式进行非接触的双向通信,而非接触式IC 射频卡成功地解决了无源(卡中无电源) 和免接触这一个难题。RFID具有非接触、长距离工作、适应环境能力强、可识别运动目标等优点，射频识别技术已经在越来越多的领域内出现,因此，对射频卡的开发应用也具有一定的现实意义。本文的设计是基于Philips公司的Mifare1 S50/S70芯片的射频识别系统的设计方案，制作一套以ARM微处理器为MCU的射频识别读写器系统，设计RF 接口电路，制作相应的硬件电路模块，分析非接触式IC 卡系统的通信协议，通过Keil C软件编程实现读写器与非接触式IC 卡系统的通信,并完成校园卡考勤系统。

关键词: RFID; 自动识别; ARM; 非接触式IC卡; Keil C

Abstract

RFID is a non-contact automatic identification technology,it identify target and get the related data through radio frequency signal automatically,the identification process without human intervention, is a kind of new automatic identification technology. RFID for non-contact two-way communication by the way of radio frequency, and non-contact IC radio frequency card has successfully solved the difficulty problems: without power supply and non-contact. RFID has many advantages: non-contact,long-distance work,good adaptability for environment and can recognize the moving objects，RFID technology has appeared in more and more field,so the development and application of radio frequency card also has certain practical significance. The design of this article is based on the Mifare 1 S50 / S70 chip radio frequency

identification system which produced by Philips

company,and then design a RFID read-write device and the

corresponding hardware circuit module and the RF

interface circuit based on ARM microprocessor,and

completed the communication between the reader and the

non-contact IC card system and campus card attendance

system through the software programming with Keil C at

last.

Keywords: RFID; automatic identification; ARM; no

n-contact IC card; Keil C

目录

上海师范大学本科毕业论文（设计）诚信声明....................... I 上海师范大学本科毕业论文（设计）选题登记表.................... I I 上海师范大学本科毕业论文（设计）指导记录表................... III 中文摘要及关键词.............................................. I V 英文摘要及关键词............................................... V

1 绪论 (1)

1.1 研究背景 (1)

1.1.1 RFID的历史 (1)

1.1.2 RFID的现状 (1)

1.1.3 RFID的发展趋势 (3)

1.2 研究目的及意义 (3)

1.3 研究对象、内容 (4)

1.4 研究方法 (4)

1.5 研究框架 (4)

2 RFID系统组件原理 (5)

2.1系统结构框图 (5)

2.2 阅读器理论基础 (6)

2.2.1 阅读器的功能 (6)

2.2.2阅读器的工作频率 (6)

2.3 射频标签理论基础 (7)

2.3.1 射频标签的功能 (7)

2.3.2 射频标签的分类 (8)

2.3.3 RFID的标签 (8)

2.4 RFID的标签识别协议 (9)

2.4.1 RFID防冲突协议 (9)

2.4.2 防冲突算法 (9)

3 非接触式IC卡介绍 (12)

3.1 非接触式IC卡的特点、分类和国际标准 (12)

3.1.1 非接触式IC卡的特点 (12)

3.1.2非接触式IC卡的分类 (12)

3.1.3 非接触式IC卡的国际标准 (12)

3.2 ISO1443标准介绍 (13)

4 RFID读写器硬件设计 (13)

4.1 硬件电路器件的选择 (13)

4.1.1 处理器的选择 (13)

4.1.2 射频识别读卡芯片的选择 (15)

4.2 读写器硬件结构框图 (16)

4.2.1功能框图 (16)

4.2.2 电路原理图 (18)

4.3天线设计 (21)

4.4 液晶屏 (21)

5 软件设计 (22)

5.1 程序设计 (22)

5.1.1 主程序流程图 (26)

5.1.2 按键程序设计 (26)

5.1.3 射频读写模块的程序设计 (26)

致谢...................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献.. (27)

附录主程序代码 (27)

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 RFID的历史

RFID技术，第一次应用于现实生活中大约有70年历史了。它最早被用于二次世界大战时期，用以侦查并确认进入飞机场的飞机是否为来自友方。它的原理类似于现今的主动式标签，飞机场雷达发送信号，飞机上的标签接收到信号后就会回复相对应的信号，于是便能判断飞机是否为己方。现如今的机场识别系统也是通过这一原理发展而来。下面的几个阶段反映了RFID技术的发展经历：

萌芽时期：1937~1940年，美国海军首次将射频识别技术应用在军事实践上。

发展时期：十九世纪中期，随着RFID技术的发展产生了雷达技术。

快速发展时期：1961~1980年，RFID逐步离开实验室，开始迈向人们日常生活中。

完善时期：1981至今，RFID出现了各种大规模的应用，访问控制体系越来越完善并且与人们的生活息息相关[2]。

1.1.2 RFID的现状

随着物联网技术的发展，RFID技术得到了迅速地发展。在美国、欧洲、日韩等国家已经被广泛应用于道路交通收费系统、无人加工系统、门禁系统以及防伪技术等领域内。许多全球知名企业都积极致力于关于

RFID的软硬件开发，并逐步占领国际市场。在国内，我国RFID技术还比较落后，国家科技部启动了863计划课题“无线射频关键技术研究与开发”，RFID技术开始推广到应用上如：我国居民二代身份证、世博会门票系统及铁路识别系统等等。与国外发达国家相比，我国RFID技术研究起步较晚，差距较大，如RFID软件企业少、应用以中低频为主、芯片依赖进口、安全性能不强等。

1.1.3 RFID的发展趋势

RFID技术越来越与我们的生活息息相关，但是当前RFID技术也面临着一些难题：首先，RFID阅读器天线的辐射范围和RFID标签能量捕获能力都受到限制，在移动环境中很难保证标签节点能够持续获取能量来维护自身的运行状态，确保可用性。其次，当前的RFID通信模式还仅限于RFID阅读器与众多标签之间一对多的集中式通信，而RFID标签之间无法进行通信。事实上，在物联网环境下节点间互通互信的应用模式使得RFID标签间点对点通信成为必然需求。

近年来，基于RFID的环境反向散射技术取得了里程碑式的突破。该技术能够充分利用环境中的能量源来实现泛在通信并支持节点间的点对点通信，并且它的智能传感器可以永久安装并放置在任何物理结构当中。所以，RFID技术未来在以下几个方面会得到更长足的关注和发展[3]。

①能量获取方式:：新的能量获取方式如环境反向散射，能够充分利用环境中的能量源，充分扩展RFID技术应用的空间范围和部署规模。

②支持点对点通信:：创新信道感知技术，使RFID设备间能够在无源情况下建立网络实现点对点通信，破除一对多的集中式通信的传统模式。

③与传感器结合：集成现有的微型传感设备，与多模态的传感器结合，提供更多的更加丰富的应用模式。

1.2 研究目的及意义

无线射频识别技术被誉为二十一世纪十个最重要的技术之一，经过多年的发展已逐渐渗透到物流、运输和许多其他领域的应用识别上。如今，越来越多的新型RFID自动识别技术开始代替传统的标签识别，并慢慢占

据主导地位。与欧洲和美国及其他发达国家相比，RFID产业在中国的发展还处于初级阶段。虽然目前我国射频识别企业有一定数量，但是并没有掌握到关键的核心技术，就拿超高频射频识别领域来说，超高频射频识别技术门槛比较高，国内从事开发相对较迟，没有掌握关键技术，也很少有自主知识产权的企业。所以，要想与世界接轨，我国必须大力倡导无线射频识别技术的研究、开发并推广到应用，而射频识别技术也将带来更为巨大的社会效益和经济效益[4]。

1.3 研究对象、内容

基于Philips公司的Mifare 1 S50/S70芯片的射频识别系统，设计并制作一套基于ARM的射频识别读写器系统，设计射频识别接口电路以及天线电路，制作相应的硬件电路模块，分析非接触式IC 卡系统的通信协议,完成IC卡考勤系统软件编程。

1.4 研究方法

完成本论文是从查阅有关射频识别读写器的国内外文献开始的，首先对射频识别技术有了初步的认识，继而巩固理论知识并深入探索，设计制作规划。然后在网上购买相应的芯片以及电路元器件，制作硬件电路PC 板。最后在导师的指导下完成软件调试，最终完成读写器的设计。

1.5 研究框架

本文有五章组成，第一章是绪论，介绍课题研究的背景、研究目的和意义、研究内容、研究方法以及研究框架；第二章是系统组件原理，介绍

系统结构框图以及各个组件的理论基础知识；第三章是介绍非接触式IC 卡，主要讲解IC卡的特点等相关内容；第四章是读写器硬件电路设计，主要讲解了芯片的选择以及各模块的电路接口；第五章是系统软件设计，介绍了主程序流程图和按键程序以及射频读写模块程序流程图。

2 RFID系统组件原理

2.1系统结构框图

典型的射频识别系统可以有图1来表示：

图1 射频识别系统

正如已经提到的，阅读器和标签组成一个射频识别系统，其中，阅读器主要组成部件有接口电路、控制模块、通信模块和天线；射频卡（标签）主要部件有天线、电源、存储器、功能模块。除了这些，完成射频识别的

正常功能还需要中间件和外部计算机以及其他辅助设备等。

2.2 阅读器理论基础

2.2.1 阅读器的功能

阅读器是连接应用层和RFID标签的桥梁，它以发射电磁波的形式为标签工作提供能量来源。一般来说，在射频识别系统中阅读器主要提供以下功能：

（1）提供能量给射频标签，使标签正常工作；

（2）阅读器能够与中间件进行通信；

（3）阅读器对通信过程进行加密，判别真假标签，防止通信过程中的数据被窃取和篡改，保证通信安全；

（4）阅读器可以连接外部传感器节点和控制电路；

（5）多天线的管理，如使用天线调制[5]；

2.2.2阅读器的工作频率

阅读器工作频率越高，可识别标签的最远距离越远，数据传输速率也越高，对障碍物也越敏感。按照工作频率不同，可以将阅读器分为低频阅读器、高频阅读器、超高频阅读器和特高频阅读器。

表1为从中国无线电频率分布表中选取的与RFID相关的频段[6]

表1

低频阅读器和高频阅读器通常使用电感耦合的工作方式，工作距离一般小于一米，在我国，高频阅读器、高频射频标签基本都是使用13.56MHz 这一频段的，例如我国居民二代身份证、学校学生使用的校园卡等等。

2.3 射频标签理论基础

2.3.1 射频标签的功能

在RFID系统中，射频标签的数量要远多于阅读器数量，是系统中的数据载体，阅读器的各项指标都要考虑到标签的特点。所以，在射频识别系统中标签的作用是无可替代的。一般来说，可以将标签的功能归纳为以下几点：

（1）存储数据，储存和物品相关信息如标识符、生产日期等等，这是

标签最为主要的功能

（2）非接触式读写，可以在一定的距离内被阅读器识别

（3）标签可以从阅读器发射的电磁场中获取能量来保证自己的工作状态

（4）安全加密，通过一定的安全协议来维持标签与阅读器之间的安全通信

2.3.2 射频标签的分类

按照能量的获取途径的不同可以将标签划分成有源和无源及半无源标签。有源标签不依靠反射电磁波，它自身携带有电源，可以主动地发送数据。它存储容量较大，工作距离可以高达几十米甚至上百米，可以应用在贵重资产的管理上。缺点是功能复杂，价格昂贵。无源标签自身没有能量来源，它依靠反射阅读器发送的电磁波来获取工作的电能。通过反射获得的能量非常有限，所以无源标签的通信距离非常短，通常只有几米，传输的数据量也很小，它主要应用于物品统计、跟踪以及医疗、防盗等领域。无源标签不需要携带电池、成本低廉、结构简单，所以在某些场合非常实用。有源标签和无源标签各有所长也各有劣势，所以可以相互结合，取长补短。半无源标签就是它们结合的产物，这种标签的集成电路板上也带有电池，但只是一种辅助性的能量来源，半无源标签通过吸收阅读器发射的电磁波的能量来唤醒芯片进行工作传输数据，只有当标签吸收的能量不足以完成工作时才会由电池提供能量[7]。

2.3.3 RFID的标签

无源标签的能量就是通过天线产生电磁波来提供的，这使的读写器和

电子标签之间能够实现非接触的传送数据信息。天线是使用LC谐振电路制成，具体参数则是通过射频识别系统的载波频率来确定。天线设计的好坏将对无线识别距离产生重要影响。

2.4 RFID的标签识别协议

2.4.1 RFID防冲突协议

在射频识别传输系统中存在两类信号干扰，一类是由多个阅读器同时发出信号引起的阅读器间的冲突干扰，另一类是由多个标签同时响应阅读器引起的标签间的冲突干扰。这些信号干扰会阻碍阅读器识别标签，降低识别率。阅读器处理能力较强，存在基于时分多址（TDMA）的防冲突协议。时分多址（TDMA）将时间分割成非重叠的帧，而帧又被分成多个时隙，不同时隙可以对应于不同用户，这样我们就可以知道不同用户的信息，从而完成多址连接。基于TDMA的阅读器之间将整个时间段分割成多个间隔，只允许阅读器在其分配到的时隙内传输信息，这样就能避免干扰。基于时分多址的防冲突算法具有实际应用价值，能够用来检测射频标签之间的冲突。

2.4.2 防冲突算法

（1）纯ALOHA算法

纯ALOHA算法是比较简单的基于ALOHA的标签防冲突算法。

图2 纯ALOHA算法

如图2所示，首先阅读器广播识别命令给标签，标签收到命令后就以长信息包的形式向阅读器发送标识符号。图中白色代表标签信号，灰色部分代表冲突信号。当有多个标签同时发送数据时，那么在信道中它们的信号就可能会叠加造成冲突。这时阅读器就要先进行检测是否有冲突，如果没有，那么阅读器就会正确识别标签并发送确认信息；如果存在冲突，那么阅读器就向标签发送错误信息。标签在收到确认信息后便不再发送标识符，若收到错误信息后便会等一段不定的时间再发送，直到收到确认信息。这种算法比较简单，容易实现但性能ALOHA算法较差。所以我们要用到时隙ALOHA（S-ALOHA）算法。

（2）时隙ALOHA算法

时隙ALOHA算法将纯ALOHA算法的时间分为多个时隙：

图3 时隙ALOHA算法

时隙ALOHA算法模型如图3所示，白色代表标签信号，灰色代表冲突信号，每个标签在时隙开始时刻发送标识符，所以要控制时隙的同步。时隙ALOHA协议信道利用率较高，达到了36.8%，约为纯ALOHA协议的两倍。

此外，在时隙ALOHA算法的基础上，继续改进，还形成基于帧的时隙ALOHA（FSA）防冲突算法。在FSA算法中，有空时隙、单时隙、冲突时隙这三种状态时隙。在单时隙中，阅读器能够成功识别一个标签，空时隙和冲突时隙均不能识别。基于帧的时隙ALOHA（FSA）防冲突算法的算法逻辑简单，标签在帧内只发送一次，大大降到了冲突的发生概率，所以基于帧的时隙ALOHA（FSA）防冲突算法是目前RFID系统中最常用的的一种防冲突算法[8]。

3 非接触式IC卡介绍

3.1 非接触式IC卡的特点、分类和国际标准

3.1.1 非接触式IC卡的特点

1.可靠性高，寿命长

2.操作快捷便利

3.安全性高

4.动态处理

5.成本较高

3.1.2非接触式IC卡的分类

1.按片内IC分：存储卡、CPU卡、逻辑加密卡

2.按工作频率高低分：125KHz的低频卡，1

3.56MHz的高频或射频卡，915MHz、2.45GHz的超高频卡、5.8GHz的微波卡

3.按卡内芯片供电方式：无源卡和有源卡

4.按读写方式分：读写卡和只读卡。

3.1.3 非接触式IC卡的国际标准

自从我国加入了WTO与国际化接轨后，越来越多的国内企业已经意识到，符合一个统一的标准是包括IC卡在内的所有商业化产品赖以生存的重要条件，是产品质量的保证、市场维系拓展的基础。目前，可供射频卡使用的几种标准有ISO7816、ISO10536、错误！未找到引用源。、ISO14443

以及ISO18OOO。应用最多的是ISO14443和ISO15693。不过现在市面上使用最广泛的还是采用ISO14443协议的卡片。

3.2 ISO1443标准介绍

采用ISO14443协议的射频卡，常被分为A、B、C、D、E等类型。这里主要介绍Type A卡。

Type A技术设计简单扼要，应用项目的开发周期可以很短，同时又能起到足够的保密作用，而且可以适用于非常多的应用场合。本课题采用的Mifare 1 S50型IC卡就是ISO14443协议的Type A卡。

物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成了整个ISO14443标准，它们都有相应的标准内容。

就只到这一层。

4 RFID读写器硬件设计

4.1 硬件电路器件的选择

4.1.1 处理器的选择

目前，在嵌入式处理器芯片中应用得最为广泛的就是ARM内核32位芯片。ARM内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，它的特点是的指令集和相关的译码机制不是很复杂，这样能够有效降低有关硬件的复杂度[11]。它的优点有：

（1）具有大量的通用寄存器；

（2）具有比较简单的寻址方式；

（3）使用统一和固定长度的指令格式；

（4）地址自增和自减的寻址方式又简化了程序中的循环处理；

（5）“条件执行”的ARM指令可以减少指令数目，提高效率。

ARM处理器的这些建立在RSIC基础上的特性使得它在低功耗、高性能、低代码规模以及小的体积的方面结合得非常完美。ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，应用较多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列等等。ARM7具有嵌入式ICE-RT逻辑，功耗低，编程和调试简便，而ARM9系列虽然性能更加优越但价格相对较昂贵。所以本课题选用SAMSANG公司的S3C44B0X芯片，这是一款典型的ARM7TDMI 芯片，功能齐全且性价比高，应用非常广泛。它带有系统管理、内部存储、定时器、RTC、通用输入输出等功能，还带有中断控制器、LCD控制器、看门狗定时器等。该芯片频率72MHZ，带有时钟、复位和供电管理功能；低功耗，有2个12位模数转换器，1毫秒转换时间（16通道）；串行调试和JTAG接口；7通道DAM控制器，几十个快速I/O口及多达9个通信接口[9]，S3C44B0X引脚图如图4所示：

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