基于arm的射频识别读写器设计大学本科毕业论文.doc
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1、 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
2、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 CAbstractRFID is a non-contact automatic identification technology,it identify target and get the related data through radio frequency signal auto
3、matically,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 supp
4、ly 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.
5、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
6、 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; non-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II上海师范大学本科毕业论文(设计)指导记录表III
7、中文摘要及关键词IV英文摘要及关键词V1 绪论11.1 研究背景11.1.1 RFID的历史11.1.2 RFID的现状11.1.3 RFID的发展趋势21.2 研究目的及意义21.3 研究对象、内容31.4 研究方法31.5 研究框架32 RFID系统组件原理42.1系统结构框图42.2 阅读器理论基础42.2.1 阅读器的功能42.2.2阅读器的工作频率52.3 射频标签理论基础62.3.1 射频标签的功能62.3.2 射频标签的分类62.3.3 RFID的标签62.4 RFID的标签识别协议72.4.1 RFID防冲突协议72.4.2 防冲突算法73 非接触式IC卡介绍93.1 非接触式
8、IC卡的特点、分类和国际标准93.1.1 非接触式IC卡的特点93.1.2非接触式IC卡的分类93.1.3 非接触式IC卡的国际标准93.2 ISO1443标准介绍104 RFID读写器硬件设计114.1 硬件电路器件的选择114.1.1 处理器的选择114.1.2 射频识别读卡芯片的选择124.2 读写器硬件结构框图124.2.1功能框图134.2.2 电路原理图144.3天线设计164.4 液晶屏165 软件设计175.1 程序设计185.1.1 主程序流程图205.1.2 按键程序设计215.1.3 射频读写模块的程序设计21致谢23参考文献24附录 主程序代码25V1 绪论1.1 研究
9、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:19371940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:19611980年,RFID逐步离开实验室,开始迈向人们日常生活中。完善
10、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,
11、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。01.1.3 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
12、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。 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。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。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
13、,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Mi
14、fare 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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
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