基于arm的射频识别读写器设计毕业论文(编辑修改稿)

基于arm的射频识别读写器设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

件调试，最终完成读写器的设计。 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。 4 2 RFID 系统组件原理 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。 阅读器理论基础 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； 5 （ 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]； 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 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。 6 射频标签理论基础 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 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]。 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 7 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。 RFID 的标签识别协议 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。 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 8 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（ SALOHA）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 %，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]。 9 3 非接触式 IC 卡介绍 非接触式 IC 卡的特点、分类和国际标准 非接触式 IC 卡的 特点 ，寿命长 非接触式 IC 卡的 分类 IC 分：存储卡、 CPU 卡、逻辑加密卡 ： 125KHz 的低频卡， 的高频或射频卡，915MHz、 的超高频卡、 的微波卡 ：无源卡和有源卡 分 ：读写卡和只读卡。 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ISO781 ISO1053 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。 10 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。 ISO144431 定义了 IC 卡的物理特性。 ISO144432 定义了频率、射频能量、编码等内容。 ISO144433 定义了 Type A/Type B 的初始化和防冲突机制。 其中 Mifare1就只到这一层。 ISO144434 定义了卡片的数据传输协议。 11 4 RFID 读写器硬 件设计 硬件电路器件的选择 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；。