射频识别实验平台开发
来源:用户上传
作者:马万艺 连涛 宁振杰 韩刘远志 沈学源
摘要：射频识别（RFID）技术是通过无线电进行数据交换从而达到信息识别的技术。该实验平台包含了原理机和应用机两大部分，原理机使用两FPGA小系统为核心，应用机使用Arduino UNO控制，通过Android Studio编写手机终端Android程序，c#语言编写上位机软件，目的是为了让学生对实验原理有更深入的了解。
关键词：RFID;编码解码;调制解调;FPGA;Android
中图分类号：TD324 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）01-0189-02
1概述
RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术1是通过无线电进行数据交换从而达到信息识别的技术。射频识别具有可靠性高、安全性好、不受环境影响等优点，该技术已经在身份认证、交通收费、物流管理等各领域大放异彩。
当今时代，科技发展迅速，过去被认为非常先進的产品或许正在被人们逐渐遗忘。尤其是在这个互联的时代，时代发展朝着人物互联和物物互联的方向发展，因此现在热门的物联网迅猛发展。而射频识别作为物联网的关键技术之一，必定将取得非常好的发展。正如人们所共知的网上购物，其规模的提升与快递物流行业的发展密不可分。因此随之而来的物流压力可想而知，如果单纯使用人力对包裹进行整理和分类势必需要大量的人力和物力。而射频识别技术的应用正好可以起到提高分拣效率的作用，减少资源浪费现象。
射频识别技术中的原理和应用都非常重要，本实验平台的目的既在于展现数据的编码调制、解调解码，又在于数据读写方面的应用，意义是让在校大学生更全面地学习和理解射频识别技术。
2系统原理与构架设计
整个实验平台分为两个部分：原理机和应用机。原理机部分需要实现125kHz频段的FSK调制解调、13.56MHz频段的ASK调制解调和副载波调制解调。在14443标准中，阅读器向射频卡的通信采用的是修正密勒码的ASK调制，载波频率为13.56MHz，而射频卡向阅读器的通信采用的是曼彻斯特码的副载波调制，副载波频率为847kHz，即13，56MHz的16分频。在15693标准中，阅读器向射频卡的通信采用的是脉冲位置调制编码的ASK调制，载波频率为13.56MHz，有4中选1和256中选1两种方式。射频卡向阅读器的通信采用的也是曼彻斯特码的副载波调制，不同的是在15693标准中副载波频率为423.75kHz的32分频。应用机部分需要实现125kHz频段的ID卡读取，以及13.56MHz的Mifare$50卡和Mifare$70卡读取和写入，并能将相关数据显示在电脑端上位机。
2.1系统基本原理
射频识别技术的原理简言之就是实现阅读器与应答器的信息交互，射频识别基本原理框图如图1所示。
应答器是集成电路芯片，它分为有源和无源。有源应答器是由外部电池供电，如现在常用的2.4G应答器就是用电池供电，无源应答器工作需要的能量由阅读器产生的射频载波提供。而阅读器与应答器之间的信息交互则包含两种，一种是阅读器先发言，叫Reader Talk First，简称为RTF;另一种则是应答器先发言，叫TagTalk First，简称为TTF。这其中有着严格的时序，即谁先询问，则另一方应答。
本平台主要采用低频125kHz和高频13.56MHZ进行原理性展示。
射频识别中的编码方式主要有ISO/IEC 14443标准中的曼彻斯特码、密勒码、修正密勒码和ISO/IEC 15693标准中的曼彻斯特码与脉冲位置编码，这些编码将在本平台中进行实现，其各种参数将在后文中进行具体说明。
2.2系统框图
系统整体分为两大部分：原理机部分和应用机部分。原理机部分包括信源、编码、调制、解调、解码、无线发送六大模块。其中信源、编码、调制在同一块FPGA核心板上实现，解调、解码、无线发送在另一块FPGA核心板上实现。应用机部分包括三大模块：主控模块、125k模块、13.56M模块。系统框图如图2所示。
3硬件设计
3.1原理机硬件
3.1.1 FPGA最小系统
FPGA最小系统除了EP4CE6E22C8N芯片外还包含四个模块：电源电路、外部晶振电路、FLASH电路和下载电路，接下来对这几个模块进行依次介绍。
电源电路的作用是给整个FPGA最小系统供电，5V电压经过稳压电路后输出3.3V，2.5V，1.2V电压给EP4CE6E22C8N的不同Bank进行供电，因为该芯片需要输入这三种电压才能正常工作。
外部时钟电路，FPGA最小系统采用的晶振是50M有源晶振，接入的是FPGA内部88脚，用于为本系统提供多种分频和倍频时钟。
FLASH电路的作用是为了存储固化的程序，可以通过Quartues II配置生成pof文件，下载时通过AS接口将工程产生的pof文件下载到EP4CS4的FLASH芯片中。当FPGA最小系统上电后将会自动从FLASH芯片中加载程序并运行。
下载电路顾名思义就是给FPGA最小系统下载程序用的，本系统中的下载接口有两种JTAG接口和AS接口。JTAG接口能够下载sof文件和jic文件，而AS接口能够下载pof文件。
3.1.2编码调制硬件电路
编码调制电路实现的功能是将开关设置的8位并行数据进行各种编码和调制，其中编码包含单极性不归零码、曼彻斯特编码、密勒码、修正密勒码、脉冲位置调制编码，调制包括FSK调制和ASK调制。整个电路包含了FPGA最小系统、8路开关、8路LED灯以及引出的24个测试点。同一测试点物理上又分为两种，分别为排针测试点和陶瓷测试环，能极大地方便学生通过示波器或者逻辑分析仪来进行来观测和学习。此外，引出如此多测试点的好处是，当在本硬件的基础上进行重开发或者二次开发时，可以方便地实现更多的功能，能锻炼学生对射频识别中数据编码和调制的理解和对硬件的更深层次理解。 3.1.3解调解码硬件电路
解调解码的作用是将编码调制硬件电路传来的已调信号进行解调和解码，并将解调信号和解码信号通过无线模块发送到手机端。此硬件电路的解调和解码信号也将通过测试点引出，并可以通过示波器、逻辑分析仪等仪器来观测学习。
3.2应用机硬件
3.2.1 Arduino UNO电路
Arduino UNO是Arduino系列单片机中的一款普通产品，其处理器核心是ATmega328，它不但同时具备的14路数字输入，输出口，而且其中还有6路可以用作PWM输出，加之6路模拟输入口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。在AREF处有两个管脚SDA和SCL，支持12C接口，能够兼容5V和3.3V的扩展板。
3.2.2应用机总电路
应用机电路主要由125k模块、13.56M模块、Arduino转接板、电源指示灯模块和蜂鸣器模块组成。125k模块的作用是将读取到的ID卡号通过软串口105发送到Arduino转接板，即Ar-duino UNO。13.56M模块的作用是由Arduino转接控制进行Mi-fare$50和Mifare$70卡读取和写入。每当执行读卡操作时，蜂鸣器都将进行鸣叫。Arduino转接板读取到的数据将通过101（Tx）发送到PC端上位机进行显示。
4软件设计
4.1安卓程序设计
本系统中的安卓程序主要包括三大部分：主程序、TCP服务程序和绘图程序。安卓程序框图如图3所示。
4.2 Arduino程序设计
Arduino的編程软件叫做Arduino集成开发环境（IDE），并且对于Arduino来说，开发也是使用c与c++进行混合编程，这一点在其核心库中的体现尤为明显。在Arduino单片机的开发中，烦琐复杂的寄存器配置被舍弃了，取而代之的是易理解和易用的API。Arduino程序首先在初始化函数中初始化串口、配置I/O口工作状态。Arduino的初始化完成后，在循环函数中进行数据采集，并通过串口发送采集到的数据给PC端上位机。
4.3 Winform程序设计
Winform程序使用简单且安全的面向对象的c#编程语言进行开发。本Winform程序主要包含五大部分：串口设置、125K模块、13.56M模块、125K演示、13.56M演示。
5结束语
本实验平台由原理机和应用机两大部分组成，原理机可以实现射频识别技术中的相关编码、调制、解调和解码，并把相关数据能通过无线模块发送到手机终端进行波形显示。本平台可以实现单极性不归零码、曼彻斯特码、密勒码、修正密勒码以及ISO/IEC 15693标准中的脉冲位置（PPM）编码等五种类型的编码和解码，以及实现FSK和ASK两种方式的调制和解调。应用机可以实现125KHz射频模块的ID卡读卡、13.56MHz射频模块的Mitre$50卡读写卡并将相关数据发送到电脑上位机端，还可以动画演示13.56MHz射频模块的寻卡、防冲突、选卡、密钥验证、读卡、写卡的具体过程。整个实验平台能使相关专业学生能更加有效地学习射频识别的原理知识。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15143831.htm
