RFID读卡器的毕业论文设计

第1 章 绪 言RFID 即射频识别，是RadioFrequenCyIdentification 的缩写，常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等等。它是20世纪90 年代开始兴起的一种非接触的自动识别技术，RFID 技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。近年来，射频识别已经逐步发展成为一个独立、跨学科的专业领域。这个专业领域与任何传统学科都不同。它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起:如射频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业应用领域。11 RFID背景及意义自动识别系统有：条型码系统、光学码系统、光学符号识别系统、生物识别法、IC 卡，到最后的RFID 系统。RFID 系统是IC 技术的延伸和发展，它是无线电频率识别的简称，与传统意义上的识别方式的本质区别在于能量供应和数据交换是运用无线电和雷达技术实现的。射频识别(RFID Radio Frequency Identification)技术是二十世纪九十年代兴起的一种天线的、非接触方式的自动识别技术，是近几年发展起来的前沿科技项目。该技术主要是利用射频信号通过空间耦合(电感或电磁耦合)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。射频识别技术的显著优点在于非接触性，因此完成识别工作时无需人工干预，能够实现识别自动化且不易损坏；可识别高速运动物体并可同时识别多个射频标签，操作快捷方便；射频标签不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，且可以穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。研究RFID技术，发展RFID产业对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面产生深远影响，具有战略性的重大意义。因此，RFID技术已在世界各地得到广泛的应用，以美国、日本和欧洲的发达的国家对该技术应用研究已经达到相当高的水平，而我国处于起步状态，大多采用了引进的技术成果。所以研究该技术己成为我国当今社会发展的必然趋势。另外，RFID技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且包括通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。因此对RFID技术的认识和应用研究具有深远的理论意义。现在，射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，也将在中国很快地普及。典型的射频识别应用系统由非接触式IC卡、非接触式IC卡读写器和应用系统组成，其中非接触式IC卡读写器是连接非接触式IC卡和应用系统的桥梁，是射频识别应用系统中的关键部件。而且现在的发展趋势要求射频识别系统要有更高的安全性，因此设计一款安全有效的读写器有着重要的商业价值意义。12国内外研究现状RFID技术应该归结为雷达技术的发展及应用，因此其历史可追溯到20世纪初期，大约在1922年雷达诞生了，随后，在1944年出现了早期研究RFID技术的一篇里程碑的论文： “Communication by Means of Reflected Power”。后来，随着电子技术的发展，如晶体管集成电路、微处理芯片、通信网络等技术，拉开了RFID技术的研究序幕。在20世纪60年代发表了一系列RFID技术论文及专利文科51。RFID的应用已于20世纪60年代应运而生，在20世纪60年代末出现了商用RFID系统一电子物品防盗系统简称EAS(Electronic Article Surveillance)设备。EAS被认为是RFID技术最早、最广泛应用于商业领域的系统。20世纪70年代末RFID技术成为人们研究的热门课题，各种机构都开始致力于RFID技术的开发，出现了一系列的研究成果，并且将RFID技术成功应用于自动汽车识别的电子记费系统、动物跟踪以及工厂自动化等。20世纪80年代是充分使用RFID技术的lO年。射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多，应用广泛。从全球的范围看，美国己经在RFID 标准的建立、相关软件硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。在射频识别技术的应用方面，欧洲与美国基本处于同一阶段。(1)在美国产业方面，TI 公司、Intel 公司等集成电路厂商目前在RFID领域投入巨资进行芯片开发。Symbol 公司己经研发出同时可以识别条形码和射频标签的读写器。IBM 公司、MICrosoft 公司和HP 公司等也在积极开发相应的软件及系统来支持RFID 的应用。目前，美国的交通、车辆管理、身份识别、生产线自动控制、仓储管理及物资跟踪等领域己经开始逐步应用在RFID 技术。在物流方面，美国己有多家企业支持RFID 应用。(2)在欧洲产业方面，PhilipS 公司、ST 微电子公司在积极开发廉价的RFID 芯片，诺基亚公司在开发能够基于RFID 的移动电路购物系统。(3)在应用方面，欧洲在诸如交通、身份识别、生产线自动化控制、物资跟踪等封闭系统与美国基本处于同一阶段。目前，欧洲许多大型企业纷纷进行RFID 的应用实验等等。在国内，由于涉足RFID 较晚，因而在该领域落后于发达国家，特别是芯片的设计生产方面还比较落后。我国很多企业对RFID 的认识不够充分，基础设施的缺失也为在我国的发展设置了障碍。但RFID 在我国有广阔的市场前景，在防伪识别领域，即有很大的发展空间。我国每年因假冒伪劣而承受巨大损失。在商品上贴上射频标签可以有效制止假冒伪劣产品的猖撅。目前，我国在射频卡方面得到较好的发展:新军官证、学生证都采用了射频卡技术。同时，清华同方已拥有THR99O 和THR10XX两大非接触式卡系列产品，其中THR99O4 已大规模应用于我国第二代居民身份证项目，该项目是我国应用射频卡最大的项目。清华同方开发出的THRloxx 系列是一套完整的射频模块解决方案，己在公交、身份识别等多个领域得到了广泛的使用。一些IC 设计企业也开始设计自己的RFID 系统产品，如华大、上海华虹、清华同方等。随着技术的重要性日益体现，我国政府也希望在这项技术上有所创新。2004 年2 月，我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签”国家标准工作组，负责起草、指定我国有关“电子标签”的国家标准。2006 年6 月中国射频识别技术政策白皮书在北京发布，该白皮书为RFID 技术与产业未来几年的发展提供了系统性的指南。2006 年10月863 计划投入经费一亿两千八百万人民币用于“射频识别技术与应用”。随着RFID 技术的发展演进以及成本的降低，未来几年内，全球开放的市场将为RFID 带来巨大的商机。为了适应数字化信息社会发展的需求，RFID技术的研究也在突飞猛进地发展。在欧洲、美国及日本等国正在研究各式各样的RFID技术。各种新功能的RFID系统不断涌现，满足各式各样的市场需求。由于电子标签是从外部射频场中获取能量，因此电子标签的低功耗技术成为关注的焦点。微功率的单片电子标签芯片已被研制出来，极低功耗的电子标签技术正在研制之中。在实际应用中，多标签和多阅读器等的防冲突通信协议也是人们研究的焦点。目前我国非接触式IC卡的制卡技术及其相应的读写卡设备技术仍处于相对落后状态，这在要求有极高安全性和保密性的金融行业中制约了我国射频识别技术的发展和普及。也正因为如此，许多软硬件企业也纷纷瞄准这一新的IC卡领域进行生产与开发，相信非接触式IC卡的广泛应用前景必将带来这一市场越来越激烈的竞争和更快的发展。13本文的选题、研究内容和意义近年来，RFID技术已经在社会众多领域开始应用。对改善人民生活质量，提高企业经济效益，加强公共安全以及提高社会信息化水平产生了重要影响。根据预测RFID技术将在未来2至5年逐渐开始大规模应用。中国RFID技术政策白皮书提出了中国在RFID技术方面的发展战略，预计在2012年基本形成中国RFID标准体系，使RFID应用进入成熟期。基于RFID技术如火如荼的发展热潮，本文选择了RFID技术为研究方向，所研究的题目为基于51单片机的RFID读写模块的设计。本文主要跟踪研究了RFID系统的基本原理、国际国内研究现状、RFID系统在国内外的应用情况以及RFID系统面临的挑战，并着眼于实际应用，研究开发单片机控制RFID读卡器系统，其中主要有硬件系统和驱动软件两部分。硬件系统研究内容为设计MCU和阅读器芯片MF RC500之间的连接和控制方式；阅读器芯片和天线之间的连接控制方式；整个读卡器系统和上位PC之间的通信接口的设计开发。软件部分主要内容是对RFID标签的读写驱动程序的设计开发。因此，通过对RFID系统的研究和开发可以参与到RFID的应用中去。具有很强的实用价值和现实意义。14本文主要工作本文的主要工作：1设计RFID读卡器硬件 芯片选型，确定选用的芯片； 了解芯片的技术手册及外围电路，分析芯片间的接线方式，设计硬件原理图；2设计RFID读卡器软件 编写访问读写芯片寄存器的基本程序； 根据射频通信协议，按照非接触式IC卡与读写芯片的通信流程编写读写芯片的功能函数； 编写上位机演示程序，完成RFID读卡器对M1卡的读写操作；3完成AES算法在单片机上的移植，设计安全认证系统方案。第2章RFID技术简介2.1 RFID技术概述RFID 即射频识别技术，是RadioFrequenCyIdentification 的缩写，是自动识别技术的一种，通过无线电射频方式进行双向数据通信，对目标加以识别别获取相关数据。它的主要核心部件是电子标签，通过相距几厘米到几米距高内读写器发射的无线电波，可以读取电子标签内存储的信息，识别电子标签代表的物品、人和器具的身份。由于RFID标签的容量可以是2的96次方以上，它彻底抛弃了条形码的种种限制，使世界上的每一种商品都可以拥有独一无二的电子标签。况且，贴上电子标签之后的商品，从它在工厂的流水线上开始，到摆上商场的货架，再到消费者购买后结账，甚至到标签最后被回收的整个过程都能够被追踪管理。射频识别技术具有很多突出的优点：RFID技术不需要人工干预，不需要直接接触、不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放的物理接口，能更好地保证机具的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。如DES、RSA、DSA、MD5等，读写器与标签之间也可相互认证，实现安全通信和存储；总体成本一直处于下降之中，等越来越接近接触式IC卡的成本，甚至更低，为其大量应用奠定了基础。如果RFID技术能与电子供应链紧密联系，那么他很有可能在几年之内取代条形码扫描技术。射频识别技术以其独特的优势，逐渐地被广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大,射频识别产品的成本将不断下降，其应用将越来越广泛。射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区以及非洲南部，射频识别技术被广泛应用于工业自动化，商业自动化、交通运输控制管理等总舵领域，如汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓储管理，动物管理，车辆防盗等。而在中国，由于射频识别技术起步较晚，应用领域不是很广。目前，射频标签主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。其中，我国射频标签应用最大的项目是第二代公民身份证。总之射频识别技术在未来的发展中结合其他高新技术，如GPS、生物识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通信及计算机技术，实现跨地区、跨行业应用。2.2 RFID技术的发展历史RFID技术最早应用始于第二次世界大战期间，至今已有60多年的历史。最早使用RFID技术的别不是沃尔玛或麦德龙，而是美国国防部军需供应局。早在二战时，它就被美军用于战争中识别自家和盟军的飞机，但由于昂贵的价格抑制了其广泛应用。在美军对伊拉克的战争中，这一技术再一次得到了真正的检验，由于采用了RFID技术、ERP技术及供应链管理系统，美军实现了对战略物资的准确调配，保证了前线弹药和物资的准确供应。按照RFID技术的发展过程，可以将其划分为以下几个阶段：（1）19411950年。雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。 （2）19511960年。早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 (3)19611970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 (4)19711980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。 (5)19811990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。 (6)19912000年。RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。 (7)2001今。标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、 无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。 射频识别技术在国外发展很快，RFID产品种类繁多，像德州仪器，Motorola、Philips等世界著名厂家都生产RFID产品，并各有特点，自成系列。我国虽然起步较晚，但经过几年的努力已经开发出了拥有自主知识产权的产品。2004 年全球RFID市场规模达到了18.2亿美元，市场增长率达到32.8%，RFID在国外的应用正迅速发展。国内地低频RFID技术应用比较成熟，2004年国内低频RFID市场规模达到16.5亿元；但是在高频RFID技术应用上，国内还处于试验阶段，高频RFID在政府行业部门如铁道部、航空及海关等得到了试点，另外，在少数物流和制造企业也正在进行RFID的试点。中国RFID产业链基本形成，但还不完善，特别是RFID中间件设备商数量较少。此外，RFID标准迟迟没有出台，RFID标签价格较高以及国内用户对RFID认知不够这些因素的影响，对我国RFID产业及市场的发展造成了一定的阻碍。按照目前RFID技术发展的进度，相关技术问题可望在短期内得到解决，而随着芯片制作工艺的不断发展和RFID技术应用的扩展，成本问题也将得到解决。我们相信标签价格将随着技术的发展及生产规模的扩大而得以解决，隐私问题则需要各个国家通过立法对用户的隐私权加以保护来逐步解决。RFID技术所独有的优势，最终将在全球形成一个巨大的产业，值得各个领域加以关注。2.3关键技术主要包括产业化关键技术和应用关键技术两方面，其中RFID产业化关键技术主要包括： （1）标签芯片设计与制造：例如低成本、低功耗的RFID芯片设计与制造技术，适合标签芯片实现的新型存储技术，防冲突算法及电路实现技术，芯片安全技术，以及标签芯片与传感器的集成技术等。 （2）天线设计与制造：例如标签天线匹配技术，针对不同应用对象的RFID标签天线结构优化技术，多标签天线优化分布技术，片上天线技术，读写器智能波束扫描天线阵技术，以及RFID标签天线设计仿真软件等。 （3）RFID标签封装技术与装备：例如基于低温热压的封装工艺，精密机构设计优化，多物理量检测与控制，高速高精运动控制，装备故障自诊断与修复，以及在线检测技术等。 （4）RFID标签集成：例如芯片与天线及所附着的特殊材料介质三者之间的匹配技术，标签加工过程中的一致性技术等。 （5）读写器设计：例如密集读写器技术，抗干扰技术，低成本小型化读写器集成技术，以及读写器安全认证技术等。 RFID应用关键技术主要包括： （1）RFID应用体系架构：例如RFID应用系统中各种软硬件和数据的接口技术及服务技术等。 （2）RFID系统集成与数据管理：例如RFID与无线通信、传感网络、信息安全、工业控制等的集成技术，RFID应用系统中间件技术，海量RFID信息资源的组织、存储、管理、交换、分发、数据处理和跨平台计算技术等。 （3）RFID公共服务体系：提供支持RFID社会性应用的基础服务体系的认证、注册、编码管理、多编码体系映射、编码解析、检索与跟踪等技术与服务。（4）RFID检测技术与规范：例如面向不同行业应用的RFID标签及相关产品物理特性和性能一致性检测技术与规范，标签与读写器之间空中接口一致性检测技术与规范，以及系统解决方案综合性检测技术与规范等。2.4 RFID的分类RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW），相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M960MHz、微波2.4G，5.8G RFID按照能源的供给方式分为无源RFID，有源RFID，以及半有源RFID。无源RFID读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。2.5 RFID的基本组成部分RFID的基本组成部分主要包括：RFID标签、读写器、天线、中间件。RFID标签俗称电子标签，也称应答器（tag,transponder,responder），根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类，本文主要研究被动式RFID标签及系统。被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。RFID标签中存储一个唯一编码，通常为64bits、96bits甚至更高，其地址空间大大高于条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用范围内）在标签天线两端产生感应电势差，并在标签芯片通路中形成微弱电流，如果这个电流强度超过一个阈值，就将激活RFID标签芯片电路工作，从而对标签芯片中的存储器进行读/写操作，微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。 读写器也称阅读器、询问器（reader, interrogator），是对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。读写器是RFID系统中最重要的基础设施，一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。在上传数据时，读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤，将其加工为读写器事件后再上传，以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量，因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功能，如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势，还将具备更加强大的前端控制功能，例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。在物联网中，读写器将成为同时具有通讯、控制和计算（communication, control, computing）功能的C3核心设备。 天线（antenna）是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。RFID系统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此不再单独讨论，另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视，在实际应用中，天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性，还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。 中间件（middleware）是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层应用软件提供多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过滤、聚合和计算，抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件，以满足来自多个客户端的检索、发布/订阅和控制请求。 应用软件（application software）是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。由于应用软件需要根据不同应用领域的不同企业进行专门制定，因此很难具有通用性。从应用评价标准来说，使用者在应用软件端的用户体验是判断一个RFID应用案例成功与否的决定性因素之一。2.6 RFID应用现状在过去10年中，有6000多种关于RFID技术的专利申请。（1）国外应用现状 国外发展最显著的例子是年营业额占全球的零售业两成，美国零售业的六成，被美国商业周刊称为全球企业新独裁者的沃尔玛百货公司。在2003年11月5日，全球一百家沃尔玛百货最大的供货商全数聚集于沃尔玛百货位于美国阿肯色州罗杰市的总部，现场还有来自世界各地的零售相关业者、重要的科技公司如甲骨文、SPA、IBM等。这一天被沃尔玛百货公司视为充满硝烟味的“D day”（二战中联军登陆法国诺曼底半岛，启动胜利反攻的日子）。沃尔玛百货正式宣布，到2005年底截止，所有供应沃尔玛百货的商品包装箱上，都要有应用RFID技术的电子商品条形码。沃尔玛百货预期能用新技术进一步降低成本，尤其是减少与库存流程相关的物流失误并减低人力成本。一位分析师估计，沃尔玛百货应用RFID技术以后，每年节省成本可达84亿美元。目前，许多欧美国家高速路有电子收费站，只要凭着黏在车上的RFID标签，就可直接通过收费道，自动扣款，不须停车。美国太空总署想用这种技术追踪发射到太空中的东西。澳洲政府想以此来管理比澳洲人口多许多的袋鼠。另外，英国航空公司正进行RFID的试验计划，允许某些特定的智能型RFID标签在扫描的同时改变其记录内容，不需要换帖新的RFID标签。如此一来，将使航空公司利用RFID上的重量数据的加重而很容易侦测到旅客利用转机夹带非法物品的可能性。此外，旅客报到时不需要使用扫描条码器，亦可简化手续流程。（2）国内应用现状作为本世纪十大重要技术之一，RFID在国外的应用已经越来越普及，新加坡、韩国等国家都明确指出要重点发展电子标签。而中国是世界生产中心之一和最具潜力的消费市场，对RFID的应用需求也将越来越强烈。目前中国已经开始尝试在一些领域进行应用示范。比如国家煤矿工种在安全帽上使用标签，以解决煤矿工人安全检查的问题；邮政行业正在进行物品传输方面的安全及整体数据模型的应用测试。同时，EPC Global China也建立了中国测试中心，其主要服务方向包括国内产品进入国外市场，国外产品进入中国市场。其测试内容包括硬件、软件、EPC标准的测试，以及对RFID产品及兼容的测试，还包括解决方案实际应用之前的测试等。中国标准化协会EPC和物联网应用标准化工作组还会在汽车行业、航空行业、石化、汽油、酒业、金融行业、零售行业、药品管理、医院管理方面进行应用示范。RFID技术也应用到了公共交通、地铁、校园、社会保障等领域。1996年，佛山市政府安装了RFID系统用于自动收取路桥费，明显地提高了车辆通过率，缓解了公路瓶颈。车辆可以在25kmh的速度下用少于0.5ms的时间被识别，并且正确率达99.95。上海也安装了基于RFID技术的自动收缴养路费系统。广州也尝试在开放的高速公路上用RFID系统对高速行驶的车辆进行自动收费。上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。目前，北京的公交车都加装了电子车票收费系统。2.7 RFID技术的应用领域 射频识别技术被广泛应用于1：业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域。主要应用在以下领域：(1)高速公路收费及智能交通系统高速公路自动收费系统是射频识别技术最成功的应用之一。目前中国的高速公路发展非常快，地区绎济发展的先决条件就是有便利的交通条件，而高速公路收费却存在一些问题，一是交通堵塞，在收费站口，许多车辆要停车排队交费，成为交通瓶颈问题：二是少数小法的收费员贪污路费，使国家损失了财政收入。RFID技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现射频识别技术的优势。在车辆高速通过收费站的同时自动完成缴费，解决了上述两大问题。(2)生产的自动化及过程控制射频识别技术因其具有抗恶劣环境能力强、非接触识别等特点，在生产过程控制中有很多应用。通过在大型工厂的自动化流水作业线。上使用射频识别技术，实现了物科跟踪和生产过程自动控制、监视，提高了生产率，改进了生产方式，节约了成本。在生产线的自动化及过程控制方向，德国BMW公司为保证汽车在流水线各位置准确地完成装配任务，将射频识别系统席用在汽车装配线上。而Motorola公司则采用了射频识别技术的自动识别工序控制系统，满足了半导体生产对于环境的特殊要求，同时提高了生产效率。(3)车辆的自动识别以搜防盗通过建立采用射频识别技术的自动车号识别系统，能够随时了解车辆的运行情况，一是实现了车辆的自动跟踪管理，二是大大减小了发生事故的可能性，三是通过射频识别技术对车辆的主人进行有效验证，防止车辆偷盗发生，四是可以在车辆丢失以后有效寻找丢失的车辆。采用射频识别技术还可以对道路交通流量实时监控、统汁、涮度，车辆闯红灯记录报警，被盗(可疑)车辆报警、跟踪，特殊车辆跟踪，肇事逃逸车辆排查等。有趣的是，英国计划在汽车上安装射频芯片，超速将被自动“举报”。(4)电子票证使用射频识别标签来代替各种“卡”，实现非现金结算，解决了现金交易不方便、不安全，以及以往的并种磁卡、IC卡容易损坏等问题。射频识别标签州起来方便、快捷，还可以同时识别几张标签，并行收费。射频识别系统，特别是非接触IC卡(电子标签)应用潜力最大的领域之一就是公共交通领域。使用电子标签作为电子车票，具有使用方便、可以缩短交易时间、降低运营成本等优势。1996年1月韩国就在汉城的600辆公共汽车上安装射频识别系统用于电子月票，实现了非现金结算，方便了市民出行。而德国汉莎航空公司则开始试用射频卡(电子标签)作为飞机票，改变了传统的机票购销方式，简化了机场入关手续。(5)货物跟踪管理及监控射频识别技术为货物的跟踪管理及监控提供了方便、快捷、准确、自动化的技术手段。以射频识别技术为核心的集装箱自动识别，成为全球范围内最大的货物跟踪管理应用。将记录有集装箱位置、物品类别、数量等数据的标签安装在集装箱上，借助射频识别技术，就可以确定集装箱在货场内的确切位置，在移动时可以将更新的数据写入射频卡(电子标签)。系统还可以识别未被允许的集装箱移动，有利于管理和安全。在货物的跟踪、管理及监控方面，澳大利亚和英国的西思罗机场将射频识别技术应用于旅客行李管理中，大大提高了分拣效率，降低了出错率。而我国铁路行包自动追踪管理系统还只是在计划推广之中，真正应用还要假以时日。(6)仓储、配送等物流环节将射频识别系统用于智能仓库货物管理，可以有效地解决仓库里与货物流动相关的信息的管理，监控货物信息，实时了解产品情况，自动识别货物，确定货物的位置。(7)邮件、邮包的自动分拣系统射频识别技术已经被成功应用到邮政领域的邮包自动分拣系统中，它具有非接触、非视线数据传输的特点，所以包裹传送中可以不考虑包裹的方向性问题。另外，当多个目标同时进入识别区域时，可以同时识别，大大提高了货物分拣能力和处理速度。另外，由于电子标签可以记录包裹的所有特征数据，更有利于提高邮包分拣的准确性。(8)动物跟踪和管理射频识别技术可以用于动物跟踪与管理。将用小玻璃封装的射频识别标签植于动物皮下，可以标识牲畜，监测动物健康状犹等重要信息，为牧(禽)场的管理现代化提供了可靠的技术手段。在大型养殖厂，可以通过采用射频识别技术建立饲养档案、预防接种档案等，达到高效、自动化管理畜禽的目的，同时为食品安全提供了保障。射频识别技术还可用于信鸽比赛、赛马识别等，以准确测定到达时间。在动物的跟踪及管理方而，许多发达国家采用射频识别技术，通过对牲畜个别识别，保证畜禽大规模疾病爆发期间对感染者的有效跟踪及对末感染者进行隔离控制。(9)门禁保安未来的门禁保安系统都可咀应用射频标签，一卡可以多用，比如作工作证、出入证、停车证、饭店住宿证甚至旅游护照等，可以有效地识别人员身份，进行安全管理以及高效收费，简化了出入手续，提高了工作效率，并且有效地进行了安全保护。人员出入时自动识别身份，非法闯人时会有报警。安全级别要求高的地方，还可以结合其他的识别方式，将指纹、掌纹或颜面特征存入射频标签。(10)防伪伪造问题在世界各地都是令人头疼的问题，现在应用的防伪技术，如全息防伪等技术同样也被不法分子伪造。将射频识别技术应用布防伪领域有它自身的技术优势，它具有成本低但却很难伪造的优点。射频识别标签的成本相对便宜，且芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂，使伪造者望而却步。射频识别标签本身具有内存，可以储存、修改与产品有关的数据，利于进行真伪的鉴别。利用这种技术不用改变现行的数据管理体制，惟一的产品标识号完全可以做到与己用数据库体系兼容。(11)运动计时在马拉松比赛中，由于参赛人员太多，如果没有一个精确的计时装置就会造成不公平的竞争。射频识别标签应用于马拉松比赛的精确计时，这样每个运动员都有自己的起始和结束时间，不公平的竞争就不会出现了。射频识别技术还可应用于汽车大奖赛上的精确计时。2.8 RFID技术的发展趋势随着RFID技术不断发展和应用系统的推广普及，射频识别技术在性能等各方面都会有较大提高，成本将逐步降低。可以预见未来RFID技术的发展将有以下趋势：1、标签产品多样化。未来用户个性化需求较强，单一产品不能适应未来发展和市场需求。芯片频率、容量、天线、封装材料等组合形成产品系列化，与其他高科技融合，如与传感器、GPS、生物识别结合将由单一识别向多功能识别发展。2、系统网络化。当RFID系统应用普及到一定程度时，每件产品通过电子标签赋予身份标识，与互联网、电子商务结合将是必然趋势，也必将改变人们传统的生活、工作和学习方式。3、系统的兼容性更好。随着标准的统一，系统地兼容性将会得到更好的发挥，产品替代性更强。4、与其他产业融合。与其他IT产业一样，当标准和关键技术解决和突破之后，与其他产业如3C、3网等融合将形成更大的产业集群，并得到更加广泛的应用，实现跨地区、跨行业应用。第3章RFID读卡器的工作原理RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术，可以通过射频信号自动识别目标对象，获取相关的数据，不需人工接触、不需光学可视即可完成信息输入和处理，并且操作简单快捷。本章主要介绍RFID读卡器的工作原理3.1 RFID读卡器的基本组成部分最基本的RFID应用系统由三部分组成：如图3.1所示电子标签1电子标签2计算机接口单元控制模块收发模块耦合模块阅读器天线天线.数据时序能量A 标签(Tag) B 阅读器(Reader) C 天线(Antenna)图3.1RFID系统框图（1）电子标签电子标签附着在待识别的物品上，是射频识别系统真正的数据载体，当标签进入天线有效覆盖区域内无源标签就能从天线发出的电磁场中获得能量，从而被激活。一般情况下，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。 （2）阅读器当附着有电子标签的待识别物品通过其读出范围内时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或自动收集物品标识信息的功能。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。 （3）天线天线及空间信道天线用于发射信号来形成有效的电磁场覆盖区域和接收标签的返回信号。针对无源标签的任务有两个：一是通过电磁场耦合向标签提供能量，二是通过电磁耦合在标签与阅读器之间建立传送数据的通道。在RFID系统中应该使用方向性天线，它与全向天线相比具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和ASIC（为专门目的所设计的集成电路）相匹配。3.2 RFID读卡器的基本工作原理RFID读卡器的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。 以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成, 感应偶合(Inductive Coupling) 及反向散射偶合(Backscatter Coupling)两种, 一般低频的RFID大都采用第一种式, 而较高频大多采用第二种方式。 阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。 在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。如图3.2所示中间件及应用软件应用系统响应单元编码解码存储器物理接口调试解调查询写入读取命令 写数据读数据 阅 读 器电子标签数据能量数据协议处理器标签驱动射频单元应用程序接口（API） 空中接口图3.2 RFID读卡器工作原理框图3.3 RFID读卡器总体设计第4章 RFID读写器硬件的设计非接触式IC卡读写器的硬件电路主要由5部分组成，硬件电路框图如图41所示。下面将分别介绍各个部分的设计。复位电路声音提示及显示部分MCU控制部分射频部分串行通信部分图4.1硬件电路框图4.1 MCU控制部分 MCU控制部分是非接触式IC卡读写器的控制核心，主要负责对射频基站部分的初始化工作，对串行通讯部分进行初始化，控制通讯部分完成与上位机进行串行数据通讯，接收上位机的命令，通过控制射频部分完成对非接触式IC卡进行各种操作。单片机选用的是STC89C52RC，该单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期和6时钟机器周期可任意选择，而且他支持ISP(在系统编程)IAP(在应用可编程)，无需专用的编程器、仿真器，可通过串口(P30、P31)直接下载程序，用于做实验非常的方便，可以省去昂贵的仿真器费用。STC89C52RC单片机的引脚如图42所示图4.2 STC89C52RC单片机引脚图STC89C52RC单片机的主要工作特性是：片内程序存储器含8KB的Flash程序存储器，可擦写1000次：片内数据存储器含512字节的RAM；具有32个通用IO口，3个16位定时器计数器；4路外部中断，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发方式唤醒；通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART；工作电源电压为5534V，最高的工作频率可达48MHz。42射频部分射频部分是非接触式IC卡读写器的关键部件，通过该部分与非接触式IC卡进行数据通信。射频部分的主要部件就是射频基站芯片，这里选用的是NXP公司的射频基站芯片MFRC500。MFRC500是应用于13.56MHz非接触通信中高度集成读卡IC系列的成员，利用先进的调制和解调概念，完全集成了13.56MHz下所有类型的被动非接触通信方式和协议。MFRC500支持IS014443A的所有层协议。内部的发送器不需要增加有源电路就能够驱动近距离天线实现通信(通信距离可达100mm)。接收部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于处理IS014443A兼容的非接触式IC卡的信号。数字信号部分处理IS014443A帧和错误检测(奇偶和CRC校验)。另外，它支持快速的CRYPTOI安全算法来验证MIFARE Classic产品。方便的并行接口能够直接与8位的微处理器相连，为读写器终端的设计提供了更高的灵活性。其功能框图如图4.3所示图4.3 MFRC500功能框图并行微控制器接口自动检测连接的 8 位并行接口的类型。它包含一个易用的双向FIFO缓冲区和一个可配置的中断输出。这样就为连接各种MCU 提供了很大的灵活性。即使使用非常低成本的器件也能满足高速非接触式通信的要求。数据处理部分执行数据的并行串行转换。它支持的帧包括CRC 和奇偶校验。它以完全透明的模式进行操作，因而支持ISO14443A 的所有层。状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响并使性能调节到最佳状态。当与MIFARE Standard 和MIFARE 产品通信时，使用高速CRYPTO1 流密码单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。模拟电路包含了一个具有非常低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这使得最大操作距离可达100mm。接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。由于采用了非常先进的技术，接收器已不再是限制操作距离的因素了。功能特性主要有： 高集成度的调制解调电路； 缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线； 最大工作距离100mm； 支持ISO 14443 TypeA协议的-1-4部分和Mifare经典协议； 采用Crypto1加密算法并含有安全的非易失性内部密匙存储器； 并行微处理器接口带有内部地址锁存和中断请求线； 自动检测微处理器并行接口类型； 灵活的中断处理； 64字节发送和接收FIFO缓冲区； 带低功耗的硬件复位； 可编程定时器； 唯一的序列号； 用户可编程初始化配置； 面向位和字节的帧结构； 支持防碰撞操作； 数字、模拟和发送器部分经独立的引脚分别供电； 内部振荡器缓存器连接13.56MHz石英晶体； 在短距离应用中，发送器（天线驱动）可以用3.3V供电。MFRC500芯片的引脚如图4.4该器件为 32 脚SO 封装。器件使用了3 个独立的电源以实现在EMC 特性和信号退耦方面达到最佳性能。MF RC500 具有出色的RF 性能并且模拟和数字部分可适应不同的操作电压。图4.4 MFRC500芯片的引脚图管脚描述如下：（1）天线：非接触式天线使用以下 4个管脚，如表4.1所示 表4.1 天线管脚描述名 称类型功能TX1, TX2输出缓冲天线驱动器WMID模拟参考电压RX输入模拟天线输入信号为了驱动天线，MFRC500通过 TX1和 TX2提供 13.56MHz的能量载波。根据寄存器 的设定对发送数据进行调制得到发送的信号。卡采用 RF场的负载调制进行响应。天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX脚。MFRC500内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。然后数据发 送到并行接口由微控制器进行读取。（2）电源：MFRC500对驱动部分使用单独电源供电。如图表4.2、4.3、4.4所示表 4.2 发送器电源管脚描述名 称 类 型功 能TVDD电源发送器电源电压TGND电源发送器电源地表4.3模拟电源管脚描述名 称 类 型功 能 AVDD电源模拟部分电源电压 AGND电源模拟部分电源地为了实现最佳性能，MF RC500 的模拟部分也使用单独电源。它对振荡器、模拟解调 器和解码器电路供电。表 4.4数字电源管脚描述名 称 类 型功 能 DVDD电源数字部分电源电压 DGND电源数字部分电源地MF RC500 数字部分使用单独电源。（3）辅助管脚：可选择内部信号驱动该管脚。它作为设计和测试之用。（4）复位管脚：复位管脚禁止了内部电流源和时钟并使 MFRC500 从微控制器总线接口脱开。如果RST释放，MFRC500 执行上电时序。 （5）振荡器：13.56MHz 晶振通过快速片内缓冲区连接到OSCIN和OSCOUT。如果器件采用外部时钟，可从OSCIN输入。如图表4.5表4.5振荡器管脚描述名 称 类 型功 能 OSCIN输入振荡器缓冲输入 OSCOUT输出振荡器缓冲输出（6）MIFARE接口：MFRC500支持MIFARE有源天线的概念。它可以处理管脚MFIN和MFOUT处的MIFARE核心模块的基带信号NPAUSE和KOMP。表 4.6 MIFARE 接口管脚描述 名 称类 型功 能 MFIN 输入MIFARE 接口输入 MFOUT输出MIFARE 接口输出MIFARE 接口可采用下列方式与MFRC500的模拟或数字部分单独通信：模拟电路可通过MIFARE接口独立使用。这种情况下，MFIN连接到外部产生的NPAUSE信号。MFOUT提供KOMP信号；数字电路可通过MIFARE接口驱动外部信号电路。这种情况下，MFOUT提供内 部产生的NPAUSE信号而MFIN连接到外部输入的KOMP信号。（7）并行接口下面列出的 16 个管脚用于控制并行接口：表4.7并行接口管脚描述名称类型功能D0 D7带施密特触发器的I/O双向数据总线A0 A7带施密特触发器的 I/O地址线NWR/RNW带施密特触发器的I/O/写禁止/只读NRD/NDS带施密特触发器的 I/O读/数据选通禁止NCS带施密特触发器的 I/O片选禁止ALE带施密特触发器的 I/O地址锁存使能IRQ输出中断请求36