射频识别系统中读写模块的软硬件设计介绍

射频识别RFID（Radio Frequency IdenTIficaTIon）技术于20世纪80年代兴起，最近几年得到迅速发展。它是一种利用射 频通信方法实现非接触式、快速、实时、准确地采集与处理信息的自动识别技术。RFID技术同互联网技术相结合可以实现全球范围内物品的跟踪与信息的共享， 被世界公认为21世纪十大最热门的重要技术之一，具有广泛的应用前景。近年来RFID产业在我国迅速增长，已渗透到人们生活、工作等各个方面。RFID市 场分析预测显示，我国RFID需求增长迅速。2006年10月份国家将射频识别（RFID）技术列入863重大应用项目，科技部拨巨额资金重点支持我国 RFID领域技术的突破与自主创新。

读写器在整个射频识别系统中起着举足轻重的作用。读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段， 其功率直接影响射频识别的距离。人们通过计算机应用软件来处理对射频标签写入或读取其携带的数据信息，由于标签的非接触性，人们必须借助处于应用系统与标 签之间的读写器来实现数据的读写功能。这使得读写器在整个通信过程中起着关键性的桥梁作用。

1 读写器的组成结构

读写器可以简化为两个基本的功能模块：控制部分和射频部分。控制部分即MCU控制电路，其功能是由智能单元发出命令，对射频部分回收来的信号进行必要的 处理，将结果放入存储单元。 而射频部分由读写器芯片及外围电路组成，包括发射器和接收器，其功能包括对发射信号进行调制、将数据传送给电子标签、接收并 解调来自电子标签的高频信号。

2 硬件设计

2.1读写器芯片S6700

S6700是TI公司推出的一款具有代表性的多协议收发器芯片（RI-R6C-001A），工作频率为13.56MHz；支持三种协议，分别是Tag- it协议、ISO/IEC 15693-2、ISO/IEC 14443-2（TYPE A）；其典型电源为+5V，典型发射功率为200mW，确保电压 在3～5.5V之间；采用SSOP20封装，内部集成有发射调节器和接收解调器，采用曼彻斯特编码方式，有空闲模式（IDLE）、掉电模式 （POWER DOWN）、工作模式（FULL POWER）三种电源管理功能；支持的调制方式有100%和10%～30%的 ASK（Amplitude Shift Keying），这两种调制方式可以通过应用软件切换，调制深度通过改变与R_MOD端相连的电阻值来实现。

发射通道首先对DIN、SCLOCK的数据解码，经过深度调制，再经过功率放大器和低通滤波器后输出。接收通道对接收数据进行检波，得到423/484/848kHz的信号，经解码后输出DOUT和M_ERR信号。

在读写过程中，ISO/IEO15693-2所规定的读写器与应答器通信物理层协议的接口全部由S6700实现，CPU通过同步串行接口（SPI）与 S6700相连，CPU和S6700的通信接口有四根线：时钟线（SCLOCK）、数据输入线（DIN）、数据输出线（DOUT）、出错检测线 （M_ERR）。其中时钟线是双向的，在时钟的上升沿锁存数据。DOUT 除了有在接收数据期间的数据输出功能外，还用来表征芯片内部FIFO 的情况。

2.2 模块总体设计

控制部分MCU选用ATMEL公司的ATmega128芯片，是AVR单片机中功能很强的一款单片机，该芯片具有高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器，有先进的RISC结构，具有128KB的系统内在线可编程Flash。

所设计的读写器电路包括三个部分：S6700典型应用电路及外围辅助电路、CPU接口电路和天线等效电路。S6700各对应端分别连接在 ATmega128的PE5、PA0、PA1、PB5引脚上。在S6700的TX_OUT端将调制好的信号输出，经过一个LC网络将信号谐振放大，然后经 过一个T形网络（双L网络） 进行通带的选择与阻抗的匹配，最后输出到50Ω的天线。由于使用同一收发天线，在芯片的接收端应接一个2.2kΩ保护电阻， 以避免发射信号电压过大对芯片接收引脚造成损坏。R4、L4、C8、C9组成串联谐振电路，匹配阻抗为50Ω，可调电容C9用来准确调整电路谐振点在 13.56MHz。因为S6700与外部天线模块是直接相连，考虑到加上同轴电缆后将使得接口电路的稳定性下降，可通过调节C9得到13.56MHz且满 足50Ω的匹配阻抗。这一设计有利于读写器正确地收发信息。

3 通信协议

读 写器与电子标签通信采用半双工模式，即一问一答模式。一般都是由读写器先发言（Reader talks first）。参照图3所示的读写器的通信过 程，必须符合控制器与收发器S6700之间的通信协议以及收发器S6700与电子标签遵循的ISO15693-3规范。这里主要结合这两部分的通信协议加 以讨论。

3.1 请求命令结构

控制器发送一个命令给收发器必须保证正确的时序。一个典型命令的结构是：起始位S1，8位命令，数据（域），结束位ES1。

（1）起始位S1、结束位ES1波形。

（2）命令字节：规定收发器与电子标签通信时的相关参数。

（3）数据：数据域内容由ISO15693-3规定，取决于命令内容。

命令参数是表明远耦合器（VCD）到远耦合IC卡（VICC）之间的通信规则，包括采用什么支持协议、脉冲位置编码方式、调制深度、AM或FSK（频移 键控），例如：2EH，表示普通模式、支持射频协议15693（1 out of 4）、AM调制方式、调制深度100%、返回数据采用高数据率。只有该 命令字节的发送顺序是高位在先，即MSB FIRST，其他的数据、标志位发送顺序都是低位在先，即LSB FIRST。

以命令2E（00101110）和数据4E（01001110）为例的通信如图所示。