基于SPI總線的手持式RFID閱讀器設(shè)計(jì)

鐘 哲，王笑怡

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110032)

1 引言

為實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別，一般至少應(yīng)有兩種裝置:閱讀器和應(yīng)答器。應(yīng)答器中存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，閱讀器為讀出裝置，可無(wú)接觸地讀取應(yīng)答器中保存的電子數(shù)據(jù)。文中所指的應(yīng)答器基本原理與閱讀器一樣，因此僅詳細(xì)介紹了閱讀器的硬件電路設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)的目的是應(yīng)用于車輛防盜搶查驗(yàn)，除要求在80米有效距離內(nèi)準(zhǔn)確讀取車輛內(nèi)配置的應(yīng)答器中存儲(chǔ)的車輛身份信息，還要求閱讀器易于攜帶﹑使用簡(jiǎn)便。

閱讀器及配套的應(yīng)答器如圖1所示。

圖1 閱讀器與應(yīng)答器

閱讀器尺寸為102mm×45mm×16mm，應(yīng)答器尺寸為66mm×40mm×13mm

2 總體方案設(shè)計(jì)

閱讀器主要由6部分組成:P89LPC932單片機(jī)、射頻收發(fā)電路、LCD顯示及驅(qū)動(dòng)電路、標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)陣漢字庫(kù)、鍵盤電路和電源管理電路。由于外形尺寸的限制，單片機(jī)的I/O資源又有限，設(shè)計(jì)中選擇了占用I/O資源少、體積小的具備SPI接口的IC電路，閱讀器各部分電路間的數(shù)據(jù)傳輸都基于SPI總線結(jié)構(gòu)。總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)框圖

在閱讀器中單片機(jī)為核心部分，它通過(guò)SPI總線控制LCD顯示及驅(qū)動(dòng)電路顯示信息，控制射頻收發(fā)電路收發(fā)數(shù)據(jù)，從標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)陣漢字庫(kù)中讀取點(diǎn)陣碼點(diǎn)，通過(guò)通訊接口向鍵盤電路傳送掃描碼并讀取鍵值。單片機(jī)還通過(guò)I/O口線監(jiān)視電源管理電路的工作狀態(tài)。在功能設(shè)計(jì)上，對(duì)最重要的數(shù)據(jù)讀取，設(shè)計(jì)的操作模式與通用手機(jī)相近。閱讀時(shí)有兩種方式:

方式1為直接讀取，用于單獨(dú)車輛。按“接聽(tīng)鍵”即可讀回車輛的身份數(shù)據(jù)，顯示在LCD屏幕上的同時(shí)也保存在存儲(chǔ)器中。

方式2為選擇讀取，用于多個(gè)車輛。由鍵盤輸入3～5個(gè)車牌號(hào)碼后按“撥出鍵”即可讀出指定車輛的身份數(shù)據(jù)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 射頻收發(fā)電路

閱讀器采用的射頻收發(fā)芯片為nRF905單片無(wú)線收發(fā)器。該芯片由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)節(jié)器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器等組成，以低功耗ShockBurst模式工作。接收時(shí)nRF905以地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號(hào)通知單片機(jī)已完成了數(shù)據(jù)接收;發(fā)送時(shí)nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號(hào)通知單片機(jī)已完成了數(shù)據(jù)發(fā)送。

射頻收發(fā)電路如圖 3所示 。圖中 U10為nRF905芯片，天線匹配網(wǎng)路按433 MHz配置。U10的10～13管腳為SPI總線接口，該4條線與單片機(jī)的SPI接口互聯(lián)。U10的6～8管腳用于通知單片機(jī)本芯片數(shù)據(jù)處理工作情況。圖中U5用于擴(kuò)展單片機(jī)的I/O口線，與單片機(jī)也是通過(guò)SPI總線連接。U5的4～6管腳用于設(shè)定nRF905的4種工作模式。

圖3 射頻收發(fā)電路

3.2 LCD顯示及驅(qū)動(dòng)電路

閱讀器采用TD－F10280PTU圖形點(diǎn)陣屏作為人機(jī)交互接口。為減少電池消耗，設(shè)計(jì)中通過(guò)QP1作為開(kāi)關(guān)控制LCD的顯示，一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)無(wú)按鍵操作時(shí)自動(dòng)關(guān)斷;LCD屏的背光源也由程序加以控制。

LCD顯示及驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。圖中U9為TD－F10280PTU圖形點(diǎn)陣屏。由于該型號(hào)液晶顯示器數(shù)據(jù)接口為并行輸入，以U4(74HC595)串并轉(zhuǎn)換芯片作為SPI總線與液晶顯示器并行輸入數(shù)據(jù)接口過(guò)渡。圖中U5及其輸入端的2個(gè)與門實(shí)際上與圖3中的U5等是一套電路，在此圖中繪出是為方便說(shuō)明電路原理。U5的4～6管腳已用于設(shè)定nRF905的工作模式，1～3及7和15管腳分別用于U9的片選﹑清屏﹑工作模式和用電管控。

3.3 單片機(jī)和鍵盤電路

閱讀器采用的單片機(jī)為P89LPC932。該片為PHILIPS公司的產(chǎn)品，是一款低功耗﹑低價(jià)格﹑高速的Flash單片機(jī)。P89LPC932擁有的8KB Flash程序存儲(chǔ)器﹑256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器﹑SPI通信端口﹑可編程I/O端口等資源足以支撐本閱讀器的設(shè)計(jì)要求。

為滿足功能和使用要求，鍵盤結(jié)構(gòu)為矩陣式，減少M(fèi)CU有限的I/O端口占用。設(shè)計(jì)納入了通用手機(jī)的21個(gè)按鍵，足以滿足閱讀器功能設(shè)計(jì)的需要。

鑒于單片機(jī)和鍵盤電路應(yīng)用普遍，本文沒(méi)給出此部分電路原理圖。

3.4 電源管理電路

閱讀器日常工作時(shí)用電池供電，而且手機(jī)電池受體積限制容量有限。在設(shè)計(jì)中為盡量減少系統(tǒng)功耗，采用低電壓器件，系統(tǒng)在3伏電壓下工作。供電電路由3部分組成:電池﹑低壓差電源芯片和充電電路。電源管理電路如圖5所示。

圖4 LCD顯示及驅(qū)動(dòng)電路

圖5 電源管理電路

圖中 U7(SP6201)為低壓差電源芯片，U2(MC73861)為充電電路，接插件JB為電池的電極接點(diǎn)。正常工作時(shí)，由電池提供的3.6伏電壓作為U7的輸入，U7的5管腳輸出經(jīng)電阻R1設(shè)定為3伏電壓的系統(tǒng)電源。接插件J1為外部電源適配器接口，用于對(duì)電池充電。U7的15和16管腳連接到單片機(jī)I/O端口，由單片機(jī)監(jiān)控充電電路的工作狀態(tài)。

4 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)幾個(gè)特殊功能寄存器的讀寫操作，即可完成SPI總線工作模式的配置、數(shù)據(jù)發(fā)送和讀取。下面給出了閱讀器SPI接口控制程序。

閱讀器配置的功能以菜單方式供使用者操作，提供的功能有:讀取﹑保存﹑查詢及刪除等。另外還有電源監(jiān)控結(jié)果顯示等工作狀態(tài)管理和其它方便使用的附加功能。軟件采用C語(yǔ)言編寫，在Keil uVision2環(huán)境下仿真調(diào)試通過(guò)。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

本閱讀器是車輛電子牌照識(shí)別系統(tǒng)(含應(yīng)答器、閱讀器、車輛身份信息寫入器)的組成部分之一。該系統(tǒng)依靠現(xiàn)代電子技術(shù)，通過(guò)硬件和軟件的雙重加密措施，實(shí)現(xiàn)了車輛牌照電子化，牌照監(jiān)測(cè)無(wú)線化。為車管人員快速、準(zhǔn)確甄別車輛牌照信息的合法性提供了可靠有效的手段。

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