基于SPI總線的手持式RFID閱讀器設計

鐘 哲，王笑怡

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

為實現射頻識別，一般至少應有兩種裝置:閱讀器和應答器。應答器中存有約定格式的電子數據，閱讀器為讀出裝置，可無接觸地讀取應答器中保存的電子數據。文中所指的應答器基本原理與閱讀器一樣，因此僅詳細介紹了閱讀器的硬件電路設計。由于設計的目的是應用于車輛防盜搶查驗，除要求在80米有效距離內準確讀取車輛內配置的應答器中存儲的車輛身份信息，還要求閱讀器易于攜帶﹑使用簡便。

閱讀器及配套的應答器如圖1所示。

圖1 閱讀器與應答器

閱讀器尺寸為102mm×45mm×16mm，應答器尺寸為66mm×40mm×13mm

2 總體方案設計

閱讀器主要由6部分組成:P89LPC932單片機、射頻收發電路、LCD顯示及驅動電路、標準點陣漢字庫、鍵盤電路和電源管理電路。由于外形尺寸的限制，單片機的I/O資源又有限，設計中選擇了占用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據傳輸都基于SPI總線結構。總體結構框圖如圖2所示。

圖2 總體結構框圖

在閱讀器中單片機為核心部分，它通過SPI總線控制LCD顯示及驅動電路顯示信息，控制射頻收發電路收發數據，從標準點陣漢字庫中讀取點陣碼點，通過通訊接口向鍵盤電路傳送掃描碼并讀取鍵值。單片機還通過I/O口線監視電源管理電路的工作狀態。在功能設計上，對最重要的數據讀取，設計的操作模式與通用手機相近。閱讀時有兩種方式:

方式1為直接讀取，用于單獨車輛。按“接聽鍵”即可讀回車輛的身份數據，顯示在LCD屏幕上的同時也保存在存儲器中。

方式2為選擇讀取，用于多個車輛。由鍵盤輸入3～5個車牌號碼后按“撥出鍵”即可讀出指定車輛的身份數據。

3 硬件電路設計

3.1 射頻收發電路

閱讀器采用的射頻收發芯片為nRF905單片無線收發器。該芯片由一個完全集成的頻率調節器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器等組成，以低功耗ShockBurst模式工作。接收時nRF905以地址匹配(AM)和數據準備就緒(DR)信號通知單片機已完成了數據接收;發送時nRF905自動產生前導碼和循環冗余校驗碼及數據準備就緒(DR)信號通知單片機已完成了數據發送。

射頻收發電路如圖 3所示 。圖中 U10為nRF905芯片，天線匹配網路按433 MHz配置。U10的10～13管腳為SPI總線接口，該4條線與單片機的SPI接口互聯。U10的6～8管腳用于通知單片機本芯片數據處理工作情況。圖中U5用于擴展單片機的I/O口線，與單片機也是通過SPI總線連接。U5的4～6管腳用于設定nRF905的4種工作模式。

圖3 射頻收發電路

3.2 LCD顯示及驅動電路

閱讀器采用TD－F10280PTU圖形點陣屏作為人機交互接口。為減少電池消耗，設計中通過QP1作為開關控制LCD的顯示，一定時長內無按鍵操作時自動關斷;LCD屏的背光源也由程序加以控制。

LCD顯示及驅動電路如圖4所示。圖中U9為TD－F10280PTU圖形點陣屏。由于該型號液晶顯示器數據接口為并行輸入，以U4(74HC595)串并轉換芯片作為SPI總線與液晶顯示器并行輸入數據接口過渡。圖中U5及其輸入端的2個與門實際上與圖3中的U5等是一套電路，在此圖中繪出是為方便說明電路原理。U5的4～6管腳已用于設定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 單片機和鍵盤電路

閱讀器采用的單片機為P89LPC932。該片為PHILIPS公司的產品，是一款低功耗﹑低價格﹑高速的Flash單片機。P89LPC932擁有的8KB Flash程序存儲器﹑256字節片內數據存儲器﹑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計要求。

為滿足功能和使用要求，鍵盤結構為矩陣式，減少MCU有限的I/O端口占用。設計納入了通用手機的21個按鍵，足以滿足閱讀器功能設計的需要。

鑒于單片機和鍵盤電路應用普遍，本文沒給出此部分電路原理圖。

3.4 電源管理電路

閱讀器日常工作時用電池供電，而且手機電池受體積限制容量有限。在設計中為盡量減少系統功耗，采用低電壓器件，系統在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顯示及驅動電路

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。正常工作時，由電池提供的3.6伏電壓作為U7的輸入，U7的5管腳輸出經電阻R1設定為3伏電壓的系統電源。接插件J1為外部電源適配器接口，用于對電池充電。U7的15和16管腳連接到單片機I/O端口，由單片機監控充電電路的工作狀態。

4 軟件設計

通過對幾個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、數據發送和讀取。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。另外還有電源監控結果顯示等工作狀態管理和其它方便使用的附加功能。軟件采用C語言編寫，在Keil uVision2環境下仿真調試通過。

5 結 束 語

本閱讀器是車輛電子牌照識別系統(含應答器、閱讀器、車輛身份信息寫入器)的組成部分之一。該系統依靠現代電子技術，通過硬件和軟件的雙重加密措施，實現了車輛牌照電子化，牌照監測無線化。為車管人員快速、準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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