射頻識別實驗平臺開發

馬萬藝 連濤 寧振杰 韓劉遠志 沈學源

摘要：射頻識別（RFID）技術是通過無線電進行數據交換從而達到信息識別的技術。該實驗平臺包含了原理機和應用機兩大部分，原理機使用兩FPGA小系統為核心，應用機使用Arduino UNO控制，通過Android Studio編寫手機終端Android程序，c#語言編寫上位機軟件，目的是為了讓學生對實驗原理有更深入的了解。

關鍵詞：RFID;編碼解碼;調制解調;FPGA;Android

中圖分類號：TD324 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）01-0189-02

1概述

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別技術1是通過無線電進行數據交換從而達到信息識別的技術。射頻識別具有可靠性高、安全性好、不受環境影響等優點，該技術已經在身份認證、交通收費、物流管理等各領域大放異彩。

當今時代，科技發展迅速，過去被認為非常先進的產品或許正在被人們逐漸遺忘。尤其是在這個互聯的時代，時代發展朝著人物互聯和物物互聯的方向發展，因此現在熱門的物聯網迅猛發展。而射頻識別作為物聯網的關鍵技術之一，必定將取得非常好的發展。正如人們所共知的網上購物，其規模的提升與快遞物流行業的發展密不可分。因此隨之而來的物流壓力可想而知，如果單純使用人力對包裹進行整理和分類勢必需要大量的人力和物力。而射頻識別技術的應用正好可以起到提高分揀效率的作用，減少資源浪費現象。

射頻識別技術中的原理和應用都非常重要，本實驗平臺的目的既在于展現數據的編碼調制、解調解碼，又在于數據讀寫方面的應用，意義是讓在校大學生更全面地學習和理解射頻識別技術。

2系統原理與構架設計

整個實驗平臺分為兩個部分：原理機和應用機。原理機部分需要實現125kHz頻段的FSK調制解調、13.56MHz頻段的ASK調制解調和副載波調制解調。在14443標準中，閱讀器向射頻卡的通信采用的是修正密勒碼的ASK調制，載波頻率為13.56MHz，而射頻卡向閱讀器的通信采用的是曼徹斯特碼的副載波調制，副載波頻率為847kHz，即13，56MHz的16分頻。在15693標準中，閱讀器向射頻卡的通信采用的是脈沖位置調制編碼的ASK調制，載波頻率為13.56MHz，有4中選1和256中選1兩種方式。射頻卡向閱讀器的通信采用的也是曼徹斯特碼的副載波調制，不同的是在15693標準中副載波頻率為423.75kHz的32分頻。應用機部分需要實現125kHz頻段的ID卡讀取，以及13.56MHz的Mifare$50卡和Mifare$70卡讀取和寫入，并能將相關數據顯示在電腦端上位機。

2.1系統基本原理

射頻識別技術的原理簡言之就是實現閱讀器與應答器的信息交互，射頻識別基本原理框圖如圖1所示。

應答器是集成電路芯片，它分為有源和無源。有源應答器是由外部電池供電，如現在常用的2.4G應答器就是用電池供電，無源應答器工作需要的能量由閱讀器產生的射頻載波提供。而閱讀器與應答器之間的信息交互則包含兩種，一種是閱讀器先發言，叫Reader Talk First，簡稱為RTF;另一種則是應答器先發言，叫TagTalk First，簡稱為TTF。這其中有著嚴格的時序，即誰先詢問，則另一方應答。

本平臺主要采用低頻125kHz和高頻13.56MHZ進行原理性展示。

射頻識別中的編碼方式主要有ISO/IEC 14443標準中的曼徹斯特碼、密勒碼、修正密勒碼和ISO/IEC 15693標準中的曼徹斯特碼與脈沖位置編碼，這些編碼將在本平臺中進行實現，其各種參數將在后文中進行具體說明。

2.2系統框圖

系統整體分為兩大部分：原理機部分和應用機部分。原理機部分包括信源、編碼、調制、解調、解碼、無線發送六大模塊。其中信源、編碼、調制在同一塊FPGA核心板上實現，解調、解碼、無線發送在另一塊FPGA核心板上實現。應用機部分包括三大模塊：主控模塊、125k模塊、13.56M模塊。系統框圖如圖2所示。

3硬件設計

3.1原理機硬件

3.1.1 FPGA最小系統

FPGA最小系統除了EP4CE6E22C8N芯片外還包含四個模塊：電源電路、外部晶振電路、FLASH電路和下載電路，接下來對這幾個模塊進行依次介紹。

電源電路的作用是給整個FPGA最小系統供電，5V電壓經過穩壓電路后輸出3.3V，2.5V，1.2V電壓給EP4CE6E22C8N的不同Bank進行供電，因為該芯片需要輸入這三種電壓才能正常工作。

外部時鐘電路，FPGA最小系統采用的晶振是50M有源晶振，接入的是FPGA內部88腳，用于為本系統提供多種分頻和倍頻時鐘。

FLASH電路的作用是為了存儲固化的程序，可以通過Quartues II配置生成pof文件，下載時通過AS接口將工程產生的pof文件下載到EP4CS4的FLASH芯片中。當FPGA最小系統上電后將會自動從FLASH芯片中加載程序并運行。

下載電路顧名思義就是給FPGA最小系統下載程序用的，本系統中的下載接口有兩種JTAG接口和AS接口。JTAG接口能夠下載sof文件和jic文件，而AS接口能夠下載pof文件。

3.1.2編碼調制硬件電路

編碼調制電路實現的功能是將開關設置的8位并行數據進行各種編碼和調制，其中編碼包含單極性不歸零碼、曼徹斯特編碼、密勒碼、修正密勒碼、脈沖位置調制編碼，調制包括FSK調制和ASK調制。整個電路包含了FPGA最小系統、8路開關、8路LED燈以及引出的24個測試點。同一測試點物理上又分為兩種，分別為排針測試點和陶瓷測試環，能極大地方便學生通過示波器或者邏輯分析儀來進行來觀測和學習。此外，引出如此多測試點的好處是，當在本硬件的基礎上進行重開發或者二次開發時，可以方便地實現更多的功能，能鍛煉學生對射頻識別中數據編碼和調制的理解和對硬件的更深層次理解。

3.1.3解調解碼硬件電路

解調解碼的作用是將編碼調制硬件電路傳來的已調信號進行解調和解碼，并將解調信號和解碼信號通過無線模塊發送到手機端。此硬件電路的解調和解碼信號也將通過測試點引出，并可以通過示波器、邏輯分析儀等儀器來觀測學習。

3.2應用機硬件

3.2.1 Arduino UNO電路

Arduino UNO是Arduino系列單片機中的一款普通產品，其處理器核心是ATmega328，它不但同時具備的14路數字輸入，輸出口，而且其中還有6路可以用作PWM輸出，加之6路模擬輸入口，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。在AREF處有兩個管腳SDA和SCL，支持12C接口，能夠兼容5V和3.3V的擴展板。

3.2.2應用機總電路

應用機電路主要由125k模塊、13.56M模塊、Arduino轉接板、電源指示燈模塊和蜂鳴器模塊組成。125k模塊的作用是將讀取到的ID卡號通過軟串口105發送到Arduino轉接板，即Ar-duino UNO。13.56M模塊的作用是由Arduino轉接控制進行Mi-fare$50和Mifare$70卡讀取和寫入。每當執行讀卡操作時，蜂鳴器都將進行鳴叫。Arduino轉接板讀取到的數據將通過101（Tx）發送到PC端上位機進行顯示。

4軟件設計

4.1安卓程序設計

本系統中的安卓程序主要包括三大部分：主程序、TCP服務程序和繪圖程序。安卓程序框圖如圖3所示。

4.2 Arduino程序設計

Arduino的編程軟件叫做Arduino集成開發環境（IDE），并且對于Arduino來說，開發也是使用c與c++進行混合編程，這一點在其核心庫中的體現尤為明顯。在Arduino單片機的開發中，煩瑣復雜的寄存器配置被舍棄了，取而代之的是易理解和易用的API。Arduino程序首先在初始化函數中初始化串口、配置I/O口工作狀態。Arduino的初始化完成后，在循環函數中進行數據采集，并通過串口發送采集到的數據給PC端上位機。

4.3 Winform程序設計

Winform程序使用簡單且安全的面向對象的c#編程語言進行開發。本Winform程序主要包含五大部分：串口設置、125K模塊、13.56M模塊、125K演示、13.56M演示。

5結束語

本實驗平臺由原理機和應用機兩大部分組成，原理機可以實現射頻識別技術中的相關編碼、調制、解調和解碼，并把相關數據能通過無線模塊發送到手機終端進行波形顯示。本平臺可以實現單極性不歸零碼、曼徹斯特碼、密勒碼、修正密勒碼以及ISO/IEC 15693標準中的脈沖位置（PPM）編碼等五種類型的編碼和解碼，以及實現FSK和ASK兩種方式的調制和解調。應用機可以實現125KHz射頻模塊的ID卡讀卡、13.56MHz射頻模塊的Mitre$50卡讀寫卡并將相關數據發送到電腦上位機端，還可以動畫演示13.56MHz射頻模塊的尋卡、防沖突、選卡、密鑰驗證、讀卡、寫卡的具體過程。整個實驗平臺能使相關專業學生能更加有效地學習射頻識別的原理知識。