毕业论文-便携式RFID控制与显示系统设计(源代码+电路图).doc

摘 要 I 便携式便携式 RFIDRFID 控制与显示系统设计控制与显示系统设计 摘摘 要要 物联网（The Internet of things）是通过射频识别（RFID） 、红外感应器、 全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互 联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控 和管理的一种网络，是“物物相连的互联网” 。在物联网中，RFID 技术是其核 心技术，RFID 技术扩大和推进着物联网的应用和进步。 RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别。是一种 非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。 识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。可同时识别多个标签，操作 快捷方便。RFID 的基本组成有：标签（tag） 、阅读器（reader） 、天线 （antenna） 。 RFID 技术已广泛应用于诸如工业自动化、商业自动化等众多领域。在这些 领域中，主要都是与计算机相连，通过专门的人机交互界面实现 RFID 的应用。 还有实现一些简单的跟踪，比如在食物和药品方面。目前的研究硬件方面主要 是标签的缩小，读写器的轻便、易于携带方面。软件主要是代码的修改和开发， 基本不涉及摆脱计算机工作这一特点。 设计采用凌讯公司生产的 M8 型号 RFID 设备，通过串口与单片机联接将标 签的号码显示到液晶显示器及 LED 上，识别工作简单快速高效准确，脱离了计 算机工作这一特性，识别数据无须人工干预扩大它的应用领域，可以工作于各 种恶劣的环境中，为当今的 RFID 应用起了很好的启示引导作用。设计了两套显 示系统，一种是 RFID 设备、控制器与 LED 等组成的系统；一种是 RFID 设备、 控制器与液晶显示器等组成的系统。由于 LED 与液晶显示器都有便于携带、体 积小、成本低、产品易于维护等优点，因此可根据实际应用场合需要，自由选 择。对当今 RFID 系统在小型应用场合提供了借鉴。 论文进行 RFID 数据显示系统研究，针对 M8 具体的数据协议及操作方法实 现了与控制器及外围电路的连接。对 M8 的特性、数据通信协议、控制器的软硬 件设计、外围电路等进行了研究和设计。 系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号， 当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，获得能量被激活，将自身编 码等信息通过卡内置发送天线发送出去。系统接收天线接收到从射频卡发送来 的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解 II 码后送到后台主系统进行相关处理。主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性， 针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。论 文主要是对标签号码的检测、读取显示和写操作。 关键词：物联网 RFID M8 控制器 Abstract III Portable RFID controlling and display system design Introduction of the author: Junting Li, female, was born in February, 1985 whose tutor was Professor Chen Jinying. She graduated from Chengdu University of Technology in Singal and Information Processing major and was granted the Master Degree in June, 2010. Abstract The Internet of things works by agreed terms, connect any things with Internet to change and communicate information, and then to achieve intelligent identifying and locating and tracking, supervision and management of a network, which is “object“ internet “, while by using RFID, infrared sensors, the global positioning system, the laser scanner for information sensing device.RFID is the core part of The Internet of things, it enlarges and enhances the development and application of The Internet of things. RFID stands for Radio Frequency Identificationmalso radio frequency identification, is a non-contact automatic identification technology,It works by RF signal automatically identifying the target object to obtain relevant data.When it works, it doesnt require manual intervention and can work in a variety of harsh environment.It can identify High-speed moving object and can recognize simultaneously multiple tags, it operates quickly and easily.The basic composition of RFID is tag、reader、antenna. RFID technology has been widely used in areas such as industrial automation, automation and other areas. In these areas, it is mainly connected with the computer, it complete RFID interface applications by special man-machine. And have achieved some simple track, such as food and medicine. The present research is mainly the label on a hardware side, read and write in the light and portable. Software is mainly about the code in fundamental changes and development of computer work to get rid of it. This design uses M8 RFID device that produced by Lingxun Company,it connects with the microcontroller through the serial port line and then display the label number on LCD and LED,it works simplely 、fastly、quickly、efficiently.It can work detach from the computer,the feature of identifying data without human intervention IV expands its areas of application,it can work in a variety of harsh environments.It supplies very good guiding role of enlightenment for modern RFID application.In this essay,the author designs two systems,ont contains RFID and controller and LED,other contains RFID and controller and LCD.Because LCD and LED are portable and have small volume and low cost and can be easily maintained,so can be choosen according real application,it supplies many experience. This paper carries on researching on RFID data display system, aim at data protocol and operation method of M8 and the connection between controller and accessory circuit. Research and design contain: the characteristics of the external circuit to the M8、data protocol、design of software and hardware of controllor、accessory circuit and so on. The systems basic work flow is: reader send a certain frequency RF sign through the transmitting antenna, when the radio card is inside the transmitting antenna area,it generate current, radio frequency card access to energy and is activated. Radio frequency card send out encode information through built-in transmitting antenna. The system receiving antenna receives a signal that is sent from the RF carrier signal,then sent to the reader through the antenna regulator,the reader demodulate and decode signal and then send it to the back of the main system for correlation processing. The main system determine the legitimacy of the card based on logic operations, make the appropriate management and control for different settings, the executing agency issues a directive signal to control action. This paper is mainly to read the tag number and display and write operations. Keywords: The Internet of things RFID M8 Controllor 目 录 V 目目 录录 摘 要I ABSTRACTIII 目 录V 第 1 章 引 言1 1.1 物联网技术简介1 1.2 RFID 技术简介 .1 1.2.1 RFID 技术原理及现状 .1 1.2.2 RFID 应用现状及发展方向 .3 1.3 论文的选题意义5 1.4 论文的主要工作6 1.5 论文组织7 第 2 章 便携式 RFID 系统总体设计.8 2.1 RFID 设备 .8 2.1.1 M8 阅读器简介 .9 2.1.2 M8 标签简介 10 2.1.3 M8 的通信协议 12 2.1.4 M8 与计算机通信设计 13 2.2 便携式 RFID 系统设计方案 15 2.2.1 控制模块 .15 2.2.2 显示模块 .16 2.2.3 电源模块 .17 2.3 本章小结.17 第 3 章 RFID 标签号检测电路设计 18 3.1 检测标签命令.18 3.2 硬件电路设计.20 3.2.1 控制模块 .21 3.2.2 LED 显示模块 .23 VI 3.2.3 按键电路 .25 3.2.4 RFID 与控制器通信模块 26 3.3 本章小结.28 第 4 章 RFID 标签数据读写电路设计 29 4.1 读写器与标签的通信.30 4.1.1 读标签内容 .30 4.1.2 写标签内容 .32 4.2 控制器控制液晶显示器电路设计.33 4.2.1 液晶显示器基本特性 .34 4.2.2 液晶显示器使用前工作 .35 4.2.3 液晶显示器模块接口设计 .35 4.2.4 字符显示设计 .37 4.3 液晶显示器显示模块程序设计.38 4.4 实物照片.41 4.5 本章小结.41 第 5 章 调试测试结果.42 5.1 RFID 与计算机的通信 42 5.2 便携式 RFID 系统设计42 5.3 本章小结.43 结 论.44 致 谢.46 参考文献.47 攻读学位期间取得学术成果.49 第 1 章 引 言 1 第第 1 1 章章 引引 言言 1.11.1 物联网技术简介物联网技术简介 物联网（The Internet of things）的定义是：通过射频识别（RFID）、 红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把 任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯1，以实现智能化识别、定 位、跟踪、监控和管理的一种网络。它的概念是在 1999 年提出的。 物联网是在计算机互联网的基础上，利用 RFID、无线数据通信等技术，构 造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品 (商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别 (RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共 享。 物联网中非常重要的技术是射频识别（RFID）技术。RFID 是射频识别 （Radio Frequency Identification）技术英文缩写，是 20 世纪 90 年代开始 兴起的一种自动识别技术，是目前比较先进的一种非接触识别技术。以简单 RFID 系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一 个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比 Internet 更为庞大的物联 网成为 RFID 技术发展的趋势2。 1.21.2 RFIDRFID 技术简介技术简介 RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别。是一种 非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。 识别工作无须人工干预，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。它有三个基本器件，标签（tag） 、阅读器 （reader） 、天线（antenna） 。标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签 具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器(Reader)：读取(有 时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。天线(Antenna)： 在标签和读取器间传递射频信号。RFID 的出现可追溯至上世纪 30 年代，当然 其基本技术无线电射频技术还可以追溯至 1897 年 Guglielmo Marconi 发明无 线电的时候3。RFID 采用与无线电广播相同的物理原理来发射和接收数据。 2 1.2.1 RFID 技术原理及现状 RFID 工作原理：一套完整的 RFID 系统，是由读写器(Reader)、电子标签 (TAG)(也称应答器)和应用软件系统三个部分组，RFID 系统基本组成如图 1-1 所示，其中电源模块表示有的用电源6，有的不需要电源。其工作原理是 Reader 发射某一特定频率的无线电波能量给接收机，用以驱动接收机电路将内 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。 阅读器发射电磁波，而此电磁波有其辐射范围，当电子标签进入此电磁波 辐射范围内，电子标签将阅读器所发射的微小电磁波能量存储进而转换成电路 所需的电能，并且将存储的识别资料以电磁波的方式传送给阅读器作确认及后 续之控制动作。 1电子标签 电子标签是 RFID 系统的真正的载体。一般情况下，电子标签由标签天线和 标签专用芯片组成。每个电子标签具有唯一的电子编码，附着在物体目标对象 上。标签相当于条形码技术中的条形码符号，用来存储需要识别和传输的信息。 依据电子标签的供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签和无源电子 标签。 数 据 管 理 系 统 接 口 模 块 控 制 模 块 射 频 模 块 天 线 天 线 电源 控制器 调制器编码器 存储器 时钟 电子标签读写器 图图 1-11-1 RFID 系统框图 从功能方面来看，可将电子标签分为只读标签、可重写标签、带微处理器 标签和配有传感器的标签。按调制方式来看，标签还可以分为主动式标签和被 动式标签。 2读写器 读写器是负责读取或写入标签信息的设备。它可以单独完成数据的读写、 显示和处理等功能，也可以与计算机或其它系统进行联合，完成对电子标签的 操作。典型的读写器包含有控制模块7、射频模块、接口模块以及读写器天线。 此外，许多读写器还有附加的接口(RS232、RS485、以太网接口等)，以便将获 第 1 章 引 言 3 得的数据传给应用系统或从应用系统接收命令。 3数据管理系统 数据管理系统主要完成数据信息的存储、管理以及对电子标签进行读写控 制。数据管理系统可以是市面上现有的各种大小不一的数据库或供应链系统， 用户还能够买到面向特定行业的、高度专业化的库存管理数据库。 系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送出一定频率的射频信号， 当附着标签的目标对象进入发射天线工作区域时会产生感应电流，电子标签凭 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，或者主动发送某一 频率的信号。读写器对接收天线接收到电子标签发送来的载波信号进行解调和 解码后，送到数据管理系统进行相关的处理，数据管理系统根据逻辑运算判断 该电子标签的合法性，针对不同的设置做出相应的处理和控制。 RFID 技术现状：尽管 RFID 技术已经出现多年，在很多领域都具有良好的 应用前景，并且已经逐渐在一些领域开始广泛的应用，但仍有许多因素在制约 着 RFID 技术的快速发展。标准不统一是影响 RFID 大规模上线生产制造的原因 之一。迄今为止，全球也还没有正式形成统一的（包括各个频段）RFID 国际标 准。标准（特别是关于数据格式定义的标准）的不统一是制约 RFID 发展的重要 因素，而数据格式的标准问题又涉及到各个国家自身的利益和安全。标准的不 统一也使但前各个厂家推出的 RFID 产品互不兼容，这势必阻碍了未来 RFID 产 品的互通和发展。成本问题也是 RFID 系统不容忽视的。如果要实现大规模商用， 就必须降低成本。目前，美国一个电子标签最低的价格是 5 至 20 美分左右，而 条形码还不到一美分。RFID 在单价低价格物品上的使用会导致成本陡涨，甚至 有可能超过物品本身的价值。只有标签的单价下降到 10 美分以下，才可能大规 模应用于整箱整包的商品，只有下降到 3 美分以下，才有可能应用于单件包装 消费品。 在欧美国家，RFID 的最大问题是 RFID 技术可能导致对个人隐私权的侵犯， 因而 RFID 的使用受到了许多人权组织和个人的反对8，他们示威甚至企图通过 法律来阻止 RFID 产品的使用。目前，各大 RFID 厂商正努力寻找解决之道，他 们试图通过使射频标签在商品销售到消费者手中后自动失效或者通过加密手段 来保护个人隐私。 在技术方面，虽然在 RFID 电子标签单项技术上已经趋于成熟，但总体上产 品还不够完善，还存在较高的差错率。由于液体和金属制品等对无线电信号的 干扰很大，单个标签被误读的比例有时高达 20。射频标签和读写器具有方向 性，且射频识别信号容易被物体阻断，这也是射频技术发展的一大挑战。 安全方面的问题，已经受到越来越多的人的关注。尽管很多厂家一再保证 RFID 使用的电磁波符合国际关于电磁辐射的标准，但 RFID 所使用的 800 至 4 900MHz 已经属于甚高频范围，很多人担心长期生活在 RFID 包围中会受到高频 射线影响。人生安全也是 RFID 大规模配置时应当考虑的问题之一。 1.2.2 RFID 应用现状及发展方向应用现状及发展方向 RFID（Radio Frequency Identification）技术最早的应用可追溯到第二 次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到 广泛应用。近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展， RFID 技术进入商业化应用阶段。RFID无线射频识别系统被视为本世纪最重要的 前十大技术，虽然此技术存在已久，但直到Wal-Mart要求其百大供货商必须全 面将商品贴上RFID电子标签后，一场RFID的风暴才就此展开。美国市场研究机 构也预测RFID在2013年产值可达210亿美元，年成长率约44.2%，商机十分庞大。 因此有人以二次IT革命来形容此技术的潜能及发展性。 由于 RFID 被列为本世纪十大重要技术项目之一，所以世界各国无不全力发 展，由一些统计数字来说明，在过去十年中，即有六千多种的关于 RFID 技术的 专利申请。 (一)国外应用现状 从全球的范围来看，美国已经在 RFID 标准的建立、相关软硬件技术的开发、 应用领域走在世界的前列。欧洲 RFID 标准追随美国主导的 EPCglobal 标准。在 封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出 UID 标 准，但主要得到的是本国厂商的支持，若要成为国际标准还有很长的路要走。 RFID 在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视。 （1）美国在产业方面，TI 公司、Intel 公司等美国集成电路厂商目前都在 RFID 领域投入巨资进行芯片开发4。在物流方面，美国已有 100 多家企业承诺 支持 RFID 应用值得注意的是，美国政府是 RFID 的积极推动者。按照美国国防 部的合同规定，从 2004 年 10 月 1 日到 2005 年 1 月 1 日之间，所有军需用品都 已经使用了射频标签，美国食品和药物管理局制药商从 2006 年起利用 RFID 跟 踪最易造假的药品，美国社会安全局于 2005 年年初使用 RFID 技术追踪各种表 格和手册。 （2）欧洲在产业方面，欧洲的 philips 公司、ST 微电子公司在积极开发 廉价 RFID 芯片，Checkpoint 公司在开发支持多系统的 RFID 识别系统，诺基亚 公司在开发能够基于 RFID 的移动电话购物系统，SAP 公司则在积极开发支持 RFID 的企业应用管理软件。在应用方面，欧洲在诸如交通、身份识别、生产线 自动化控制、物资跟踪系统与美国基本处在同一阶段。 (二)国内应用现状 当前我国 RFID 应用市场上大的项目寥寥可数。迄今为止最大的项目是学生 第 1 章 引 言 5 证的防伪，用量已经达到 2000 万；其次是火车车皮和集装箱的识别，用量也达 到了百万左右；再者就是对高压气瓶和钢瓶等安全物品以及记价器的防伪。 随着 RFID 技术的重要性日益体现，我国政府也希望能够在这项技术上有所 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、制定我国有关“电子标签”的国家标准。 RFID 技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面 RFID 的成功应 用反过来又极大地促进了应用需求的扩展。从技术角度说，RFID 技术的发展体 现在若干关键技术的突破。 RFID 技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括： 芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。 （1）RFID 电子标签方面，电子标签芯片所需的功耗更低，无源标签、半 无源标签技术更趋成熟。其作用距离将更远，无线可读写性能也将更加完善， 并且能够适合高速移动的物体识别，识别速度也将更快，具有快速多标签读写 功能，一致性更好。与此同时，在强场下的保护能力也会更加完善、智能性更 强、成本更低。 （2）RFID 阅读器方面，多功能读写器，包括与条形码识别集成、无限数 据传输、脱机工作等功能将被更多的地应用5，同时智能多天线端口、多种数 据接口(RS232，RS422485，USB，红外，以太网口)、多制式兼容(兼容读写多 种标签类型)。读写器会朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展，成本 将更加廉价，应用范围更加广泛。 （3）在 RFID 系统种类方面，低频近距离系统将具有更高的智能、安全特 性；高频远距离系统性能将更加完善，成本更低；2.45GHz 和 5.8GHz 系统也将 更加完善；无芯片系统逐渐得到应用。 （4）在 RFID 标准化方面，与 RFID 标准相关的基础性能研究更加深入、成 熟；最终形成并发布的标准为更多的企业所接受；不同的制造商生产系统、模 块可替代性更好、更为普及。 射频识别技术在未来的发展中，在结合其他高新技术实现单一识别向多功 能识别方向发展的同时，将与现代通信技术和计算机技术一道共同实现跨地区、 跨行业应用。 1.31.3 论文的选题意义论文的选题意义 目前 RFID 应用在诸多领域，现在市面上的 RFID 读写器，典型的读写器包 含有控制模块、射频模块、接口模块以及读写器天线。此外，许多读写器还有 附加的接口(RS232、RS485、以太网接口等)，以便将获得的数据传给应用系统 6 或从应用系统接收命令。这些读写器，普遍都与计算机终端来配合工作。通过 设计相应的软件，把数据存放在数据库中，一旦读写器检测到某种标签，系统 会有相应的设计好的软件显示数据，让人了解标签所代表的意义。这种用 PC 配 合 RFID 设备工作的优点是信息存储量大、界面友好直观等，缺点是不易携带、 高成本、使用不方面等。研究分析了目前 RFID 在使用中存在的由 PC 机通过端 口输出进行 RFID 阅读器控制所带来的高成本、不便携带、使用不方便等影响 RFID 推广的弊端后，提出了便携式 RFID 控制与显示系统的解决方案。基本思 想是当需要对电子标签进行身份识别时，通过启动 AT89C51，由 EIA RS-232C 向 M8 模块发送阅读器读写电子标签指令，当阅读器收到应答后，将读数据的信 息传输到液晶显示器模块显示，从而摆脱传统 RFID 阅读器工作对 PC 机的依赖。 目前用的最多的软件是 VC 软件，若更改了硬件设备，也要更改软件的程序， 改写相应的数据库，来适应相应的场合。在不需要计算机的小应用场合，比如 只需要进行数据的收发等简单的工作，没有必要浪费如此大的资源。电路采用 凌讯公司 M8 型号 RFID 设备，它具有体积小，重量轻，携带方便等优点，和计 算机连接主要有 232 接口和 USB 接口。通过串口与控制器联接将标签的号码显 示到液晶显示器上，识别工作简单快速高效准确。脱离了与计算机连接工作这 一特性，为当今的 RFID 应用起了很好的启示引导作用。 1.41.4 论文的主要工作论文的主要工作 研究使用的 RFID 设备是 SkyeTek 公司 2006 年自主开发研制的 RFID 产品 M8，出厂时，包括读写器、标签、相应的源代码（VB）等，且里面有大量的 C 函数库，方便对它进行进一步开发。读写器感知标签中的数据，并将它显示在 计算机上。 对设计而言，RFID 通信协议是一个首要的问题，通过它才能知晓标签和读 写器如何通信、标签传过来的数据代表什么意义，是要求进行数据通信、读取 数据还是写数据，只有清楚通信协议，才能设计控制器的软件和外围电路。掌 握通信议后，首先要选择使用什么样的控制器，了解控制器的工作流程，然后 设计控制器的外围电路，在外围电路中，显示模块占有举足轻重的地位，它的 选取和研究也占有很大的成分。其次是各个小模块的实现，在设计中，在最初 阶段，用了 LED 来测试显示的数据正确与否，因此也进行了 LED 显示的硬件设 计。良好的可靠运行的硬件是是软件设计的根据。硬件设计好后，通过对通信 协议和设计要求综合，思考出软件工作流程图，编写软件代码，进行软件测试， 最后进行整个系统的调试。 第 1 章 引 言 7 研究通过对 RFID 协议的分析，理解它的数据通信原理，掌握它与计算机实 现数据读写的方式，据此设计出具体的硬件电路，实现对数据的读写工作。再 进行 RFID 数据显示系统研究，实现了与控制器及外围电路的连接。对 M8 的特 性、数据通信协议、控制器的软硬件设计、外围电路等进行了研究和设计。 研究的关键技术有： (1)RFID 通信协议； (2)用控制器实现数据通信的硬件； (3)数据显示部分； (4)控制器的软件部分； 系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号， 当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活。射 频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去，系统接收天线接收到从 射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号 进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理。主系统根据逻辑运算判断 该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执 行机构动作。 1.51.5 论文组织论文组织 论文的组织结构如下： 第一章 绪论部分，介绍了物联网技术、RFID 技术，RFID 技术工作原理、 发展现状、国内外应用现状用发展方向等。 第二章 研究了便携式 RFID 系统总体设计方案，首先先介绍了 RFID 设备 M8，对它的阅读器、标签、通信协议、与计算机通信进行了介绍。然后进行了 便携式 RFID 系统总体设计，对其中的控制模块、显示模块、电源模块进行了说 明设计。 第三章 深入研究了利用 LED 下的便携式 RFID 控制与显示系统，对检测标 签的协议做了研究，并给出了软件程序代码。又对硬件电路进行了细化的设计， 包括控制部分、LED 显示部分、按键电路、串口连接，并设计了相应的电路图。 第四章 深入研究了利用液晶显示器下的便携式 RFID 控制与显示系统，对 读标签、写标签命令的协议做了研究，给出了软件程序代码。对控制器对液晶 显示器控制部分做了详尽的设计，包括液晶显示器模块接口、控制器接口设计。 也对液晶显示器做了详尽的说明，包括基本特性、使用前工作，进行了字符显 示设计。除此之外，还对液晶显示器的软件控制显示做了设计。 8 第五章 讨论了测试与实验结果，主要有两方面内容，包括 RFID 与计算机 的通信和使用 LED 和 LCD 的便携式 RFID 系统设计，测试结果表明设计成功。所 以便携式 RFID 系统总体设计设计完全成功。 最后分别给出论文的总结及展望、参考文献、致谢、攻读硕士期间取得学 术成果。 第 2 章 便携式 RFID 系统总体设计 9 第第 2 2 章章 便携式便携式 RFIDRFID 系统总体设计系统总体设计 RFID 系统是以射频识别技术为核心，读写器内主要使用了读写处理芯片, 它是读写设备的核心处理器件：包括了调制、解调、产生射频信号、安全管理 和防碰撞机制等功能模块，内部结构分为射频区和接口区，射频区内含调制解 调器和电源供应电路，直接与天线连接。接口区内与单片机等处理器端口想连 接，读写卡片时，与读写处理芯片相连的天线不断向外发出一组固定频率的电 磁波，当卡片接近时，卡片内的 LC 串联谐振电路与天线发射频率相同，这样在 电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容充电有了电荷。在这个电 容的另一端，接有一个单向导电的电子泵9，将电容内的电荷送到另一个电容 内存储。当电容的充电电压达到 2V 时，此电容就可作为整个卡片上电路的供电 电源使卡片能够与读写器进行数据通信及完成读写器发出的读写等命令。 2.12.1 RFIDRFID 设备设备 研究使用的 RFID 设备是 SkyeTek 公司 2006 年自主开发研制的 RFID 产品 M8，测试结果表明它符合国际 RFID 设备标准，目前已广泛被使用。出厂时，包 括读写器、标签、存储器（将相应的数据存到 M8 里面）电源、相应的源代码 （VB）等，且里面有大量的 C 库，方便对它进行进一步的开发。读写器感知标 签中的数据，并将它显示在计算机上。读写器感知标签中的数据，并将它显示 在计算机上。RFID 系统的基本模型如图 2-1 所示。 图图 2-12-1 RFID 系统的基本模型 由图2-1所示，RFID系统由标签、应答器、阅读器等组成，现阶段阅读器通 常与PC机通过RS232或RS185进行连接在一起工作。RFID系统有三个基本器件， 标签 ID + TX 电路 电 池 应答器 阅读器 PC RS232 或 RS185 等 10 标签（tag） 、阅读器（reader） 、天线（antenna） 。标签(Tag)：由耦合元件及 芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读 器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定 式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。 2.1.1 M8 阅读器简介 M8 设备易携带，大小如图 2-2 所示，其中单位均为厘米。易升级，工作频 率为 860MHZ-960MHZ。有内嵌的天线，来感应标签的存在。 M8 工作特性：读写器有一个主接口板，工作频 率 902-928MHZ，输入电压范围-0.5V-+5.5V，工作电 流 1A，有 RS-232 口和 USB 口，出厂时有相应的计算 机显示的界面和 VB 源代码，工作温度：-20 度-+85 度。 标签：天线频率 902-928MHZ，体积小，灵敏度高 可在 20 米内被检测。 电源：工作电压5.5V，工作电流1A。 图图 2-22-2 M8 设备外观 为了支持所有在 UHF 频段工作的标签，M8 设备允许用户使用软件控制 RFID 射频参数，包括传输频率、传输损耗、频率跳变等等。 M8 无线功能有： 射频功耗：为了减小功率损耗，与不同国家的和地区的标准相一致，M8 的 射频功耗输出是可以调节的，它包括如下参数：功耗范围：12dBm 到 27dBm。可 变梯度：0.1dBm。在指定的温度范围和频率范围没，精确度为+/-1dBm。 频率：为了适应不同国家和地区的频率使用规定，M8 的传输频率是可选择 的，用户可根据自己的需要，从 860MHZ 到 960MHZ 中选择。频率跳变从 10KHZ 到 200KHZ 也可以选择。在指定的温度范围内，精确度为+/-1 KHZ。 在生产过程中，由于有许多的可变因素，表 2-1 列出的读取范围仅供参考。 这些数据是真空状态下的数据，没有干扰的信号和物质。实际中数据会因环境 和标签类型而变。M8 的功耗如表 2-1 所示。 功耗和主机接口连接： M8 有一个 20 孔的可活动连接器，来提供功率和通信。它的示意图如图 2- 3 所示。 2.00 1.75 3.00 第 2 章 便携式 RFID 系统总体设计 11 表表 2-12-1 M8 功耗 Power(dBm)Internal Antenna Gain=0 dBiExternal Antenna Gain=8 dBi 12 0.5 foot(ft.)(0.1524 meterm)1 ft. (0.3m) 27 3 ft.(0.9144 m)9ft.(3m) 图图 2-32-3 M8 的 20 孔连接器 功耗：M8 在直流 5V 下工作，功耗电流最大为 1A。功耗与射频传输功耗、 射频传输频率、天线的连接方式、外围类型、传感器、M8 应用的模式相关。 主机接口扩展设备：主板是 M8 设备的主要部件和接口扩展设备，接口板允 许 M8 通过 RS-232 和 USB 和主机相连。硬件中的 J5 跳线，使得用户可以自由选 择通过 USB 或 RS-232 与主机相连。 2.1.2 M8 标签简介 电子标签可分为有源和无源，国际自动识别制造商协会（AIM Global）对 RFID 有源、无源及其他技术名词进行了说明界定，给出了一个清晰的划分。 有源 RFID 标签：有源 RFID 标签产生并发射信号10，它需要一个内部电源 产生电路，然后播出响应信号给读者。有源标签的阅读距离主要与读写器接收 灵敏度有关，一般情况下，有源标签作用距离大于无源标签。有源标签工作模 式较为灵活，很容易采用优化的调制方式或者 FDD 模式提高系统性能。有源标 签使用电池供电，一般寿命只有 2 至 3 年，到期就要更换电池。电源可以更换 电池或一个密封的单位或者可以连接到一个外部电源，从理论上讲，有源标签 也可以没有电池，例如在 Marlin Mickle 设备中，有源标签可以在没有太阳能 或者其它可用能源供电情况下工作。无源 RFID 标签本身不带电池，依靠读卡器 发送的电磁能量工作。 无源 RFID 标签：无源 RFID 标签接收读写器发射的信号并对其进行调制后 反射给读写器，无源 RFID 标签本身不带电池，依靠读卡器发送的电磁能量工作。 从读写距离来看，无源标签的读写距离受到激活标签最小所需能量和读写器接 收灵敏度两方面限制。无源标签应答其标签信息所能够使用的技术手段有限， 多数采用负载反射调制，也有使用 FSK 调制的11，但是基本原则是同频工作。 1 VDD 2 VDD 3 VDD 4 MCLR/ 5 CS/ 6 DFLT 7TX TTL 8RX TTL 9SCL/SCK 10SDI/SDA 11 SDO 12 PIN12 13 PIN13 14 PIN14 15 PIN15 16 N.C. 17 N.C. 18 GND 19 GND 20 GND 12 无源标签不存在使用电池供电这种问题，便于维护。 电池辅助（Battery-assisted）型的无源标签是为辅助功能增加辅助电池 的一种无源标签，电池辅助标签的波形调整和快速反应时间有助于增大信号强 度，以弥补读写器在标签数据处理过程中所损失的能量。电池辅助无源标签还 可以用来驱动传感器和调节器工作。 半无源 RFID 标签都有自己的内部电源芯片，但没有广播信号，当有供电的 反应时，能量是反映回到读者。 无源 RFID 标签结构简单、经济实用，因而获得了广泛应用，M8 中使用的 就是无源 RFID 标签。 M8 标签的结构： M8 标签由 RFID IC、谐振电容 C 和天线 L 组成。天线与电容组成谐振回路， 调谐在读卡器的载波频率12，以获得最佳性能。 天线：RFID 标签天线有两种天线形式：线绕电感天线、在介质基板上压印 或印刷刻腐的盘旋状天线。天线形式由载波频率、标签封装形式、性能和组装 成本等因素决定。M8 的天线属于在介质基板上压印或印刷刻腐的盘旋状天线。 天线与 RFID IC 贴接：IC 贴接也有两种基本方法：使用板上芯片、裸芯片 直接贴接在天线上。前者常用一线绕天线，后者用于刻腐天线。M8 的天线属于 裸芯片直接贴接在天线上。 M8 标签内部结构框图如图 2-4 所示。 图图 2-42-4 M8 标签内部结构图 由图 2-4 所示，M8 标签内部主要由 RF 模块、数字控制模块和 EEPROM 三个 部分组成。在 RF 模块完成对接收信号的谐振、时钟提取、电压生成、接收信号 的解调、发送信号的调制和对芯片系统的复位。在数字控制模块完成抗冲突控 制、CRC 校验和收发控制，同时提供和 RF 模块的信号接口以及和 EEPROM 的接 谐振 时钟 调制 解调 复位 抗冲突控制 收发控制 CRC 校验 RF 接口控制 EEPROM 接口 EEPROM RF 模块数字控制模块EEPROM 天线接入 第 2 章 便携式 RFID 系统总体设计 13 口，EEPROM 用于存储用户数据13、AFI、DSFID、厂商信息和 UID，由于 M8 使 用的是无源标签，故图 2-4 中没有电源模块，M8 标签的天线频率是 902- 928MHZ，标签体积小，灵敏度高，可在 20 米内被检测。 RF 模块除了提供阅读器和电子标签数字模块的传输接口外，还提供数字电 路的时钟，其主要功能如下：提供数字电路的时钟，对阅读器发送过来的数据 进行解调，然后送到数字部分，对电子标签发送给阅读器的数据进行调制，然 后通过天线发送出去。 数字控制模块主要由 PPM 解码模块14、CRC 模块、通用移位寄存器、专用 移位寄存器、数据映射模块、状态机、EEPROM 接口、数据发送控制模块、曼彻 斯特编码模块和数字调制模块组成。 2.1.3 M8 的通信协议 M8 的通信协议是 SkyeTek 协议。它说明了读写器如何与标签进行通信：如 何检测、读、写标签，通信数据的格式，数据是 64 位的串行通信，它支持的数 据格式有 ASCII 和二进制格式两种。研究使用的是 ASCII。也就是说，在检测 标签、读、写标签命令的时候，数据都是通过 64 位的 ASCII 码依次传递。读写 器初始化原始数据并决定采用哪种数据进行通信。 M8 支持如表 2-2 厂家使用的相应协议的标签的识别、读、写命令。 表表 2-22-2 M8 支持的通信协议 协议标签类型代码厂家 EPC Class1 Gen282Impinj EPC Class001Matrics EPC Class0+00Matrics EPC Class0+00Impinj EPC Class181Alien/ST Microelectronics ISO18000-6 B86Intermec ISO18000-6 B86Philips ASCII 模式下的数据应答格式如表 2-3 所示。 表表