基于ARM嵌入式平台的RFID阅读器设计..doc

1、电子科技大学 硕士学位论文 基于 ARM 嵌入式平台的 RFID阅读器设计 姓名：曾庆远 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刘镰斧 20090501 摘要 摘要 射频识别技术（，）是目前自动识别技术发展的趋势所在，更被誉为世纪最重要的十大技术之一。当成本这一始终阻碍得到全面发展的问题在全球各国政府政策的支持下得到解决后，得到了前所未有的广泛发展和应用。在条形码逐步被标签取 代的今天，作为系统核心组成部分的阅读器，有着极其广泛的技术开发空间和市场前景。如何根据应用的需要，设计出性能良好、使用方便并且具有相当通用性的阅读器产品，是众多企业和单位在应用中会遇到的课题。 本文首先简单

2、介绍了基本原理和阅读器系统结构，然后结合工程项目的要求，介绍了一个基于嵌入式平台的便携式阅读器的设计实现的实例。在设计和实现过程中，首先进行了系统需求和特点的分析，结合系统便携化和功能复杂性方面的特点以及嵌入式系统的优势制定了系统方案并进行了功能 模块划分。然后在此基础上设计了各模块的硬件电路，编写了相应的驱动和测试程序。并且利用这些驱动和测试代码在环境下通过接口对电路进行了调试和功能验证。接着采用方案对阅读器进行了无线组网的设计。此后在硬件系统的基础上，简述了嵌入式操作系统下阅读器软件的开发。文章最后还介绍了将所设计实现的样机投入实际应用环境下的测试情况，详细描述了测试的内容、方法和结果。

3、文章试图通过对一个阅读器开发实例的详细介绍，提出一套完整的阅读器设计思路和流程，为学习和开发人员提供帮助。关键词：射频 识别，阅读器，嵌入式 （） （）， ， ， 谢廿， ， ， ， ， ， ：， 图目录 图目录 图系统模型 图电感耦合 图电磁反向散射耦合 图系统硬件架构框图 图阅读器模拟部分发送接收方框图 图阅读器数字部分构成 图阅读器软件构成 图系统功能模块划分 图￥的晶体振荡器电路 图￥的复位电路 图 的电路连接 图的电路连接 图基本电路 图环形天线示意图 图模拟前端模块电路连接 图编码方式 图实际接收的 编码波形 图编码波形采集流程图 图环境采集的编码波形信息 图标签芯片传输的数据格式

4、 图标签数据解码和校验流程图 图的电路连接 图屏的口数据格式 图数据与输入数据的关系 图屏不同的数据写入顺序 图显示同步信号设置 图控制相关的寄存器设置流程图 图目录 图按键矩阵电路 图按键扫描电路 图键盘扫描流程图 图 键盘电路板 图￥的接口电路 图系统电源方案 图的电路连接 图充电状态指示灯驱动电路 图的 调试架构图 图的端口设置 。图识别内核和芯片 图调试入口地址的设置 图菜单界面 图键盘布局示意图 。图样机电路板实物图 图装配后样机实物图 表目录 表目录 表技术发展历程表 表充电指示引脚状态列表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我

5、所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：重鏖 日期：。年了月 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）

6、签名：塑盘垂导师签日期： 第一章绪论 第一章绪论 射频识别技术的发展概况及现状 世纪，伴随着历史的巨轮，信息时代的洪流席卷而来，在各领域、各行业对改革和创新的迫切呼唤声中，产业信息化已经成为了一股不可阻挡的趋势。而位于这信息产业链第一环的课题 如何采集和录入信息，也成为制约信息化道路发展中最重要的也是最前端的一个问题。传统应用中，使用数量最庞大同时范围最广的自动信息采集技术是条形码，然而条形码本身存在的数据量小、对环境要求高、易磨损、数据不可更改以及数据安全无保障等问题制约了它的进一步发展。在这个背景下，年代兴起的一种自动识别技 术 射频识别技术（，），随着其自身逐步的发展和完善，它的优点渐渐

7、为人们所认识和接受，已经广泛应用到生产和生活的一些领域中，并且还在不断的发展着。实际上是自动识别技术 “墟，）在无线电技术方面的具体应用与发展。该项技术的基本思想是，通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备（人员、物品）在不同状态（移动、静止或恶劣环境）下的自动识别和管理。虽然技术开始进入人 们的眼帘才是近十多年的时间，但是它的诞生却可以追溯至第二次大战时期【】。 射频识别技术发展的历史 第二次世界大战时期，被用于在空中作战行动中进行敌我识别，其技术是直接继承了雷达的概念。年哈里斯托克曼（）发表的 ”利用反射功率的通信 ”奠定了射频识别技术的理论基础，成为领域的开山之作。从技术上来

8、看，的发展可按十年期划分为几个阶段，如表所示： 电子科技大学硕士学位论文 表技术发展历程表 时间技术发展 年 年 年 年 年 年雷达的改进和应用催生了射频识别技术，年奠定了射频识别技术的理论基础。早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了最早的射频识别应用。射频识别技术及产品进入商业应用，各种规模应用出现。射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采 用，射频识别产 品逐渐成为人们生活中的一部分。 标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更

9、加丰富，有源 年至今电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签 成本不断降低，规模应用行业扩大。 至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多个电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。 射频识别技术的现状和应用 技术作为项先进的自动识别和数据采集技术，被公认为世纪十大重要技术之一，已经成功应用到生 产制造、物流管理、公共安全等各个领域。目前，欧美等发达国家在芯片、终端设备、系统应用方面，尤其是在标准制定和技术开发方面处于领先水平。随着技术的成熟和普及，各国政府都意识到技术对未来的影响和蕴涵的

10、巨大商机，制定相关政策或投入物力，积极推动本国产业发展。 就目前的市场情况而言，技术将会首先在政府主导的项目中得到大规模应用，之后随着技术的进一步成熟和成本的降低逐步应用到各行各业中。目前我国主流发展的应用领域有： 公路收费和智能交通； 第一章绪论 车辆的识别与管理 ； 电子票证； 动物信息跟踪和管理； 资产追踪和管理。 此外，还将在门禁管理、防伪识别、生产自动化以及过程控制、人员管理等领域得到应用和推广【。 射频识别发展趋势和存在的问题 随着技术不断发展和应用系统的推广普及，射频识别技术在性能等各方面都会有较大提高，成本将逐步降低，可以预见未来技术的发展将有以下趋势： 标签产品多样化： 未来

11、用户个性化需求较强，单一产品将不能适应未来发展和市场的需求。芯片的频率、容量、天线和封装材料等组合形成产品系列化，同时与其他高科技 相融合，如与传感器、生物识别结合将由单一识别向多功能识别发展； 系统网络化： 当系统应用普及到一定程度时，每件产品通过电子标签赋予身份标识，与互联网、电子商务结合将是必然趋势。 系统的兼容化：。 随着标准的统一，系统地兼容性将会得到更好的发挥，产品替代性更强。 因此，我们有理由相信发展潜力是巨大的，将是未来发展的一个新的增长点，技术将与人们的日常生活密不可分。 当然，技术领域还面临一些问题，主要有三个方面： 首先是标准问题：到目前为止，射频识别技术已经具有了 一些

12、国际标准。而在我国，射频识别技术的生产和应用领域还没有一个得到完全公认和推广的国家标准。制定并推广一个自主的国家标准，并且与国际标准相互兼容，使我国的产品能顺利地在世界范围中流通，是当前重要而急切需要解决的问题； 第二是安全与隐私问题：一方面射频识别技术的应用有着无限的魅力，另一方面对个人隐私安全的威胁极大的阻碍了射频识别技术的快速推广。因此，如何保护持有人的隐私安全技术将是在目前和今后发展技术十分关注的课题； 电子科技大学硕士学位论文 第三是多样性和复杂性：目前国内的应用还处于初级阶段 ，应用效果不好评判。由于用户需求的多样性和复杂性，导致很多应用只是在探索阶段，从而使公司的研发压力和成本更

13、大。同时，通过改进工艺和技术创新进一步降低成本，使之能够与传统的条码相比，才能将标签广泛地应用到更多的商品中【。 尽管如此，由于产业前景广阔，市场潜力巨大，同时政府支持、企业重视，我们对产业的发展充满信心。 射频识别技术的标准化协议简介 一个完整的系统包括射频标签和读写器两个部分，其中射频标签用来记录需要被采集和识别的数据信息，而读写器负责对标签上数据的读写操作 。射频标签与读写器之间的数据交换构成的是一个无线数据通信系统。 射频标签与读写器之间交换的是数据，由于采用无接触方式通信，还存在一个空间无线信道。在这样的数据通信系统模型下，射频标签是数据通信的一方，读写器是通信的另一方。要实现安全、

14、可靠、有效的数据通信目的，数据通信的双方必须遵守相互约定的通信协议。没有这样一个通信双方公认的基础，数据通信的双方将互相听不懂对方在说什么，步调也无法协调一致，从而造成数据通信无法进行。这个过程所涉及到的问题包括：时序系统问题、通信握手问题、数据帧问题、数据编码问题、数据的完整 性问题、多标签读写防冲突问题、干扰与抗干扰问题、识读率与误码率问题、数据的加密与安全性问题以及读写器与应用系统之间的接口问题【。 的协定总共可分为三层，最外层是，内容是定义所使用的无线通讯频道。协议族由国际标准化组织（， ）和国际电子技术委员会（，）制定，定义所使用的无线通讯频道和对应的协 议如下： 一：标准规范： 以

15、下； ： ： ： ： ： 】：。 第一章绪论 而第二层则是与储存在内的数据结构相关以及无线通讯接口协议（规定标签与读写器之间如何通讯）的定义，这也是目前规格最为分歧的协议。目前世界上有几大主要团体在争夺此协议 的规格主导权，首先就是属于美系的，另一组织则是日本产的 一些世界主要的标准介绍： （）：由，而中国挟其身为世界制造工厂的优势，亦推出了属于自身的规格。主导制定，在年和美国国防部（）相继宣布采用此标准后，其在世界各地建立据点并积极向各地政府与产业界推销其标准，已经逐步成为世界较大范围使用的一个标准； （）：由日本（）所提出的编码体系，主要在日本国内应用，同时向提出申请成为国际标准，并积极在

16、周边国家推行拓展其影响力； 编写制定的用以支持我国自主知识产权的编码体系 郴系统建立的电子标签国家标准。 适用于不同的产业（如制造业、零售业等）。电子标签国家标准：中国白皮书是由中国电子标签标准化工作组至于第三层则是界定数据与后端服务器沟通接口的整合，主要界定如何使 本 论文的选题和研究内容 在技术全面快速发展的今天，电子射频标签终将取代条形码的趋势已经日益明显，在世界范围的产品也是层出不穷。作为系统的核心部分，读写器具有的技术意义和市场前景都是不可限量的。然而目前国内投入使用的读写器产品中，一方面国外进口的产品占据很大一部分，另外很多国内的读写器产品依靠订制。如何系统的开发一款适合自身应用，

17、同时具有相当通用性的读写器是很多企业和单位会遇到的问题。本文针对这个问题，介绍了一系列读写器设计中会涉及到的原理知识、系 统结构、完整的设计思路以及一个基于为核心嵌入式平台的便携式读写器的工程应用设计实例，试图将技术、为核心的嵌入式技术和数据通信网技术三者结合应用到读写器系统设计中，为有应用需求的企业客户和产品生产单位提供设计思路 电子科技大学硕士学位论文 和参考实例。 本文主要的研究和工作内容如下： 简单介绍和分析了技术发展的历史和现状以及主流的标准，让读者对的应用和前景有一个充分的认识。 分类介绍系统的原理和关键技术，比较了在不同频段读写 器系统中原理和技术的区别所带来的设计上的变化。 通

18、过对读写器系统结构的介绍和分析，逐步提出和形成一套完整的具有通用性的读写器系统设计思路。 提出和分析了读写器实现便携式的优点和意义，并指出在便携化过程中会遇到的问题和解决方法。 结合课题来源的工程项目，介绍了一个实际的嵌入式平台阅读器开发的完整实例。首先分析了系统的需求和特点，制定了系统方案并划分了功能模块。接着构建了一个以的芯片￥为核心的嵌入式硬件平台，并在此基础上设计和实现 了便携式低频阅读器的各个功能模块的硬件电路，编写了相关驱动和调试程序。 利用技术，设计和实现了多阅读器和服务器进行无线组网的方案，构建了完整的信息采集和传输的网络系统架构。 介绍了嵌入式操作系统下驱动和应用软件开发的相

19、关原理。 制作了一定数量的样机并投入到实际应用的环境中进行了测试，针对一些问题进行了分析并提出了解决的方案。 第一章基本娘坪和阅读器系统结构 第二章基本原理和阅读器系统结构 系统基本原理 系统模 型 射频识别系统的基本模型如图 所示 箩一围鬟归足 图系统模型同稚垦上位机耦台元件（线圈、微波天线） 乜予标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空阳（无接触）耦合、在耦合通道内，根据叫序哭系，实现能量的传递、数据的交换。 发生在阅读器和电子标签之日的射频信号的耦合类犁有两种。 电感耦合：变压器模掣，通过空捌高频变变磁场实现耦合依掘的是电磁感应定律，如图所示： 电子科技大学硕士学位论文 图电感耦合