1、 本科毕业论文（设计） 题目： 13.56MHz 射频识别系统硬件电路设计 学生姓名 学 号 指导教师 武岳山 /卜起荣 院 系 信息科学与技术学院 专 业 电子信息工程 年 级 2010 届 教务处制成绩 西北大学本科毕业论文 I 摘要 射频 识别 (Radio Frequency Identification, RFID)技术是一种非接触的自 动识别技术。 RFID 技术以其高度安全保密性、同时识别多个标签和高速运动物体、操作快捷方便等优点，使得在各领域的应用中异军突起，应用前景十分广阔。研究、开发射频识别读写器，对其发展有着重要的实际意义。 论文首先介绍了 RFID 技术的发展历史及国内
2、外应用现状，接着对 RFID 系统基本工作原理进行了概述；其次描述了射频识别系统的体系结构和基本功能，并着重介绍了国际标准 ISO/IEC 15693 空中接口协议；然后，按照该协议提出了一种基于 TI 公司 S6700 芯片的 13.56MHz 射频识别读写器的硬件设计和实现方案；详细阐 述了 S6700 应用电路、天线设计、以及基于 AT89S52 单片机的控制电路、 RS232 串口通信电路的设计，本设计实现了对 Tag_it 卡的读写操作，并与上位机进行通信；最后，在硬件设计和软件设计基础上，根据制作的实物和测试结果做出总结论述，并提出了一些尚待解决的问题。 关键词： 射频识别， RF
3、ID， 读 写器 ， 13.56MHz， 电子标签， S6700， ISO15693 西北大学本科毕业论文 II Abstract RFID (Radio Frequency Identification, RFID) technology is an automatically identifying technology that requires no direct contact. Advantages such as high degree of safety and confidentiality, the ability to identify multi-tag and obj
4、ects with high speed, and the convenient operation entitles RFID technology with wide application in all fields and great prospects. Therefore, the development of RFID reader has significant practical significance. The thesis will firstly give a general introduction on the history of RFID technology
5、, its application both at home and abroad, and the overview of the basic working principle. Secondly, it focuses on the RFIDs system construction and fundamental functions, with an emphasis on the international standard ISO/IEC 15693 air interface protocol.Thirdly, according to the protocol, the pap
6、er proposes a hardware design program based on 13.56MHz RFID reader of S6700 Chip of TI Cooperation, elaborating the applied circuit of S6700, antenna design, and based on the control circuit based on the design of AT89S52 MCU and RS232 serial communication circuit. This design realizes the reading
7、and writing function of Tag_it card, and also realizes the communication with the host computer. At last, based on the design of hardware and software as well as the testing results and the products, the paper will draw a conclusion and made a number of unsolved issues. Key words: RFID, Reader, 13.5
8、6MHz, Electronic Tag, S6700, ISO15693 目录 摘要 .I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 射频识别系统概述 . 1 1.1.1 初识射频识别技术（ RFID） . 1 1.1.2 射频识别技术发展历史及应用现状 . 1 1.2 射频识别系统工作原理 . 2 1.3 研究意义及论文结构 . 3 第二章 射频识别系统体系结构 . 5 2.1 阅读器概述 . 5 2.1.1 读写器的基本结构 . 5 2.1.2 读写器的基本功能 . 6 2.2 电子标签（ Tag）概述 . 6 2.3 ISO/IEC 的 RFID 空中接口标准 . 6
9、2.3.1 ISO/IEC 15693 系列标准介绍 . 7 2.3.2 ISO/IEC 15693 标准的防冲突机制 . 7 第三章 RFID 系统读写器设计 . 9 3.1 系统结构技术指标 . 9 3.2 设计方案 . 9 3.2.1 系统设计总体构思 . 9 3.2.2 TRF7960 芯片的功能与特点 . 10 3.2.3 S6700 芯片的功能与特点 . 11 3.3 读写器硬件电路设计 . 13 3.3.1 射频电路设计 . 14 3.3.2 天线设计 . 15 3.3.3 控制电路设计 . 17 3.3.4 接口电路设计 . 18 第四章 总结与展望 . 19 致谢 . 21
10、参考文献 . 23 西北大学本科毕业论文 1 第一章 绪论 1.1 射频识别系统概述 1.1.1 初识 射频识别技术（ RFID） RFID(Radio Frequency Identification，射频识别 )是一种应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自 动的获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感耦合或者电磁耦合）传输特性，实现 非接触性信息传递，达到自动识别 的 目的 1。 一个典型的 RFID 系统由阅读器（ Reader）、电子标签（应答器 Tag）和数据管理、处理系统组成
11、。 RFID 系统分为有源和无源两类，有源系统的电子标签是由电源来提供能量，无源的电子标签则没有电源 而是由电磁场来提供能量 。 与传统识别技术比较，射频识别技术具有防水、防磁、耐高温、读取距离大、数据加密、传输速度快 、存储数据容量更大、存储信息更改简单等特点，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境 ，操作快捷方便。如今 射频识别技术发展迅猛 ，其 应用领域也在不断的扩大。射频识别技术被广泛应用于工商业自动化、军事物流保障、交通运输控制管理等众多领域，随着 RFID 标准的形成与完善，技术的进一步发展， 其新的应用 领域 还在不断扩展，层出不穷。 1.1.2 射频识别技术发展历史 及应用
12、现状 能量是 RFID 的存在基础，电磁能量是自然界存在的一种能量形式。 雷达技术开创了人类利用电磁能量的先河，人们对雷达 的 应用和改进催生了 RFID 技术。 1948 年，哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”论文奠定了射频识别 技术 的理论基础。 而最早使用这项技术的是美国国防部军需供应局。在 随后的几十年， RFID 技术得到了迅猛的发展，其 应用产品正逐渐成为人们生活不可获取的一部分 2。 射频识别技术在国外发展 迅速， RFID产品种类 众多 。如 TI， Motorola, Philips, EM, iPico, Alien 等世界著名厂家都生产 RFID 产品，并且它们的产
13、品各有特点，自成 体系 。 目前， RFID 还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但随着全球物流行业 RFID 大规模应用的开始， RFID 标准的统一已经得到业界的广泛认同。 西北大学本科毕业论文 2 我国在 RFID 技术的研究、应用方面也发展很快。在 RFID 技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波 RFID 电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。在 RFID 技术应用方面，基于我们国家经济发展状况、信息化程度不高、 RFID 实施成本较高、标准尚未统一、我国产业链供应处于初级阶段等原因， RFID 技术在我国尚未广泛应用。但是在国内物流、烟草、
14、医药、门禁系统、身份证等已经得到很好的应用。 2010 年 2 月中国移动推出的 使用 RFID-SIM 卡的 手机支付业务、上海世博会 电子门票 、在无锡试点的物联网等 堪称我国 RFID 行业典范 。 随着中国企业信息化进程的推进、 RFID 技术将逐渐扩大到更加广泛的领域，而 RFID 的成本也会随着应用的推广和市场的扩大而逐步降低 ， RFID 的益处也将得到最大程度的发挥。 1.2 射频识别系统工作原理 最基本的 RFID 系统由三部分组成： （ 1） 标签 (Tag，即射频卡 )：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。 每个标签具有唯一的卡号（ UID）
15、。 （ 2） 阅读器：读取 (在读写卡中还可以写入 )标签信息的设 备。 （ 3） 天线：在标签和 阅读 器间传递射频信号。 有些系统还通过阅读器的 RS232 或 RS485 接口与外部计算机 (上位机主系统 )连接，进行数据交换。 本文所研究的系统使用 RS232 接口与 PC 机进行通信。典型的射频识别系统组成如图 1.1 所示。 图 1.1 射频识别系统基本组成 所有阅读器均可简化为 射频电路 和控制单元两个基本模块。 射频电路 包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动 电子标签 提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给 电子标签 ；接收并 解调来自 电子标签的高频
16、信号 。 阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执阅读器 接口电路 MCU 射频模块 天线 上位机 应答器 （ Tag） 西北大学本科毕业论文 3 行应用系统软件发来的命令；控制与 电子标签 的通信过程 (主 -从原则 )；信号 的编解码。对一些特殊的系统执行反碰撞算法，对 电子标签 与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器的身份验证等附加功能 3。 本文 研究的 RFID 读写器中心频率工作在 13.56MHz，所操作的电子标签属于无源标签。读写器产生的射频信号通过天线辐射 到空中， 当标签处于 天线辐射 磁场中的时候，通过电感耦合，标签的天线线圈上产生一
17、个电压， 将其整流后作为 数据载体的电源 。论文中研究的 RFID 系统属于 “阅读器通话优先” 系统，即只有在接收到读写器发出的命令以后，标签才给出响 应。 1.3 研究意义及论文结构 在 目前 主流 自动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但是容易磨损， 只具备读而不具备写的功能，并 且数据量很少；接触式 IC 卡的成本稍高 ，数据存储量较大，安全性好，但是也容易磨损，寿命短；而射频卡 片 实现了免接触操作，应用便利， 不易磨损，寿命长 ，穿透性好，抗污染 和防干扰能力强， 读取距离远，无需与目标接触就可以 获取 数据，支持写入数据，可重复使用，并且使用了防冲撞技术，能够识 别高速运动物体并
18、可同时识别多个射频卡。 因此，对射频识别技术的研究具有重要的意义。 本文所研究的 RFID 系统为 13.56MHz 电感 耦合射频识别系统。阅读器射频模块 采 用 美国 TI 公司的 S6700 非接触式 IC 卡芯片，可以完成数据调制、解调的功能，并对射频调制信号进行整流和发射。阅读器的控制单元采用 ATMEL公司生产的高性能 CMOS 8 位单片机 AT89S52，其主要负责运行读写卡片的程序，提供 S6700 芯片的控制信号，通过 RS232 接口 芯片 完成与上位机 进行 数据通信。 该读写器能完成对基于 13.56MHz 频段标签所有读写 及控制操作，具有响应速度快、读卡距离远、通
19、信稳定等优点。 西北大学本科毕业论文 5 第二章 射频识别 系统 体系结构 2.1 阅读器概述 阅读器是 RFID 系统的核心和基础，在射频识别系统中担当着至关重要的角色。阅读器通过天线与 RFID 电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。读写 器的频率决定了射频识别系统的工作频段，同时，读写器的功率直接影响了识别的距离。读写器在数据管理系统的控制下发送一定频率的射频信号，当电子标签进入 阅读器天线所产生的 磁场时 被激发出 感应电流从而获得能量， 并 发送出自身 编码等信息，该信息被读写器读取并译码后送至管理系统 (一般是电脑主机 )进行 相关 处理，这 一系列
20、的发送、获取 过程 均 以无线 通讯 方式进行 4。 2.1.1 读写器的基本结构 各种读写器虽然在耦合方式、通信流程、数据传输，频率范围等方面有着根本的 差异 ，但是在功能原理 和结构 设计上，各种读写器 大同小异， 一般是由射频模块、 控制单元、天线三部分 构成。 1.射频模块 射频模块由射频振荡 电路 、射频 应用电路 以及 接口电路 组成。射频模块可发射和接收射频载波。射频载波信号由射频振荡器产生并被射频处理器放大，该载波通过天线发射。射频模块将天 线接收的从射频识别标签发射或反射 。 2.控制 单元 控制单元 一般由微处理器、时钟电路、标准接口以及电源组成，它可以接收射频模块传输的信
21、号，译码后获得标签内信息 ，完成读标签操作； 或将要写入标签的信息编码后传递给射频模块，完成写标签操作。还可以通过标准接口将标签内容和其他信息传递给计算机 进行后续相关 处理 。 3.天线 天线是 一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换为电磁波的装置。 在 RFID 系统中，天线 在确定的工作频率和带宽条件下，发射由射频模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波 并将 其进行解调后传递给射频芯片 5。 西北大学本科毕业论文 6 2.1.2 读写器的基本 功能 读写器是射频识别系统的重要组成部分， 它 主要完成以下功能 ： 1与电子标签的通信功能 :在规定的技术条
22、件下读写器可与电子标签进行通信。 2与计算机的通信功能 :读写器可以通过标准接口如 RS232 等与计算机连接，将得到的标签信息传输到计算机进行 后续 处理。 3在读写区内 同时识别 多个标签， 具备防冲撞功能 。 并且能够 对 高速 移动的 对象进行识别。 4 能够校验读写过程中的错误信息 ， 并 提示 错误的有关信息。 在射频识别系统的工作 流程 中， 读写器的基本任务是触发作为 数据载体的电子标签，与电子标签建立通信 关系 ，并在 后台系统 和非接触的数据载体之间传输数据。这种非接触通信的一系列任务包括通信的建立、防止碰撞和身份验证等，均由读写器来处理。 2.2 电子标签（ Tag）概述
23、 电子标签是指由 耦合元件、 IC 芯片和天线组成的大小如芝麻粒的超微型集成模块。标签中一般保存有全球唯一的 UID 及相关数据信息，在实际应用中，电子标签被 采用特殊封装形式封装而成各种形状的卡片 或者附在待识别物体的表面。存储在芯片中的数据，可以由阅读器以无线电波的形式非接触的读取，并通过阅读器的控制单元，进行信息解读和 相关处理 6。 在射频识别中，电子标签天线直接影响读取效果。在选择电子标签的天线时必须考虑以下因素：天线的类型；天线的阻抗；在应用到电子标签上时的 RF性能；有在其他物品围绕贴标签物品时的 RF 性能。在实际应用中，标签的使用有两种基本形式。一是标签移动，通过固定式阅读器
24、进行识别；一种是标签不动，通过手持式等移动阅读器进行识别。 2.3 ISO/IEC 的 RFID 空中接口标准 在 RFID 系统中，电子标签和读写器之间通过相应的空中接口协议才能进行相互通信。空中接口标准直接决定系统传输和识别的可靠性和有效性。空中接口 协议定义了读写器与标签之间进行命令和数据双向交换的机制，即读写器发给标签的命令和标签发给读写器的响应。国际标准化组织 ISO/IEC 制定了一西北大学本科毕业论文 7 些 RFID 空中接口标准，目前比较成熟并且应用最多的是载波频率为 13 56MHz的 ISO/IEC 1 4443 和 ISO/IEC 1 5693 系列标准，而最受关注的是
25、 ISO/IEC 1 8000系列标准，它涵盖了从 1 25kHz 到 2 45GHz 的频段内的空中接口通信参数。下面将着重介绍本研究方案使用的 ISO/IEC 15693 空中接口标准。 2.3.1 ISO/IEC 15693 系列标准 介绍 ISO/IEC 15693： 2001识别卡 无触点的集成电路卡 邻近式卡系列标准是由 ISO/IEC JTC1 SC17 负责制定的载波频率为 13.56MHz 的非接触式 IC 卡国际标准。 该系列标准分为 4 个部分：物理特性、空中接口和初始化、防冲突和传输协议、扩展命令集和安全特性。它规定了邻近式耦合设备 (VCD)和邻近式卡(VICC)之间
26、全部采用 ASK 的调制原理进行通信，调制指数为 10%和 100%， VCD 确定使用哪种调制指数， VICC 应对两种调制指数正确解码。 从 VCD 向 VICC 传送 信号时，编码方式为两种：“ 256 取 1”和“ 4 取 1”，二者皆以固定时间段内以位置编码。这两种编码方式的选择与调制指数无关。当“ 256 取 1”编码时， 10% 的 ASK 调制优先在长距离模式中使用，在这种组合中，与载波信号的场强相比，调制波边带较低的场强允许充分利用许可的磁场强度对 IC 卡提供能量。与此相反，读写器的“ 4 取 1”编码可和 100% 的ASK 调制的组合在作用距离变短或在读写器的附近被屏蔽
27、时使用。从 VICC 向VCD 传送信号时，用负载调制副载波。电阻或电容调制阻抗在副载波频率的时钟中接通和断开，而副载波 本身在 Manchester 编码数据流的时钟中进行调制，使用 ASK 或 FSK 调制。调制方法的选择是由读写器发送的传输协议中 FLAG 字节的标记位来标明，因此， VICC 支持 ASK(副载波频率为 424kHz)和 FSK(副载波频率为 424/484kHz) 两种调制方法。数据传输速率分为高速和低速两种，同样是通过 FLAG 字节的标记位来选择。这两种速率根据采用的副载波速率不同而略有不同，采用单副载波时低速为 6.62kbps，高速为 8kbps；采用双副载波时则分别为 6.67kbps 和 26.69kbps。可见， ISO/IEC 15693 标准具有应用灵活，操作距离远等优点 7。 2.3.2 ISO/IEC 15693 标准的防冲突机制 如果在同一时间段内有多于一个的射 频标签同时响应，则说明发生冲突。
