基于ARM的双频RFID读写系统设计

2011-02-11 14:20:59来源: 维库电子市场

      摘要:本文设计了能对低频和高频RFID 卡进行操作的双频RFID 读写系统。系统基于ARM微处理器S3C44B0X,利用S3C44B0X 的内部接口实现与RFID 模块和其它外设的连接,简化了硬件。软件设计中,通过对ARM 嵌入式系统的编程实现对RFID 卡的读写、显示以及数据的存储、查询等功能。系统还可通过USB 接口与上位机(PC)连接,使用方便灵活。

  1 引言

  RFID(Radio Frequency Identification Technology,无线射频识别技术)由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点,显示出巨大的发展潜力和应用空间,被认为是21 世纪最有发展前途的信息技术之一。射频识别技术虽然有很多优点,但其技术本身也有局限性。对RFID 系统而言,低频系统具有良好的对水、肉体等可导媒介的穿透力,而速度、距离、抗冲突性较差;而高频系统则正好相反。如能结合各种频率系统,用其所长,则可以使RFID 适应多种场合,拓展其应用范围。本文设计的系统正是基于这一出发点,将低频和高频二种频率的RFID 模块组合在一起,构成双频系统,使系统兼具低频可穿透性和高频良好的距离、速度、抗冲突性等方面的优势。鉴于目前国内市场上应用最为广泛的射频卡和读写器实现方法,本文采用ARM 嵌入式系统作为微控制器,设计了能对低频125KHz 和高频13.56MHz 的二种频率RFID 卡操作的读写模块,实现了的双频RFID 读写系统。

  2 系统设计

  由于ARM 微处理器具有运行速度快,接口功能丰富,其应用越来越广泛。本文采用三星公司的S3C44B0X,它是ARM7 系列的低功耗的32 位RISC 处理器,具有ARM7TDMI内核,有丰富的内置部件,包括8K 字节Cache 和内部SRAM,带自动握手联络的2 通道UART,定时器,通用 I/O 口,ADC 和I2C-BUS 控制器等。尤其是它的内置液晶显示器接口,可直接连接LCD 显示器,无需专用LCD 显示器接口芯片,可使成本降低,很适合在本系统中使用。读写系统的结构如图1 所示。


图1 系统结构框图

  整个系统由ARM 嵌入式系统(包括S3C44B0X,SDRAM 存储器FLASH 存储器),低频RFID 卡读写模块,高频RFID 卡读写模块,USB 接口,LCD 显示器以及蜂鸣器、状态指示灯等组成。RFID 模块是北京华闰得公司开发的具有串行数据通信接口的模块,低频读写模块是CR001,为工作于125kHz 的EM4001 卡;高频模块是CR013,为工作于13.56MHz的MF 卡。由于RFID 模块具有TTL 电平的串行通信接口,这样ARM 微处理器可直接通过片上的二个UART 接口与其连接,不需要电平转换即可轻松实现与RFID 模块的通信。嵌入式系统与PC 机的连接则通过USB 接口实现。

  因为低频 RFID 卡一般都是只读卡,进入读卡器磁场范围后,就自动发出信号。ARM微处理器通过不断检测端口捕捉信号,一旦读到卡,就读取信息,并在LCD 上显示。对于高频卡,可根据需要进行读或写操作。

  LCD 显示器采用320*240 点阵的STN 型彩色液晶模块,可直接与S3C44B0X 连接,成本也较低。对LCD 的显示控制直接使用S3C44B0X 内部的LCD 驱动控制器实现,它能自动产生LCD 驱动控制所需的信号。在这种接口方式下,LCD 显示缓冲区映射在系统的存储器空间上,程序只需将像素点内容写入存储器对应地址就可以实现对应LCD 屏上像素点颜色的显示刷新,控制十分方便。

  键盘和状态指示灯的操作控制采用 ZLG7290 实现。ZLG7290 是一款功能较强的按键处理和7 段数码管显示专业芯片,提供了I2C 串行接口和键盘中断信号,可方便地与S3C44B0X连接。

  在上位机(PC 机)上,通过设计专门的软件实现对RFID 卡的读写操作,并对RFID 卡进行管理。由于PC 机功能强大,如再配上数据库系统,可以对大量用户的数据和信息进行存储和查询等处理,满足多种应用的需要。

  3 系统的软件设计

  3.1 RFID 模块操作

  CR001 模块与S3C44B0X 的串口(UART0)相连,在接收数据前首先要对UART0 进行初始化。根据CR001 的使用规范,设置波特率为9600Baud,数据位为8 位,1 位停止位,无校验位。为使ARM 对低频RFID 卡及时作出响应,软件采用中断方式接收数据,即当S3C44B0X 的UART0 接收到数据时,产生中断,在中断服务程序中接收CR001 模块的数据。

  根据 CR001 射频读写模块的使用规范,CR001 模块输出的数据包有5 个字段,即起始符(STX,02H)、数据(10 个ASCII 字符)、校验和(2 个ASCII 字符)、LD 和LF(0DH和0AH)、结束符(ETX,03H)。因此在软件设计中,当收到UART0 的数据时,首先要判断一个数据包的起始符和结束符,以确定一个数据帧的起止位置,然后再检验数据的校验和是否正确。只有在接收的数据无误时,再将其中的数据取出、存储,并在LCD 上显示。中断服务软件的流程如图2 所示。


图 2 CR001 模块的中断服务程序流程

  CR013 射频读写模块是采用Philips 公司的Mifare 技术设计的微型嵌入式、非接触式IC卡读写模块,内嵌ISO14443 Type A 协议解释器,并可直接驱动射频天线。这是一种以被动方式工作的卡,刚进入天线有效感应区的卡得电进入空闲(IDLE)状态,它只吸收感应区内的磁场能量,不会首先发出信号。当读卡设备发出请求信号,符合条件的卡才会响应。因此处理器与模块之间以一问一答式的半双工方式进行通信。

  对 CR013 模块的读写过程相对较复杂,要执行一系列的操作指令,包括询卡、请求、防冲突、选卡、装载密钥、验证密码、读块、写块,这一系列的操作必须按固定的顺序。寻卡时,处理器需要执行请求、防冲突、选卡操作,与CR013 模块建立起通信关系,在通过装载密钥、验证密码操作后,才可进行读卡或写卡操作。

  1、防冲突

  防冲突就是从多张卡中选出一张卡来操作,又叫防碰撞、防重叠。如果知道卡的序列号,则可跳过此步,直接执行下一步选卡命令。若不知道卡的序列号,则必须调用防碰撞函数,得到感应区内卡的序列号。若同时有多张卡在感应区内,防碰撞函数能检测到,并且从中选出一张卡的序列号来。

  2、选择卡片

  根据上一步收到的卡号,发出选卡命令。经过这一步后才真正选中了一张要操作的卡,以后的操作都对这张卡进行。

  整个寻卡过程包括请求、防冲突、选卡三个步骤。当微处理器发出寻卡命令时,实际上微处理器执行了以上3 个步骤。为防止死锁,本文设置每步操作的最大次数为3 次,若3次不成功则寻卡失败。程序流程如图3 所示。


图3 CR013 模块寻卡程序流程

  3、密钥装载和验证密码

  微处理器发出读、写命令后,在进行读写操作前必须先执行密钥装载和验证密码。验证密码又叫认证、证实。模块将装载到读卡芯片FM1702SL 中的密码与卡中指定扇区的密码进行认证,如果密码相同,则认证成功,卡允许进行读写操作。

  3.2 LCD 显示软件设计

  LCD 用于显示用户操作界面,为此需要在屏幕上绘制图形,显示数据和文字。在对LCD 控制器进行操作前,首先要对LCD 控制器的专用寄存器进行初始化,内容包括定义3个LCD 控制寄存器,3 个帧缓冲区地址寄存器和3 个颜色查找表寄存器。

  为了在 LCD 上显示字符和图形,需要建立绘图和字符显示库函数。绘图函数包含一些基本的绘图功能,如画点、画线、画矩形框和区域填充等。其中画点是最基本的函数,其它函数都可以调用画点函数实现。

  为了在 LCD 上显示字符,还要建立ASCII 字符和汉字字符的点阵库和显示函数。显示ASCII 字符的原理是在特定的坐标位置画点,形成人们可以识别的字符图形。点的坐标根据建立的ASCII 字符点阵库来确定。ASCII 字符的点阵库可以根据字符的点阵位置生成点阵数组供调用。汉字的显示原理与ASCII 字符相同,事先也要建立汉字点阵字库,这一过程可通过专用的字库生成软件实现。另外,为了节省存储器空间,只需建立本系统要用到的汉字小字库,而不必生成所有常用字的点阵。

  3.3 键盘和指示灯的软件设计

  对键盘和指示灯的操作控制是由 ZLG7290 实现的,由于S3C44B0X 具有I2C 接口,因此可直接与ZLG7290 连接。编程时首先要对I2C 总线进行初始化,然后打开键盘中断。当键盘有键被按下时,ZLG7290 的INT 引脚会产生一个低电平的中断请求信号。在ARM 的中断程序中通过I2C 总线读取键值,再根据键值完成相应功能。

  3.4 USB 接口通信

  为方便与 PC 机接口,本系统采用应用广泛的USB 接口与PC 机通信。因S3C44B0X 本身不带USB 接口,必须要进行扩展。但是,USB 接口协议非常复杂,固件编程和WDM 驱动程序的编写都是相当麻烦的工作。为降了设计难度,缩短开发周期,本文采用哈尔滨讯通公司的通用串行总线模块USB100。该模块内部封装了USB 协议和细节,即插即用,完全满足USB1.1 标准,对 USB 接口的操作如同对外部存储器操作一样方便,无需任何外接元件。

  USB100 模块有2 根状态信号RXF 和TXE,用于与ARM 联络。RXF 为低表示模块有数据输出,ARM 可以读取数据;TXE 则表示USB100 发送缓冲区的状态,TXE 为低表示USB100 发送缓冲器未满,可以向发送缓冲区写数据。在编程时,可以采用查询方式实现数据的收发。

  3.5 RTC 实时时钟显示功能

  为了显示读卡和写卡的时间,需要使用实时时钟(RTC)。S3C44B0X 具有一个独立的RTC 功能模块,能够像钟表和日历一样保存并自动计算时间。RTC 的寄存器保存了表示时间的8 位BCD 码数据,包括秒、分、时、日、星期、月和年,编程时主要是对这些参数进行初始化设置。在LCD 上显示实时时钟时,需定时地从上述的寄存器中取出相应的数据。由于LCD 上字符是根据ASCII 码显示的,而RTC 的寄存器中存放的时间参数都以BCD 码形式存储,因此在LCD 显示日期和时间之前,必须先对时间数据进行格式转换,即将BCD码转换为ASCII 码。

  3.6 PC 机软件

  PC 机软件基于windows 操作系统,采用Visual C# 2005 进行编程。软件的功能主要包括在PC 机上显示操作面板,通过与ARM 嵌入式系统通信实现对RFID 卡的读写操作,并将卡的相关信息在PC 机上显示;此外,软件还能访问数据库,将从卡中读取的数据存入数据库中,或将数据库中的取出数据写入RFID 卡,还能根据用户的需要查询相关信息。数据库采用Microsoft office Access 数据库系统,并采用结构化查询语言(SQL)对数据库访问。

  4 结束语

  本文以 ARM 微处理器S3C44B0X 为核心,设计实现了RFID 双频读写器系统。在对高频RFID 卡的寻卡过程中,通过对最大操作次数的限制,有效地防止了死锁。系统具有LCD 显示器,通过键盘操作便可对RFID 卡的进行读写。设计的USB 接口可方便地与PC机连接,在PC 机上实现对RFID 卡的操作。系统功能强,使用灵活,可满足多种应用场合。由于采用了低成本的ARM 微处理器,简化了硬件,提高了系统的性价比。

关键字:ARM  RFID

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0211/article_3720.html
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