论文总字数：24806字

摘 要

RFID（Radio Frequency Identification）射频识别技术是一种无线电射频信号进行通信的非接触式自动识别技术。它具有高效、快速、可靠、非视距读取和可工作于恶劣环境等优点，因而被广泛地应用于数据采集和商品识别领域。近些年来，射频识别系统的应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的方方面面。

本论文是为了设计出一款高频读卡器，该读卡器要求对M1，CPU，D40，TypeB,15693等卡进行读取。在硬件方面，进行了射频读写模块电路设计、微控制单元电路设计、串行通信电路设计、射频输出功放电路设计、射频输入信号处理电路设计以及天线设计。其中功放电路和天线为硬件电路设计的关键部分。读卡器需要通过天线实现与标签之间的通信，而且必须通过天线为射频标签提供电源。对于天线接收到的标签相应信号，设计中使用二极管检波电路解调出副载波调制信号，然后将副载波调制信号进行放大再调制到13.56MHz的载波上，从而使处理后的信号强度和调制度满足射频读写模块的要求。本设计采用STM32F103RBT6处理器作为主控CPU，通过串口控制RC663，射频天线与RC663相连。上位机与STM32芯片是通过RC663芯片，USB转串口。在软件方面，采用了keil的编译环境，对射频物理层软件进行开发，这部分软件完成的主要功能是通过对读射频读写模块的控制实现对射频标签的操作。

本设计实现了RFID读卡器与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行防冲突算法，对射频卡与读写器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和读写器间的身份验证等附加功能。本设计所研究的RFID读写器工作频率为13.56MHz，采用模拟与数字解调相结合的软硬件系统结构，实现RFID读写器的读写功能，能够同时支持多种协议的操作。

关键词：高频；射频识别；读卡器；协议

High frequency RFID reader software and protocol analysis

Abstract

Radio Frequency Identification (RFID) is a kind of non-touching antomatic identifying technology. RFID has many advantages compared to barcode, such as reading information directly without touching, working under harsh environment, penetrating objects and identifying many objects in less time. So it has been widely used in the field of data collection and product identification. In recent years, applications of radio frequency identification systems are growing, and now it comes to people's daily lives.

The thesis is to design a high-frequency reader, which requires reading M1, CPU, D40, TypeB, 15693 and other cards. The design of hardware include design of RF Read/Write module, design of MCU circuit, design of serial communication circuit, design of RF power amplifier (PA), design of RF signal processing circuit and antenna design. During those parts, the design of RF PA and antenna design are key parts. The reader needs to realize the communication via the antenna between labels, and must provide power to the RFID tags through the antenna. For the antenna to receive signals corresponding label, design uses a diode detector circuit to demodulate the subcarrier modulation signal, then subcarrier modulation signal is amplified and then modulated onto a 13.56MHz carrier, so that the signal strength and modulation processed to meet the requirements of the radio frequency reader module. The design uses STM32F103RBT6 processor as the main CPU, through the serial port control RC663, and RC663 RF antenna connected. PC with STM32 chip is by RC663 chip, USB-to-serial. On the software side, using keil compiler environment, RF physical layer software development, the main function of this part of the software is to achieve the complete operation of the RF tag read by RFID reader module control.

The design achieves to the RFID readers and application software to communicate and execute application software sent commands, communication process control and RF card, and codec signal. There are some special system to perform anti-collision algorithm, the data between the card and reader radio frequency to be transmitted for encryption and decryption, as well as additional features between authentication and RF card reader. The design study of RFID reader operating frequency is 13.56MHz, using hardware and software system architecture combining analog and digital demodulation realize RFID reader's capabilities to support multiple protocols operate.

Key Words: High frequency; RFID; Reader; Agreement

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究工作的背景与意义 1

1.2 RFID国内外发展现状 2

1.3 射频识别技术的发展前景 3

1.4 本文的主要工作和组织结构 4

第二章 RFID系统理论研究 5

2.1 RFID系统的基本结构 5

2.2 RFID系统的种类 5

2.2.1根据工作频率分类 6

2.2.2 根据耦合方式分类 6

2.3 RFID系统的编码和调制 6

2.4 ISO/IEC15693 7

2.4.1 物理特性 7

2.4.2 初始化，空气接口和防碰撞 7

2.4.3 传输协议 11

2.5 ISO/IEC14443 13

2.5.1 物理特性 13

2.5.2 频谱功率和信号接口 13

2.5.3 初始化和防碰撞算法 13

2.6本章小结 14

第三章 高频RFID读卡器硬件设计 15

3.1 读卡器的工作原理 15

3.2 MCU控制部分 15

3.3 射频部分 16

3.4 天线设计 17

3.5 本章小结 17

第四章 高频RFID读卡器软件实现 18

4.1 高频RFID读卡器软件实现 18

4.2 读卡器串口通讯协议 18

4.2.1 协议流程 18

4.2.2 M1卡操作流程 18

4.2.3 D40卡操作流程 19

4.2.4 CPU卡操作流程 19

4.3 本章小结 20

第五章 实际测试 21

5.1 RFID读卡器PCB设计 21

5.2 RFID读卡器软件界面显示 21

5.3 测试结果分析 31

5.4 本章小结 31

第六章 总结 32

致 谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

射频识别（Radio Frequency Identification）技术，第二次世界大战期间诞生，在近些年来得到了非常广泛的运用，它是一种应用在近距离范围内且非接触式自动识别的无线通信技术^[1]，利用无线射频的方式进行非接触式双向通信，从而达到识别的目的，并进行必需的数据交换^[2]，RFID系统的读写器和射频标签之间不用直接碰触便可完成识别。非接触性是RFID技术的突出优势之一，所以不需要额外的人工干预就能进行识别工作，在不损坏射频标签的基础上就可以自动识别；其操作简便快速，不仅可以识别数个射频电子标签，而且还能识别高速的运动；射频标签有以下几个优点，例如：能够穿透非金属物体进行识别，受油污、尘埃等外界的影响很小，有较强的抗干扰能力。通讯技术与REID技术联系较为紧密，可以让信息在全球范围内实现共享并进行物品跟踪。通过对RFID技术和RFID产业的研究发展,对整个社会的信息化和人民生活水平有很大提升，对社会公共安全和国防安全有战略性意义，对社会经济的高效可持续发展有深远影响。

RFID系统有三个重要组成部分：阅读器、应用系统和电子标签。同IC卡、磁卡等接触式识别技术相比较的话，其最重要的特点在于非接触识别，它不但能够穿透尘埃、涂料、和包装材料，更重要的是它还能够在普通的条形码无法使用的极端环境下实现阅读标签功能，通常情况下，仅需不到100ms就能够完成阅读任务。除此之外，RFID 系统相比普通条形码的识别技术，其优点还包括^[3]：

（1）体积小，形状多样化。通常情况下一个可以实现整体功能的RFID标签芯片只需要几mm²的空间，而且读取时无需测量尺寸的外形和体积，只需要将其粘贴在物体表面即可完成识别功能，而不需像条形码般一定要根据纸张的大小固定。

（2）可重复利用，成本低。传统的条形码印刷好以后，其所存储的信息就不能变化了。RFID标签却不同，它能够随时对标签内的数据进行读写和删除。从而降低了成本。

（3）存储数据量大。对于普通的条形码来说，纵然是当今最流行的二维码所能储存的数据量至多不过3000字符，而RFID标签储存的数据量却可以达到数个字符。芯片的集成度越高，其数据量还会越大，更能满足人们的需求。

（4）可同时读取数个标签。对于传统的条形码来说，一次只能获取一个标签信息，获取速度相对慢。由于RFID采用与众不同的防碰撞算法，使得它能够在保持高速读取的基础上，完成对多个标签的读取工作。

（5）安全性高。射频识别系统的读写过程是通过射频通信的方式来解决的，可以加密它的读写过程，让其内容不轻易被窜改，比较安全。

近些年，受到智能手机和移动支付的快速发展的影响，代表性强的NFC的RFID技术已经运用到人们日常生活中。RFID技术必定成为学术界深入研究的对象之一，应用于更加广泛的领域。本文所研究的RFID读写器的软硬件系统结构采用了数字与模拟解调相结合模式，主工作频率为13.56MHz，不但实现了RFID读写器的读写功能，而且能够同时支持多种协议的操作。

1.2 RFID国内外发展现状

按照十年一代划分，RFID技术的发展过程如下^[4]：

1941-1950：由于雷达的改良以及运用，萌发了RFID技术，为RFID技术打开了大门，为RFID技术打下了基础。

1951-1960：RFID技术正处于探索阶段，处在实验室研究探索阶段，因此没有进行应用尝试。

1961-1970：RFID技术有了一定的发展，开始投入使用，进行应用尝试。

1971-1980：RFID技术和产品研发正处在一个快速发展阶段，各种各样的射频识别技术测试取得了相当大的进展。并出现了一些最早的射频识别应用，但还是不太成熟。

1981-1990：RFID技术发生了突飞猛进的变化，进入了商业化运用时期，开始大规模的投入应用，各种规模应用逐渐面世，RFID技术得到很大的发展 。

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