傳統(tǒng)的RFID讀寫器多采用有線接入的方式實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心(上位機)的通信，即使部分RFID讀寫器終端實現(xiàn)了無線的數(shù)據(jù)傳輸，但也多是采用短距離的無線通信方式，最終還是要經(jīng)過現(xiàn)場的有線設備實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的通信，無法滿足遠距離、跨區(qū)域、便攜式的RFID讀寫器的應用需求。本文介紹的無線RFID讀寫器的開發(fā)是以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、便攜性、安全性為目標，采用嵌入式系統(tǒng)的設計思想，硬件方面使用功能強大的ARM處理器LPC2148，外擴GPRS無線模塊實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的實時上傳。LPC2148豐富的IO口資源使其能夠外擴更多的外設，保證了終端功能的實現(xiàn)。軟件方面引入實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，進行多任務的調(diào)度，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。
1 GPRS簡介
通用分組無線業(yè)務GPRS(General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種新的承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS充分利用共享無線信道，實現(xiàn)了與標準Internet的無縫連接，采用IP Over PPP實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的高速、遠程接入。無線GPRS網(wǎng)絡所具有的永遠在線、按流量計費、傳輸速率高以及支持X.25和IP協(xié)議等突出特點，特別適合于RFID讀寫器系統(tǒng)這樣間斷、突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸。
2 讀寫器硬件組成
2.1 硬件系統(tǒng)原理
IC卡無線手持機的硬件系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。圖中，LPC2148為終端的主控單元，通過GPIO口與IC卡讀卡芯片MF RC500相連實現(xiàn)對IC卡的讀寫;通過串口1(URRT1)與GPRS模塊MC55相連實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸;系統(tǒng)外擴一塊I2C接口的E2PROM芯片24C256，用于存儲終端設置參數(shù)以及暫存IC卡用戶在本機的交易信息;通過LPC2148自帶的USB接口實現(xiàn)上位機對讀寫器相關參數(shù)的設置以及交易信息的離線上傳。
2.2 讀寫器的微處理器
手持機終端系統(tǒng)的核心部分是由LPC2148及其外圍電路構成的最小系統(tǒng)電路。LPC2148是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16 bit ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并帶有32 KB和512 KB嵌入的高速Flash存儲器。較小的封裝和很低的功耗使得LPC2148特別適用于POS機等小型的應用場合。LPC2148提供多達45個高速GPIO口以及USB2.0全速設備控制器，使其成為本系統(tǒng)設計的理想選擇。
2.3 讀寫器的IC卡讀寫模塊
IC卡讀寫模塊選用Philips公司Mifare卡專用讀卡芯片MF RC500及其相關的外圍電路、射頻天線等，實現(xiàn)手持機與IC卡之間的數(shù)據(jù)通信。MF RC500是應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列之一，利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念，在13.56 MHz下，完全集成了所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，并支持ISO14443A所有的層。
2.4 匹配電路及天線的設計[1]
MF RC500是一個單獨的讀卡器集成電路，在本系統(tǒng)中，MF RC500與Mifare卡之間的數(shù)據(jù)交互是通過RF天線來完成的。參照MF RC500數(shù)據(jù)手冊，采用直接匹配的天線，即可實現(xiàn)該讀寫器與Mifare卡之間的數(shù)據(jù)通信和能量傳遞，其推薦的工作距離可達100 mm。直接匹配天線的匹配電路如圖2所示，主要包括：
(1)EMC濾波：Mifare系統(tǒng)的工作頻率為13.56 MHz，由石英振蕩器發(fā)生，但它同時也產(chǎn)生高次諧波。為了符合國際EMC規(guī)定，13.56 MHz中的3次、5次和高次諧波要被良好地抑制。本系統(tǒng)使用如圖2所示的L1、L2、C11、C13組成的低通濾波器來實現(xiàn)EMC濾波。
(2)接收電路：MF RC500的內(nèi)部接收部分使用了一個新的接收概念，即使用卡響應的副載波負載調(diào)制所產(chǎn)生的兩個邊頻帶，由圖2中的R9、R10、C9、C10組成接收電路。
(3)阻抗匹配：在圖2中由電容C11和C13組成，電容的值由天線本身和環(huán)境因素來決定，本系統(tǒng)C11、C13均取47 pF。該部分電路主要是為了實現(xiàn)濾波和天線之間的阻抗匹配，以使天線的性能達到最佳。
2.5 讀寫器無線傳輸模塊
系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸通過內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊來實現(xiàn)。目前市場上提供的GPRS無線模塊有WAVECOM公司的Q2403B，SIEMENS公司的MC35i、MC39I，摩托羅拉公司的G20等。結合本系統(tǒng)的實際應用，選用了SIEMENS的Sim300。Sim300是新一代的900 MHz/1 800 MHz雙頻自動選擇的無線模塊，內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧，無需微處理器的支持即可實現(xiàn)基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸。其支持標準的AT命令及增強的AT命令監(jiān)護數(shù)據(jù)模式，功能強大，操作靈活方便。微處理器可以通過標準串口接口RS232與Sim300通信，為用戶提供了標準的AT命令接口，為數(shù)據(jù)傳輸提供了快速、可靠、安全的傳輸通道，用戶可以很方便地進行實際應用的二次開發(fā)設計。
2.6 讀寫器人機交互的實現(xiàn)
手持終端人機交互通過外擴的一塊I2C接口的數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤掃描管理芯片ZLG7290，配以8 bit共陰數(shù)碼管和16個按鍵實現(xiàn)。ZLG7290是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司研發(fā)的數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤掃描管理芯片，具有I2C總線串行接口，能夠提供鍵盤中斷、驅(qū)動8 bit共陰數(shù)碼管和64個按鍵掃描等功能，并且支持10種數(shù)字和21種字母的譯碼顯示功能。
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