發表於 2018-04-08 09:14:41
射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，目前已廣泛應用於物流、製造、公共信息服務等行業；而嵌入式系統的網絡化也已成為當今後PC時代的重要特徵。因此，RFID技術與嵌入式乙太網技術的結合已經成為學術研究的熱點之一。
根據國內RFID應用現狀和市場需求，本設計通過讀取二代身份證中射頻晶片的全球唯一序列號UID，使用二代身份證代替傳統只讀電子標籤，節省了制卡費用。
1、系統設計構思具有乙太網通信功能的讀寫器結構如圖1所示。
圖1具有乙太網通信功能的讀寫器結構
RFID系統由讀寫器和計算機管理系統組成。其中，讀寫器具有核心作用，也是本課題研究的重點，它通過射頻方式獲得二代身份證的UID信息，並經乙太網傳送給計算機管理系統，對整個RFID系統的穩定性和安全性起決定作用；計算機管理系統接收讀寫器傳送的UID信息，針對不同應用做出相應的處理和控制。
2、系統硬體設計根據系統功能需求，將讀寫器硬體系統分為兩部分：讀寫模塊硬體中間件和具有乙太網通信功能的主控系統。這樣設計不僅可以方便地將兩部分獨立制板調試，還可以減少這兩部分之間的信號幹擾，並提高硬體模塊的復用性。
2.1、讀寫模塊硬體中間件
參考中間件的通用定義，結合嵌入式系統特點，設計了本讀寫模塊硬體中間件結構，如圖2所示。向下屏蔽了電子標籤、射頻基站晶片等硬體環境的差異，向上為RFID應用層提供標準的軟、硬體接口。應用層的開發基於該接口進行，無需考慮RFID的實現細節，且不管底層的硬體怎樣更新換代，只需將中間件升級更新，並保持該中間件的對外接口定義不變，應用軟體幾乎不需做任何修改，從而提供了一個相對穩定的高層應用環境。
圖2讀寫模塊硬體中間件結構
（1）微控制器與射頻基站晶片的連接
系統選用MFRC531作為射頻基站晶片。該晶片是NXP公司生產的應用於13.56MHz非接觸式通信的高集成IC讀寫晶片系列中的一員。選用Freescale公司低價位、高性能的MC68HC908JB8（簡稱JB8）作為模塊微控制器，它通過SPI通信方式與射頻基站晶片MFRC531連接，控制其完成讀取電子標籤UID信息的工作。MFRC531支持SPI通信方式，在通信期間作為從機。控制晶片JB8內部並沒有集成SPI模塊，其通信功能由I/O口軟體模擬完成。
（2）天線設計
RFID系統中，射頻基站晶片（如MFRC531）通過天線發射能量，並與電子標籤進行數據通信。天線的設計對通信的穩定性非常重要，本設計採用直接匹配天線法，電路設計如圖3所示。
圖3射頻天線電路原理
2.2、主控系統硬體設計
主控系統與讀寫模塊通過SPI接口連接，獲取該模塊控制晶片內存中存儲的電子標籤信息，然後通過乙太網通信接口將信息傳送給計算機管理系統處理。系統採用Freescale公司16位MCUMC9S12NE64為主控晶片，其內部集成EMAC（EthernetMediaAccessController，乙太網媒體訪問控制器）和EPHY（EthernetPhysicalTransceiver，乙太網物理層收發器），可配合第三方TCP/IP協議棧實現乙太網的通信功能，從而實現單晶片的乙太網連接方案。
3、系統軟體設計系統的軟體設計主要包括讀寫模塊的軟體設計及嵌入式乙太網的軟體設計兩部分。讀寫模塊主要實現對TYPEA&B電子標籤的UID識別；嵌入式乙太網部分實現乙太網的通信。
3.1、讀寫模塊軟體設計
讀寫模塊被設計成硬體中間件，為應用系統和電子標籤提供數據交互的接口。模塊微控制器MC68HC908JB8的主函數流程如圖4所示。
系統上電後首先執行MCU以及相關模塊的初始化操作，然後進入主循環。如圖4所示，主循環中不斷地切換讀卡模式，以滿足讀取TYPEA&B兩種電子標籤UID的需求。一旦讀取成功，將UID賦給全局字節型數組變量Card_inform［］。Card_inform［0］存放電子標籤的類型，即「A」或「B」的ASCII碼，其後依次存放該類型的UID。主控系統可以通過讀寫模塊硬體中間件的SPI通信接口獲取Card_inform［］中的內容，獲取完畢後JB8將Card_inform［］數組清零。對RC531的復位和寄存器初始化操作原本放置在主循環之前，即每次JB8復位後只執行一次。但是在實際測試過程中，當RC531長時間運行後會出現不穩定的情況，因此將這兩步操作放在主循環中，以提高系統的魯棒性。
圖4讀寫模塊主函數流程
3.2、嵌入式乙太網模塊軟體設計
MC9S12NE64內部集成的EMAC和EPHY模塊可以實現數據鏈路層的功能。為實現乙太網的通信，設計了一個無需作業系統的精簡嵌入式TCP/IP協議棧，實現了MC9S12NE64的乙太網接入功能。移植協議棧時，只要對驅動實現部分進行修改，保持調用接口不變，上層協議就可以不作改動。整個協議棧以循環方式運行，MC9S12NE64以中斷方式接收以太幀，協議棧對接收到的以太幀自底向上進行過濾，並作相應處理。各層設計如下：
①鏈路層——MC9S12NE64乙太網驅動，ARP協議；
②網絡層——IP協議，ICMP回顯應答服務；
③傳輸層——UDP協議。
3.3、TYPEA&B電子標籤的UID識別測試
圖5給出了識別TYPEA&B兩種電子標籤UID的測試結果。
圖5TYPEA&B電子標籤的UID識別測試結果
PC機主動發送包含通信命令的UDP數據報給讀寫器。讀寫器接收到該數據報後，將獲取的最新UID信息通過UDP協議返回給PC主機。測試的各項具體參數如表1所列。
表1UID識別測試參數
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