基于RFID的手持式安全巡检终端硬件设计.docx
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基于RFID的手持式安全巡检终端硬件设计.docx
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基于RFID的手持式安全巡检终端硬件设计
摘要
无线射频识别技术是从二十世纪末迅速崛起的一项通过无线射频信号进行非接触式双向数据通信的自动识别技术。
它是利用射频信号收发的空间耦合原理和无线传输的特性,自动识别静止或移动的目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术。
因其识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境,且不局限于视线,识别距离远,传输速率快,同时具有难以伪造和智能性较高等优点而得到社会各领域的广泛使用。
随着科技的不断进步,无线射频识别技术得到了极快的发展,产品种类日益丰富,应用也越来越广泛,已涉及到人们日常生活的各个方面。
而手持终端也应运而生,它让人们不再局限于固定的地点,可以随时随地的进行数据的记录和传输。
而随着该领域科技的不断发展,手持终端不再像以前一样因为电路的繁多而显得庞大。
如今手持终端的大部分电路都可以集成在一块小小的芯片当中,使得手持终端变得小型化携带方便,并且功能还更加的多样。
论文在查阅了大量文献及网络资料的基础上,详细的分析了RFID手持终端的工作原理。
经过详细的比对与挑选,最终确定了硬件芯片的挑选。
并且给出了整个硬件系统的结构图框图,然后根据结构图设计并完善如RFID模块的收发电路,主控芯片的显示电键盘电路、通信接口等外围电路。
关键词:
超高频射频识别技术;手持终端;单片机;射频芯片
Abstract
RadiofrequencyidentificationtechnologyisfromtheendoftwentiethCenturytherapidriseofaradiofrequencysignalthroughthenon-contactautomaticidentificationtechnologybidirectionaldatacommunication.Itischaracteristicofspatialcouplingprincipleandwirelesstransmissionbyradiofrequencysignalreceivingandtransmitting,automaticrecognitionofstationaryormovingtargetsandobtainrelevantinformationanddatawirelesscommunicationtechnology.
Identifytheworkwithouthumanintervention,itcanworkinvariousenvironments,thesystemisnotlimitedtoline-of-sight,longidentificationdistance,fastertransmissionrate,atthesametimeisdifficulttoforgeandintelligenceoftheadvantagesofwidelyusedinallareasofsociety.
Withtheprogressofscienceandtechnology,radiofrequencyidentificationtechnologyhasbeenrapiddevelopment,producttypesisbecomingricher,andmoreextensiveapplication,hasbeeninvolvedinallaspectsofdailylife.Whilethehandheldterminalalsoemergeasthetimesrequire,itmakespeoplenolongerlimitedtofixedlocations,canwheneverandwhereverpossiblethedatarecordingandtransmission.
Alongwiththedevelopmentofthefieldofscienceandtechnology,thehandheldterminalisnolongerthesameasbeforebecausethecircuitmanyandlookbig.
Basedonlotsofliteraturesandnetwork,adetailedanalysisoftheworkingprincipleoftheRFIDhandheldterminal.Afterdetailedcomparisonandselection,andultimatelydeterminethehardwarechipselect.Andthewholehardwaresystemstructureframechartisgiven,thenaccordingtothestructuredesignandperfectasthetransceivercircuitofRFIDmodule,displayelectrickeyboardcircuit,communicationinterfacecircuitofthemaincontrolchip.
KeyWord:
UHFRFID;HandheldTerminal;ARM;Radiofrequencychip
摘要
Abstract
第一章绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2国内外研究现状1
1.3RFID的应用和发展2
1.3.1RFID的应用领域2
1.3.2RFID的发展趋势3
1.4研究的主要内容4
第二章系统总体设计5
2.1系统结构5
2.2硬件的结构5
2.3主控模块硬件选型6
2.3.1LPC1765微控制器简介6
2.3.2LPC1765的引脚信号8
2.4RFID模块的硬件选型10
2.4.1基带芯片AT91SAM7S256简介10
2.4.2AT91SAM7S256引脚信号12
2.4.3INDYR500射频芯片简介14
2.4.4INDYR500引脚信号14
第三章主控模块电路设计17
3.1电源电路17
3.2复位和调试电路17
3.3时钟电路18
3.4串行通信接口电路19
3.5键盘电路21
3.6显示电路21
第四章RFID射频模块电路设计22
4.1RFID原理22
4.2RFID电路设计22
4.2.1射频前端电路23
4.2.2数字基带电路23
第五章总结与展望24
5.1总结24
5.2展望24
参考文献25
致谢27
第一章绪论
1.1课题背景及意义
随着社会经济和科学技术的迅速发展,很多新兴的技术开始应用到我们的生活中,RFID就是其中之一。
RFID是从二十世纪末迅速崛起的一项通过无线射频信号进行非接触式双向数据通信的自动识别技术。
它利用射频信号收发的空间耦合原理和无线传输特性自动识别静止或移动的目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术[1,2]。
RFID技术识别工作无须人工干预,不局限于视线,穿透性强在标签被覆盖的情况下,RFID也能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明材质进行数据传输,识别距离远,传输速率快,标签形状丰富多样可以根据不同的需求定制不同的标签,而且存储容量大可以进行全程的管理和跟踪,在复杂恶劣的环境也可以很好的进行工作。
同时具有难以伪造和智能性较高等优点而得到社会各领域的广泛使用[3]。
而在未来信息的保密程度将会更高,安全性大大增强。
在RFID技术日益发展的今天,RFID的各项技术都在飞速发展。
手持终端的变化也是日新月异,体积更小、操作更加简单、使用时间更长、阅读更快速、阅读距离更远、存储的信息更多在多种环境下都可以实用。
总之在未来手持终端将会拥有更加强大的功能。
随着RFID技术的成熟和普及,各国都意识到RFID技术对未来的影响和蕴涵的巨大商机,制定相关政策或投入物力,积极推动本国RFID产业发展。
RFID技术作为一项先进的自动识别和数据采集技术,被公认为21世纪十大重要技术之一,已经成功应用到生产制造、物流管理、公共安全等各个领域[4]。
1.2国内外研究现状
从全球的范围来看,美国政府是RFID应用的积极推动者,在其推动下美国在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。
目前,国际上的RFID标准实际上包括三大阵营,即ISO系列、EPC系列、还有日本的UID系列。
EPC标准在案例方面和企业支持力度方面具有一定的领先优势。
ISO标准则秉持标准的基本理念,少了一些商业利益,更侧重标准的中立性。
而对于UID标准,通过汇集来自各方面的信息,似乎正在逐步迈向滑铁卢,而参照ISO18000系列的中国RFID标准取将更被看好[5,6]。
从全球产业格局来看,目前RFID产业主要集中在RFID技术应用比较成熟的欧美市场。
飞利浦、西门子、ST、TI等半导体厂商基本垄断了RFID芯片市场;IBM、HP、微软、SAP、Sybase、Sun等国际巨头抢占了RFID中间件、系统集成研究的有利位置;Alien、Intermec、Symbol、Transcore、Matrics、Impinj等公司则提供RFID标签、天线、读写器等产品及设备[7]。
在UHF频段,Intel于2007年推出的UHF频段RFID读写器单芯片解决方案R1000,简化了UHF频段RFID读写器的开发流程,缩短了开发时间。
现在ADI、WJ和Linear等国际知名半导体器件厂商,都推出了UHF频段RFID读写器的解决方案,推动了UHF频段RFID读写器市场的迅速发展[8]。
与欧美等发达国家相比,我国的RFID产业上还较为落后。
虽然我国RFID企业总数超过了100家,但是在UHF频段上却缺乏关键的核心技术。
从包括芯片、读写器在内的各种硬件产品来看,由于低高频RFID的技术门槛比较低,所以国内技术较为成熟,且产品应用广泛;但是超高频RFID的技术门槛比较高,国内发展比较晚,技术开发有所欠缺,从事超高频RFID产品生产的企业很少,更缺少拥有自主知识产权的创新型企业。
但是自2006年6月9日以来,国家相继颁布了《中国射频识别技术政策白皮书》、《800/900MHz频段试运行规定》等相关政策规定,表明我们国家已经开始RFID的技术研发和标准制定,中国的RFID产业进入了加速发展的轨道。
RFID已经进入各行各业[9]。
1.3RFID的应用和发展
1.3.1RFID的应用领域
随着RFID技术的应用的日渐发展和成熟,它业被广泛地应用于各个领域。
如物流、工业生产线、公路和铁路交通、邮政、货运、饲养业等。
典型的应用领域包括[10,11]:
(1)铁路车号自动识别系统(ATIS)
车号自动识别系统是采用射频技术配合计算机处理技术,能够正确地识别正在运行中的机车或车辆的标识信息,并提供给铁路调度指挥管理、铁路运输管理信息、车辆管理信息等系统,从而实现对车辆的实时追踪和管理。
(2)公路不停车收费系统(ETC)
ETC系统是通过收费系统的各种硬件和软件,对车辆信息进行辨别,从而进行正确的收费。
(3)仓库管理系统
对于一个大型的仓库来说,大量的信息靠人工手动记录不仅麻烦而且也容易出错。
而RFID技术可以有效的解决这些问题,它可以实时地记录产品的信息、位置以及库存的情况,对提高仓储效率或指导生产有重要意义。
(4)动物识别
在饲养业上射频技术也可以进行广泛应用。
用耳环式应答器、项圈式应答器等方式,用便携式读写器来标识动物、跟踪动物从而记录信息。
(5)RFID卡
在无纸币交易越来越流行的当下,接触式Ic卡的使用就显得不方便,应用RFID技术的金融卡适用性广,且可以加密,方便、安全、可靠。
目前RFID卡主要用与作付款(公共交通卡、食堂就餐卡)和认证(工作卡、医疗保险卡、通行证)。
1.3.2RFID的发展趋势
RFID射频识别技术已经逐步发展成为独立跨学科的专业领域。
RFID射频识别技术将大量的来自完全不同的专业领域的技术综合起来。
过去的十多年,RFID射频识别技术得到了快速发展,逐步被广泛应用于商业自动化、工业自动化、交通运输控制管理等众多领域。
而随着技术进步,RFID射频识别技术产品的种类将越来越丰富,可预计,在今后的几年中,RFID射频识别技术将持续保持高速发展的势头[12]。
总体而言,RFID射频识别技术当前发展趋势将是标准化、低成本、低功耗、安全性高、差错率低。
具体表现在,RFID射频识别技术的电子标签产品性能达到:
芯片所需的功耗更低,标签技术更加成熟;无线可读写性能更加完善;作用距离更远;适合高速移动物品的识别;能进行快速多标签读或写功能;智能性更强;成本更低。
读写器性能将达到:
多功能;多制式兼容;智能多天线端口;多种数据接口;便携式、小型化和、嵌入式及模块化;多频段可以兼容;成本更低。
管理系统将达到:
超高频远距离系统性能更完备,系统更完善;高频近距离系统具有更高智能和安全特性。
标准化将达到:
标准化研究更深入,也更成熟;标准化为更多企业所接受。
系统及模块将达到:
可替换性更好,普及度更高。
1.4研究的主要内容
RFID是物联网的关键技术之一,近年来超高频RFID技术的发展获得了很多企业的关注,商业化的应用案例越来越多,如在物流、资产管理、门襟等场合都不乏成功的案例。
超高频RFID读取距离能远能近,无源标签,成本低,这些特点,非常适合应用于安全巡检。
第1章:
对超高频RFID手持终端的课题背景意义、国内外研究现状及应用发展做了介绍。
第2章:
分析手持终端硬件的整体结构,并完成主控模块和RFID模块的硬件选型。
第3章:
对主控模块进行了设计,并完成主控模块整体电路的设计。
第4章:
对RFID模块进行了设计,并完成了RFID模块整体电路的设计。
第5章:
对课题的总结,以及在课题中完成的事情,和课题在未来的可发展方向。
第二章系统总体设计
2.1系统结构
一个典型的RFID系统由以下3部分组成:
(1)手持终端
手持终端的主要功能是对标签进行数据的读出和写入,主要包括射频信号的发送、接收和处理。
手持终端通常还需要和上位机进行数据的传输,所以通常还包括与上位机通信所需的外围接口如:
(RS232、USB)等,以便与上位机进行通信并完成进一步的操作[13]。
(2)电子标签
电子标签是一个附着在产品上的微型无线收发装置。
在电子标签内保存有一定的数据,当读卡器查询时电标签发送数据给读卡器,在电子标签内存有关于存储对象的唯一性的识别内容[14]。
(3)天线
天线是手持重盾和标签之间的数据通信通道,负责无线信号的发射和接收,天线的设计和位置,对于RFID系统的覆盖范围起着至关重要的作用[15]。
手持终端的不同工作频率决定了天线尺寸,进而影响了读卡器的作用范围。
2.2硬件的结构
硬件系统的整体如上图所示由RFID模块和主控模块两部分组成。
在RFID模块中选用Impinj公司所生产的INDYR500芯片作为射频模块的核心芯片。
接收时射频模块的主要功能是接收电子标签的射频信号,完成对信号的解调,将解调后的信号发送给处理单元AT91SAM7S256;发送时射频模块的主要功能是接收处理单元的信号并进行调制,通过天线发送实现与电子标签的通信。
而在RFID模块中选用ATMEL公司的AT91SAM7S256芯片作为RFID模块的处理芯片,对数据进行处理,接收和发送。
在主控模块中选用NXP公司的LPC1765作为核心芯片,通过串行接口和RFID模块中的AT91SAM7S256芯片进行数据交换。
并通过LPC1765芯片外围电路的设计实现人机交互。
硬件的结构如图2-1所示。
图2-1硬件结构框图
通信接口的作用是实现手持终端与PC机的通信[16]。
LPC1765集成了USB和USART串行通信接口,可以通过USB实现高速传输,通过RS232实现低速传输。
2.3主控模块硬件选型
2.3.1LPC1765微控制器的简介
主控模块的主要作用是联系PC机和RFID模块,并进行人机交互。
本次设计采用的是NXP公司生产的LPC1765芯片,该芯片属于LPC1700系列中的一款。
LPC1765微控制器主要用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。
操作频率可达100MHz,具有3级流水线和哈佛结构,带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线,还包含一个支持随机跳转的内部预取指单元。
图2-2为LPC1765的功能模块连接图。
图2-2LPC1765的简化框图
LPC1765微控制器的外设组件包含256KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、8通道的12位ADC、10位DAC、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、USB主机/从机/OTG接口、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、6-输出的通用PWM、2-输入和2-输出的I2S接口、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚[17]。
2.3.2LPC1765的引脚信号
LQFP100封装的LPC1765引脚分布如下图2-3所示。
图2-3LPC1765
(1)电源和地
VSS:
地0V参考点
VDD:
3.3V
电源:
I/O口的电源电压
VSSA模拟地:
0V参考点标称电压与VSS相同,但应当互相隔离以减少噪声和故障
VREG3.3V调节器电源:
这是仅用于片内电压调节器的电源
VDDA:
模拟3.3V引脚电源:
标称电压与VDD(3V3)相同,但应当互相隔离以减少噪声和故障。
该电压也用来向ADC和DAC供电
VREFP:
ADC正极参考电源:
标称电压与VDDA相同,但应当互相隔离以减少噪声和故障。
该引脚上的电平用作ADC和DAC的参考电平
VREFN:
ADC负极参考电源:
标称电压与VSS相同,但应当互相隔离以减少噪声和故障。
该引脚上的电平用作ADC和DAC的参考电平
VBAT:
RTC引脚电源:
RTC外设的3.3V电源端
(2)复位和时钟信号
RSTOUT:
这是3.3V的引脚该引脚上的低电平表示LPC1765处于复位状态
RESET:
外部复位输入:
该引脚为低电平时将器件复位,并使I/O口和外设恢复默认状态,处理器从地址0开始执行。
该引脚为5V容差引脚,带20ns干扰过滤,滞后TTL电平
XTAL1:
振荡器电路和内部时钟发生器电路的输入
XTAL1:
振荡器放大器的输出RTCX1:
RTC振荡器电路的输入
RTCX2:
RTC振荡器电路的输出
(3)通信接口
TXD:
UART的发送器输出RXD:
UART的接收器输入
CTS:
UART的清零发送输入DCD:
UART的数据载波检测输入
DSR:
UART的数据设置就绪输入DTR:
UART1的数据终端就绪输出
RI:
UART1的铃声指示输入RTS:
UART1的请求发送输出
USB_D+:
USB双向D+线USB_D−:
USB双向D−线
(4)扩展接口
MISO:
SPI主输入从输出MOSI:
SPI主输出从输入
SSEL:
SPI的从机选择SCK:
SPI串行时钟
(5)调试单元
TDO:
JTAG接口的测试数据输出TDI:
JTAG接口的测试数据输入
TMS:
JTAG接口的测试模式选择TRST:
JTAG接口的测试复位
TCK:
JTAG接口的测试时钟TCK:
JTAG接口的控制信号
(6)中断和通用I/O口
EINT:
外部中断P:
功能可配置的并行输入/输出端口
2.4RFID模块的硬件选型
2.4.1基带芯片AT91SAM7S256的简介
AT91SAM7S256微处理器是一款基于ARMv4T冯诺伊曼结构的的32位RSIC处理器,运行速度可达55MHz,0.9MIPS/MHz的性能。
AT91SAM7S256的ARM7TDMI核工作电压1.8V,I/0口工作电压3.0-3.6V,片内FLASH工作电压3.0-3.6V,LQFP64/QFN64封装,片内FLASH在最坏条件下可以30MHz的速度进行单时钟周期访问,片内SRAM可以在最高时钟速度下进行单时钟周期访问操作[18]。
各功能模块和ARM7TDMI核的连接关系如图2-4所示,AT91SAM7S256片上主要功能模块简介如下:
(1)PWM控制器
有4个通道,每每个通道都有一个16位的计数器;并且可以提供13个不同的时钟;各个通道相互编程独立。
(2)存储管理
只支持小端模式;AT91SAM7S256集成了256KB的FLASH,在最坏条件下单时钟的周期访问可以达到30MHz,有16个锁定位,每个保护一个扇区,可以进入保护模式确保Flash中内容的安全;集成了64KB的SRAM,全速工作时仍然可以单时钟进行访问。
(3)串行外围接口
支持与其它串行外部设被之间的通信,有4个片,最多可以和15个外设进行通信。
(4)定时器/控制器
3个16位的定时器/计数器通道;可完成频率测试、脉冲产生等功能;具有可以让用户自行配置的3个外部时钟输入、5个内部时钟输入和2个通用输入/输出信号。
(5)AD转换器
8通道ADC,每通道可单独使能或禁止;最高转换速率100ksps,使能通道转换结束后将会进入休眠模式,以降低功耗。
(6)USB接口
兼容USB2.0标准,传输速率为12Mbits/s。
(7)USART
5到9位的全双工同步或异步串行接口;波特率发生器可独立编程;支持485通信;支持IrDA1.1的红外传输标准;支持1S07816规范定义的T=0和T=1协议,可与智能卡连接。
(8)实时时钟
基于1个32bits的计数器,记录经过的时间;时钟运行于32768Hz;计时时钟唤醒CPU的中断;基于一个给定值的数值触发中断。
图2-4AT91SAM7S256功能模块连接图
(9)电源管理控制器
电源控制器使用时钟发生器的输出提供,处理器时钟会在处理器进入空闲模式时关闭,从而降低能耗。
(10)时钟发生器
一个主振荡器、一个PLL组成时钟发生器和一个RC振荡器。
(11)先进的中断控制器
控制ARM处理器的中断线,8个优先级中断源,允许重新制定任何一个中断源为快速中断,可以屏蔽和向量化其中一个中断源。
(12)并行输入/输出控带(PIO)
AT91SAM7S256有两个PIO控制器,每个都可以控制31个I/O口,每个I/O口都能够实现两个外设功能,可以通过设置/清楚寄存器达到完全的可编程控制。
并且每个I/O口都支持开漏输出、同步输出或者设置为可编程上拉电阻。
(13)看门狗
有12位可编程计数器,向系统提供中断或复位信号,当处理器处于空闲摸式式或调试状态时,可以被停止。
2.4.2AT91SAM7S256的引脚信号
LQFP64封装的ATSAM7S256引脚[19]分布如图2-5所示:
图2-5AT91SAM7S256引脚分布图
(1)电源和地
VDDIN:
电压调节器电源,接3.3VVDDCORE:
内核电源,接1.8V
VVD
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