摘要：本文設計了能對低頻和高頻RFID 卡進行操作的雙頻RFID 讀寫系統。系統基于ARM微處理器S3C44B0X，利用S3C44B0X 的內部接口實現與RFID 模塊和其它外設的連接，簡化了硬件。軟件設計中，通過對ARM 嵌入式系統的編程實現對RFID 卡的讀寫、顯示以及數據的存儲、查詢等功能。系統還可通過USB 接口與上位機(PC)連接，使用方便靈活。
1 引言
RFID（Radio Frequency Identification Technology，無線射頻識別技術）由于具有高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，顯示出巨大的發展潛力和應用空間，被認為是21 世紀最有發展前途的信息技術之一。射頻識別技術雖然有很多優點，但其技術本身也有局限性。對RFID 系統而言，低頻系統具有良好的對水、肉體等可導媒介的穿透力，而速度、距離、抗沖突性較差；而高頻系統則正好相反。如能結合各種頻率系統，用其所長，則可以使RFID 適應多種場合，拓展其應用范圍。本文設計的系統正是基于這一出發點，將低頻和高頻二種頻率的RFID 模塊組合在一起，構成雙頻系統，使系統兼具低頻可穿透性和高頻良好的距離、速度、抗沖突性等方面的優勢。鑒于目前國內市場上應用最為廣泛的射頻卡和讀寫器實現方法，本文采用ARM 嵌入式系統作為微控制器，設計了能對低頻125KHz 和高頻13.56MHz 的二種頻率RFID 卡操作的讀寫模塊，實現了的雙頻RFID 讀寫系統。
2 系統設計
由于ARM 微處理器具有運行速度快，接口功能豐富，其應用越來越廣泛。本文采用三星公司的S3C44B0X，它是ARM7 系列的低功耗的32 位RISC 處理器，具有ARM7TDMI內核，有豐富的內置部件，包括8K 字節Cache 和內部SRAM，帶自動握手聯絡的2 通道UART，定時器，通用 I/O 口，ADC 和I2C-BUS 控制器等。尤其是它的內置液晶顯示器接口，可直接連接LCD 顯示器，無需專用LCD 顯示器接口芯片，可使成本降低，很適合在本系統中使用。讀寫系統的結構如圖1 所示。
圖1 系統結構框圖
整個系統由ARM 嵌入式系統(包括S3C44B0X,SDRAM 存儲器和FLASH 存儲器)，低頻RFID 卡讀寫模塊，高頻RFID 卡讀寫模塊，USB 接口，LCD 顯示器以及蜂鳴器、狀態指示燈等組成。RFID 模塊是北京華閏得公司開發的具有串行數據通信接口的模塊，低頻讀寫模塊是CR001，為工作于125kHz 的EM4001 卡；高頻模塊是CR013，為工作于13.56MHz的MF 卡。由于RFID 模塊具有TTL 電平的串行通信接口，這樣ARM 微處理器可直接通過片上的二個UART 接口與其連接，不需要電平轉換即可輕松實現與RFID 模塊的通信。嵌入式系統與PC 機的連接則通過USB 接口實現。
因為低頻 RFID 卡一般都是只讀卡，進入讀卡器磁場范圍后，就自動發出信號。ARM微處理器通過不斷檢測端口捕捉信號，一旦讀到卡，就讀取信息，并在LCD 上顯示。對于高頻卡，可根據需要進行讀或寫操作。
LCD 顯示器采用320*240 點陣的STN 型彩色液晶模塊，可直接與S3C44B0X 連接，成本也較低。對LCD 的顯示控制直接使用S3C44B0X 內部的LCD 驅動控制器實現，它能自動產生LCD 驅動控制所需的信號。在這種接口方式下，LCD 顯示緩沖區映射在系統的存儲器空間上，程序只需將像素點內容寫入存儲器對應地址就可以實現對應LCD 屏上像素點顏色的顯示刷新，控制十分方便。
鍵盤和狀態指示燈的操作控制采用 ZLG7290 實現。ZLG7290 是一款功能較強的按鍵處理和7 段數碼管顯示專業芯片，提供了I2C 串行接口和鍵盤中斷信號，可方便地與S3C44B0X連接。
在上位機(PC 機)上，通過設計專門的軟件實現對RFID 卡的讀寫操作，并對RFID 卡進行管理。由于PC 機功能強大，如再配上數據庫系統，可以對大量用戶的數據和信息進行存儲和查詢等處理，滿足多種應用的需要。
3 系統的軟件設計
3.1 RFID 模塊操作
CR001 模塊與S3C44B0X 的串口（UART0）相連，在接收數據前首先要對UART0 進行初始化。根據CR001 的使用規范，設置波特率為9600Baud，數據位為8 位，1 位停止位，無校驗位。為使ARM 對低頻RFID 卡及時作出響應，軟件采用中斷方式接收數據，即當S3C44B0X 的UART0 接收到數據時，產生中斷，在中斷服務程序中接收CR001 模塊的數據。
根據 CR001 射頻讀寫模塊的使用規范，CR001 模塊輸出的數據包有5 個字段，即起始符（STX，02H）、數據（10 個ASCII 字符）、校驗和（2 個ASCII 字符）、LD 和LF（0DH和0AH）、結束符（ETX，03H）。因此在軟件設計中，當收到UART0 的數據時，首先要判斷一個數據包的起始符和結束符，以確定一個數據幀的起止位置，然后再檢驗數據的校驗和是否正確。只有在接收的數據無誤時，再將其中的數據取出、存儲，并在LCD 上顯示。中斷服務軟件的流程如圖2 所示。
圖 2 CR001 模塊的中斷服務程序流程
CR013 射頻讀寫模塊是采用Philips 公司的Mifare 技術設計的微型嵌入式、非接觸式IC卡讀寫模塊，內嵌ISO14443 Type A 協議解釋器，并可直接驅動射頻天線。這是一種以被動方式工作的卡，剛進入天線有效感應區的卡得電進入空閑（IDLE）狀態，它只吸收感應區內的磁場能量，不會首先發出信號。當讀卡設備發出請求信號，符合條件的卡才會響應。因此處理器與模塊之間以一問一答式的半雙工方式進行通信。
對 CR013 模塊的讀寫過程相對較復雜，要執行一系列的操作指令，包括詢卡、請求、防沖突、選卡、裝載密鑰、驗證密碼、讀塊、寫塊，這一系列的操作必須按固定的順序。尋卡時，處理器需要執行請求、防沖突、選卡操作，與CR013 模塊建立起通信關系，在通過裝載密鑰、驗證密碼操作后，才可進行讀卡或寫卡操作。
1、防沖突
防沖突就是從多張卡中選出一張卡來操作，又叫防碰撞、防重疊。如果知道卡的序列號，則可跳過此步，直接執行下一步選卡命令。若不知道卡的序列號，則必須調用防碰撞函數，得到感應區內卡的序列號。若同時有多張卡在感應區內，防碰撞函數能檢測到，并且從中選出一張卡的序列號來。
2、選擇卡片
根據上一步收到的卡號，發出選卡命令。經過這一步后才真正選中了一張要操作的卡，以后的操作都對這張卡進行。
整個尋卡過程包括請求、防沖突、選卡三個步驟。當微處理器發出尋卡命令時，實際上微處理器執行了以上3 個步驟。為防止死鎖，本文設置每步操作的最大次數為3 次，若3次不成功則尋卡失敗。程序流程如圖3 所示。
圖3 CR013 模塊尋卡程序流程
3、密鑰裝載和驗證密碼
微處理器發出讀、寫命令后，在進行讀寫操作前必須先執行密鑰裝載和驗證密碼。驗證密碼又叫認證、證實。模塊將裝載到讀卡芯片FM1702SL 中的密碼與卡中指定扇區的密碼進行認證，如果密碼相同，則認證成功，卡允許進行讀寫操作。
3.2 LCD 顯示軟件設計
LCD 用于顯示用戶操作界面，為此需要在屏幕上繪制圖形，顯示數據和文字。在對LCD 控制器進行操作前，首先要對LCD 控制器的專用寄存器進行初始化，內容包括定義3個LCD 控制寄存器，3 個幀緩沖區地址寄存器和3 個顏色查找表寄存器。
為了在 LCD 上顯示字符和圖形，需要建立繪圖和字符顯示庫函數。繪圖函數包含一些基本的繪圖功能，如畫點、畫線、畫矩形框和區域填充等。其中畫點是最基本的函數，其它函數都可以調用畫點函數實現。
為了在 LCD 上顯示字符，還要建立ASCII 字符和漢字字符的點陣庫和顯示函數。顯示ASCII 字符的原理是在特定的坐標位置畫點，形成人們可以識別的字符圖形。點的坐標根據建立的ASCII 字符點陣庫來確定。ASCII 字符的點陣庫可以根據字符的點陣位置生成點陣數組供調用。漢字的顯示原理與ASCII 字符相同，事先也要建立漢字點陣字庫，這一過程可通過專用的字庫生成軟件實現。另外，為了節省存儲器空間，只需建立本系統要用到的漢字小字庫，而不必生成所有常用字的點陣。
3.3 鍵盤和指示燈的軟件設計
對鍵盤和指示燈的操作控制是由 ZLG7290 實現的，由于S3C44B0X 具有I2C 接口，因此可直接與ZLG7290 連接。編程時首先要對I2C 總線進行初始化，然后打開鍵盤中斷。當鍵盤有鍵被按下時，ZLG7290 的INT 引腳會產生一個低電平的中斷請求信號。在ARM 的中斷程序中通過I2C 總線讀取鍵值，再根據鍵值完成相應功能。
3.4 USB 接口通信
為方便與 PC 機接口，本系統采用應用廣泛的USB 接口與PC 機通信。因S3C44B0X 本身不帶USB 接口，必須要進行擴展。但是，USB 接口協議非常復雜，固件編程和WDM 驅動程序的編寫都是相當麻煩的工作。為降了設計難度，縮短開發周期，本文采用哈爾濱訊通公司的通用串行總線模塊USB100。該模塊內部封裝了USB 協議和細節，即插即用，完全滿足USB1.1 標準，對 USB 接口的操作如同對外部存儲器操作一樣方便，無需任何外接元件。
USB100 模塊有2 根狀態信號RXF 和TXE，用于與ARM 聯絡。RXF 為低表示模塊有數據輸出，ARM 可以讀取數據；TXE 則表示USB100 發送緩沖區的狀態，TXE 為低表示USB100 發送緩沖器未滿，可以向發送緩沖區寫數據。在編程時，可以采用查詢方式實現數據的收發。
3.5 RTC 實時時鐘顯示功能
為了顯示讀卡和寫卡的時間，需要使用實時時鐘（RTC）。S3C44B0X 具有一個獨立的RTC 功能模塊，能夠像鐘表和日歷一樣保存并自動計算時間。RTC 的寄存器保存了表示時間的8 位BCD 碼數據，包括秒、分、時、日、星期、月和年，編程時主要是對這些參數進行初始化設置。在LCD 上顯示實時時鐘時，需定時地從上述的寄存器中取出相應的數據。由于LCD 上字符是根據ASCII 碼顯示的，而RTC 的寄存器中存放的時間參數都以BCD 碼形式存儲，因此在LCD 顯示日期和時間之前，必須先對時間數據進行格式轉換，即將BCD碼轉換為ASCII 碼。
3.6 PC 機軟件
PC 機軟件基于windows 操作系統，采用Visual C# 2005 進行編程。軟件的功能主要包括在PC 機上顯示操作面板，通過與ARM 嵌入式系統通信實現對RFID 卡的讀寫操作，并將卡的相關信息在PC 機上顯示；此外，軟件還能訪問數據庫，將從卡中讀取的數據存入數據庫中，或將數據庫中的取出數據寫入RFID 卡，還能根據用戶的需要查詢相關信息。數據庫采用Microsoft office Access 數據庫系統，并采用結構化查詢語言（SQL）對數據庫訪問。
4 結束語
本文以 ARM 微處理器S3C44B0X 為核心，設計實現了RFID 雙頻讀寫器系統。在對高頻RFID 卡的尋卡過程中，通過對最大操作次數的限制，有效地防止了死鎖。系統具有LCD 顯示器，通過鍵盤操作便可對RFID 卡的進行讀寫。設計的USB 接口可方便地與PC機連接，在PC 機上實現對RFID 卡的操作。系統功能強，使用靈活，可滿足多種應用場合。由于采用了低成本的ARM 微處理器，簡化了硬件，提高了系統的性價比。