低功耗便携式RFID阅读器的软硬件设计与实现
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
RFID技术产生于20世纪40年代，雷达技术产生，催生了 RFID技术的理论思想。1948年，由Harry Stockinan发表的“利用反射功率通信” 一文，奠定了 RFID技术的理论基础。20世纪50年代是RFID技术的探索阶段。远距离信号转发器的发明，使远距离识别系统的范围进一步增大。但由于相关技术和理论并不完善，RFID技术主要在实验室中进行。20世纪60年代，RFID技术幵始越来越受到人们的关注，在日常生活中也出现了一些简单的RFID应用。如早期的1位电子标签RFID系统，电子标签不需要电池，简单地附在物品上，一旦靠近识别装置读写器就会报警。20世纪70年代是RFID应用技术的发展期。随着技术理论的不断进步，RFID技术己被应用到了交通运输、安全和医疗等相关领域，尤其是集成电路技术的发展，基于集成电路芯片的RFID系统被幵发出来，RFID技术的成本大大降低了，产品研发处于了一个大发展的时期。20世纪80年代是RFID技术应用的成熟期，商业化的需求让RFID技术出现了各种大规模的应用，其中以道路电子收费系统应用技术最为广泛。同时，RFID的访问控制体系越来越完善。20世纪90年代是RFID的快速发展时期，美国高速公路全面使用RFID技术实现了不停车收费，在城市系统中，也出现了 RFID的身影，公交系统幵始使用非接触式IC卡进行刷卡乘车，校园和公司出现了非接触式IC卡刷卡消费。随着RFID应用的扩大，为了使各个领域的RFID系统和设备相兼容，人们意识到应该建立一套完整的RFID国际标准协议。多国及组织开始制定一系列相关标准，这大大促进了RFID技术的快速发展。非接触式IC卡这几年在我国发展的十分迅速，产品种类繁多，应用广泛，中国的大中型城市在市政一卡通、电子不停车收费、零售业中都广泛应用了射频识别技术非接触式IC卡读卡器种类也比较多，产品大部分使用的是51、PIC或AVR系列的MCU,这些类型的单片机性能稳定产品种类多易于开发，是很好的选择。但在无电源供应或不便于用电源供应的场合，需要利用电池供电，而且由于产品体积的限制，很多是用纽扣电池供电，在这种场合就需要系统功耗尽可能的低，MCU的选择应该具有低功耗的特性并且应该支持休眠模式。
二、研究目的和意义
RFID技术己经拥有较长的应用历史，早在伊拉克战争中RFID技术就得到了充分的使用和检验，使得战略物资得到了准确配置。如今，随着电子信息技术的高速发展，RFID技术在各行各业都有了丰富的应用实例，RFID技术不仅仅局限金融领域，在未来还会在智能家电、交通、旅游、医疗等各行各业中普及开来，并且随着与人们的生活贴的越来越近，更丰富的应用会被开发出来，甚至取代一些传统行业。RFID所具备的便捷性、轻巧性、穿透性、高存储能力等特性让这项技术无论在传统行业还是在新兴行业都有着广阔的市场与应用领域。想象一个场景，在未来你行走在一个陌生城市的大街小巷，你走过一栋栋有特色的建筑物，经过一座座别致的小房子，你特别想了解有关这个城市的一切，你拿起阅读器对着贴在建筑物上的RFID标签一扫，有关建筑物的一切就显示在你的终端设备上，使你对这所城市有了更深刻的印象。再比如你来到了历史悠久的龙门石窟旅游景点对着一个个样貌近似的佛像从头看到了尾，也许出了门你就忘记了大部分的佛像是长什么样了，也许你有兴趣了解这些佛像但毕竟景区的导游有限而且一堆一堆的人围在导游面前也许未必能够听清楚什么。如果在进入景区之前每一个人都发配一个射频阅读器，并在每个佛像的旁边贴上RFID标签，如果游客对哪个佛像感兴趣就对准射频标签一扫，所有有关这个佛像的信息就会展示给游客。再比如花博会、园博会越来越吸引普通老百姓的关注，随着生活水平的提高，越来越多的人去参观这类会展。但对于大部分人来说对于各类展品的信息知之甚少，但又由于展园或展厅的空间限制无法对每个展品都有很详细的一一说明，就算可以，采用了电子显示屏的方法展示展品的信息，数个甚至十几个人同时去看一块电子屏上的信息未免不方便，而且每个人的阅读习惯不同不能达到很好的效果。如果对每一个进入展区的游人发放小型可携带式的阅读器那么就可以很好地普及本次展会的信息了。像这样的应用还有很多，像博物馆，大型图书馆，大型会展都可以用到这种技术。未来的世界是一个非接触式的世界，随着我国物联网的大力发展，相信在不久的将来，物联网就会融入我们的生活，我们将通过信息化来感知和掌握这个世界。作为物联网最基础的一环，射频识别也将会有很大的发展，进入我们的生活。本课题的研究就是要设计出一款超低功耗便携式的射频读卡器，通过它来对目标物体进行射频识别，采集数据，然后通过一定方式告知用户。相信不久的将来射频技术将会取代条形码、二维码等识别技术成为人们的日常所需。本产品甚至可以嵌入到手机等移动终端，采集数据后通过手机系统显示出来，使人们的日常生活更加便捷丰富。
三、本文研究涉及的主要理论
RFID的通信都为数字通信，一般的RFID通信距离都在lOm以内，按照阅读器和标签的通信距离远近可以对RFID通信进行分类，对于超过几米的远距离通信就要使用微带天线进行电磁波的发射，把电磁波传输到标签，而对于近距离的通信就使用电磁耦合的形式即可。阅读器和标签通信的实质就是根据电磁场的强弱变化来进行信息的传递，根据标签和阅读器的能量传输方式可以将它们的通信方式具体分为电感稱合、电磁反向散射耦合、紧耦合和电耦合等。(1)紧稱合：紧耦合的通信距离是O.lcm-lcm,阅读器和电子标签进行通信必须紧贴在—起，阅读器和标签的通信原理类似于一个变压器。由于阅读器和标签紧贴在一起，它们之间的通信磁场会较大，较不宜被外界造成通信干扰，但缺点是在通信时必须紧贴在一起，无法逾越障碍物，在使用起来不是很方便，所以这类的RFID技术已经很少在使用了。(2)电磁反向散射親合：采用反向散射親合的RFID系统一般的通信距离为Im以上，一般可以达到10m[i4]。通信的原理类似于雷达，天线一般使用定向天线，如贴片天线，通过天线将电磁波发射出去，电磁波碰到标签后反射，同时将标签信息带回。反向散射親合的工作频率一般较高，典型的有900MHz，2.4GHz和5.8GHz等。(3)电感親合：本文讨论的标签为NXP公司生产的Mifare逻辑加密卡，它是一种无源应答器，由阅读器提供全部能量，和阅读器的通信方式是电感稱合方式，有效通信距离是1-lOcm,工作频率为13.56MHz。
我们生活中接触到的RFID系统基本上都是13.56MHz的系统，使用电感稱合的通信方式。它的通信距离一般为5cm左右，这个距离既能够很好的感应卡片又可以防止远距离卡片的误感应。感应的原理和紧稱合比较类似，阅读器和标签的线圈也类似于变压器的初级线圈和次级线圈，通过阅读器发射的13.56MHz电磁波，寻找在其磁场内的卡片，卡片的内部线圈构成了一个LC振荡回路，此振荡回路在13.56MHz时会发生谐振，能量就从阅读器传送到了卡片中。当标签接近阅读器时，阅读器的天线和标签的天线发生稱合作用，标签上便产生出一个感应电压。IC卡的整流电路会把从阅读器磁场中感应出来的感应电流整流成可供芯片工作的直流电流。由于电感稱合和变压器稱合作用原理类似，所以阅读器和标签之间的功率传输效率与工作频率f，应答器线圈距数N，标签线圈包围面积A，阅读器和标签感应的角度和距离成正比。通过计算我们可以得出，在远离阅读器磁场的过程中，标签所能感应到的磁场强度是呈下降趋势的。在X/2Jt距离之内，磁场强度下降较快，大约为60dB/;10倍频程，在X/2II处磁场下降为20dB/10倍频程。所以可以看出电磁波的波长越长，阅读器天线周围的磁场下降的越缓慢，越有利于阅读器和电子标签之间的电磁稱合。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
随着电子产品的不断推陈出新，人们越来越看重电子产品的舒适性和便携性，轻巧便携的智能化穿戴设备将成为未来发展的方向，在RFID领域便携式阅读器己经开始应用在物流、物品检测等方向。随着RFID技术的发展，标签产品越来越多，在对各式各样以及各种环境中的标签进行信息交换的时候往往需要小型化低功耗便携式的阅读器，如在不方便通电的水中、沙漠中，以及固定标签的需要移动阅读器的场合，便携式的阅读器将成为唯一选择，因此一种便携式、低功耗、小型化的RFID阅读器就是本论文的研究内容。
本文的主要研究内容包括：1.相关理论知识的学习：nisp430的C语言编程，非接触式IS014443协议，智能卡技术，射频RFID相关技术，Altium Designer原理图设计与PCB板设计，HFSS天线仿真等。2.硬件电路设计：包括msp430外围应用电路设计，rc522模块外围匹配滤波电路设计，天线电路设计，OLED驱动电路设计和电源电路设计。3.软件设计：CCS开发环境，Mifare卡，ISO14443协议。4.系统调试：阅读器硬件电路设计完成后需要燒接测试，使用示波器完成各个模块正常工作的测试，电路是否虚傳。使用网络分析仪对天线和匹配网络进行参数测试，调整相关匹配网络元器件参数，使得天线达到最佳工作状态。
本论文共分为5个章节，各章节安排如下：第一章首先简单介绍了 RFID系统，分析了 RFID射频技术的研究意义，总结了 RFID射频技术的发展现状与趋势，探讨了其目前存在的问题。第二章介绍了 RFID系统的工作原理，包括阅读器和标签的能量供应方式、稱合方式、数据传输方式等RFID阅读器所涉及到的理论性知识，重点介绍了标签的负载调制，为高频电路的匹配打下基础。第三章对阅读器系统做了整体的系统规划，包括整体的功能、所包含模块以及各模块软硬件的功能。.第四章根据对系统的整体规划，进行了 RFID阅读器各个模块具体的硬件电路设计。详细阐述了硬件电路的芯片选型，各个模块的工作原理以及各个模块之间的通信原理。第五章介绍了 RFID系统近稱合国际标准IS014443协议，结合软件编译器CCS和Mifare卡工作原理对RFID系统进行了软件设计。第六章介绍了系统的调试情况，分析了调试过程与结果，对全文工作进行总结，对产品未来可以更加完善的地方进行了讨论。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 3-4
Abstract 4-5
1 绪论 8-13
1.1 研究背景 8-9
1.2 研究意义 9-10
1.3 RFID技术发展现状与趋势 10
1.4 当前RFID应用和发展面临的问题 10-11
1.5 主要研究内容与结构安排 11-13
2 系统工作原理 13-24
2.1 RFID系统物理基础 13-18
2.1.1 线圈的自感和互感 13-14
2.1.2 RFID阅读器高频前端 14-18
2.2 系统能量供应与耦合方式 18-19
2.3 RFID阅读器与电子标签之间的数据传输方式 19-22
2.3.1 负载调制 19-21
2.3.2 利用副载波的负载调制 21-22
2.4 数据的传输、编码与调制 22-24
3 阅读器的系统整体规划 24-29
3.1 阅读器的设计方向 24
3.2 阅读器的具体使用场合 24-25
3.3 阅读器的硬件规划 25-27
3.4 阅读器的软件规划 27-28
3.5 系统整体规划 28-29
4 RFID阅读器硬件设计 29-43
4.1 芯片选型 29-30
4.2 硬件电路设计 30-43
4.2.1 MCU电路设计 30-31
4.2.2 高频模块电路设计 31-34
4.2.3 天线及天线匹配电路设计 34-39
4.2.4 OLED电路设计 39-41
4.2.5 太阳能供电模块 41-43
5 RFID阅读器软件设计 43-56
5.1 软件编译器 44-45
5.2 MSP430仿真器 45
5.3 Mifare卡 45-47
5.4 软件具体设计 47-56
5.4.1 高频读卡模块程序设计 47-53
5.4.2 OLED显示屏应用模块设计 53-55
5.4.3 主程序设计 55-56
6 PCB制作和系统调试 56-58
7 结论和展望 58-60
7.1 完成的工作和结果 58
7.2 未来的工作和展望 58-60
参考文献 60-63
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文 63-64
致谢 64
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
[1]王浩，程林，程亚平.物联网领域分析[J].无线互联科技，2014，18(5): 32.
[2]申利华.基于物联网的远程温湿度测控[J].科技情报开发与经济，2011, 18(16):213-214.
[3]徐亚芳.带USB接口的非接触式读卡器的设计[D].河北工业大学，2007.
[4]李凌志，周金萍.浅谈高速公路"ETC"不停车收费系统的应用及前景[J].城市建设理论研究，2013, 18(19).
[5]曹刚.基于MIFARE射频卡读写器的研宄与实现[D].北京化工大学，2008.
[6]李梅，柳士昌.武汉市RFID产业发展现状及典型实例研宄[J].科技管理研宄，2011，18(5): 81-84.
[7]轩秀巍.超高频射频识别系统的关键技术研宄[D].天津大学，2012.
[8]吴名.我国RFID应用现状和技术现状及发展策略分析[J].金卡工程，2006，18(11):52-53.
[9]刘扬，李钊，丛海洋，王彪.RFID在电力物联网应用中的信息安全风险及防护策略分析[J].东北电力技术，2013，18(12): 40-43.
[10]余恬恬，冯全源.基于Hash函数的RFID挑战-应答认证协议[J].计算机工程，2009,18(24): 156-157.
[11]细鹇，周晓萍.电磁场与电磁波[M].清华大学出版社，2009,04.
[12]陆冬妹.谐振电路品质因数的计算[J].百色学院学报,2009, 18(6): 54-57.
[13]黄玉兰.物联网射频识别与技术详解[M].人民邮电出版社，2010.
[14]李成勇.基于RFID技术的高速移动多目标车辆识别方法研宄[D].重庆理工大学，2013.
[15]张忠志，胡建国.无源RFID标签天线接口电路研宄与实现[J].通信技米，2008，18(12):22-24.
[16]路国明.5.8GHz射频识别电子标签射频技术研宄[D].哈尔滨工业大学，2010.
[17]KlausFinkenzeller,陈大才等.射频识别(RFID)技术一无线电感应的应答器和非接触IC卡的原理与应用[M].电子工业出版社，2006.
[18]吕小燕.通用低频RFID阅读器的研究[D].杭州电子科技大学，2012.
[19]李超林.射频识别标签芯片模拟部分的电路设计[D].西安电子科技大学，2007.
[20]孙丹.射频识别技术在车辆信息釆集系统中的应用[D].南京理工大学，2005.
[21]曹平.高速率近距离通信（NFC)关键技术研究[D].南京邮电大学，2007.
[22]王爱英.智能卡技术:IC卡与RFID标签[M].清华大学出版社:2009.
[23]陆桑璐，谢磊编.射频识别技术：原理、协议及系统设计[M].科学出版社，2014.
[24]安静宇.基于非接触式IC卡门禁系统的设计[D].西安科技大学，2006.
[25]王迁.RFID防碰撞算法研宄[D].南京邮电大学，2011.
[26]张武勤.移动通信基站太阳能电源系统设计研究[D].郑州大学，2010.
[27]曾孝平，任家峪，熊东.基于RFID的非接触式IC卡读写器设计[J].计算机测量与控制，2010，18(10): 2357-2359.
[28]陈冲，赵升，谢文彬，高猛.基于无线通信的非接触式IC卡读卡器设计[J].温州大学学报.2011,18(6): 18-23.
[29]沈建华，杨艳琴.MSP430谢列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[30]朱炳瑞，裴焕斗，刘春力.基于RFID的单片机系统设计[J].电子世界.2003, 18(1):129-130.