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《射频识别与传感器技术》实验讲义实验一1、实验项目：125KHzRFID实验2、目的与意义熟悉CVT-RFIDMCU-II实验箱的硬件结构和原理，掌握实验箱配套控制软件的使用。了解RFID的基本工作原理，了解典型的密耦合系统，了解125KHzRFID系统应答器芯片和阅读器芯片。掌握125KHz只读卡、读写卡操作的基本原理。通过相关信号的测量加深对信号调制与解调、125KHzRFID技术只读卡、读写卡相关协议标准的理解。3、实验环境（设备与仪器）CVT-RFIDMCU实验箱一台，PC机一台，双踪示波器一台，PC机操作系统WindowsXP，RFID综合实验平台环境4、背景知识1）实验箱系统硬件原理简介整个系统主要由以下几部分组成：（1）主处理器采用ATMEL的高性能AVR单片机，主要处理RFID标签的读写操作、ZIGBEE模块的数据传输、键盘和显示电路的处理，以及和上位机的通信。系统有标准JTAG接口和ISP下载接口，方便程序的调试和下载。（2）CPLD采用ALTERA的MAX系列CPLD，完成系统和上位机通信串口的切换工作，另外还挂接了键盘的行信号ROW0～ROW3。（3）125KHzRFID采用瑞士EMMICROELECTRONIC的低频RFID处理芯片，完成对125KHz标签的自动寻卡、读写操作等。（4）ISO14443RFID采用PHILIPS的高频RFID处理芯片，工作频率为13.56MHz，完成对ISO14443标签的寻卡、防冲突、选择卡、密码下载和校验、修改密码和读写操作等。（5）ISO15693RFID采用模拟分立元件的设计方法，使RFID读写器的内部结构更加清晰，工作频率为13.56MHz，可以完成对ISO15693标签的寻卡、防冲突、选择卡、密码下载和校验、修改密码和读写操作等。（6）900MHzRFID采用模块化的接口设计，增强超高频RFID的抗干扰性。完成对900MHz标签的寻卡、读写操作等。（7）ZIGBEE无线通信部分采用TI的无线通信单片机，系统有2个ZIGBEE模块，可以实现相互之间数据的无线透传。（8）键盘和显示部分键盘采用4×4矩阵键盘，其中列信号线COL0～COL3连接到主处理器上，考虑到主处理器IO口不够，所以行信号线ROW0～ROW3挂接在CPLD上；显示屏采用128×64的点阵屏，所以口线均连接到主处理器上。图1-1系统硬件原理框图2）125KHzRFID硬件原理采用低频RFID的CMOS集成收发器电路基站芯片，有以下功能和特点:①100到150kHz载波频率范围。②利用载波驱动天线，集成的锁相环系统，以实现用自适应载波频率来匹配天线谐振频率。③用于可读写应答器的AM调制磁场。对从天线传输来的应答器的调制信号进行AM解调。④和微处理器通过串行接口通讯。⑤无需外部晶振。⑥睡眠模式电流低至1μA。具体工作原理是：通过外部线圈及内部集成的电容一起组成谐振电路，从连续的125KHZ磁场中获取能量启动。芯片从内部的EEPROM中读出数据，并通过和线圈并联的负载的开断产生深幅调制，将数据发送出去。通过对125KHZ磁场的100%幅度调制，可以执行各种命令和更新EEPROM中的数据。图1-2125KHzRFID硬件原理框图3）125KHz测量点图1-3125KHz测量点J22：GND测量点，信号公共地。J23：RDY_CLK测量点，射频芯片返回给处理器的同步时钟信号测量点。J24：MOD测量点，处理器发送的调制信号测量点。J25：DEMOD_OUT测量点，射频芯片返回给处理器的数据输出信号测量点。4）125KHz通信协议简介这里介绍ISO18000-2标准协议，ISO/IEC18000-2定义了125～134.2KHz的空中接口通信协议参数，规定了时序参数、信号特性、标签与读写器之间通信的物理层架构、协议和指令，以及多标签读取时的防碰撞方法。1、调制标签和读写器之间采用ASK调制方式，调制深度为100%，如图1-4所示：图1-4125KHzASK调制波形图1-4中的时间参数如表1-1所示：表1-1调制时间参数注：Tac=1/fac≈8us2、读写器到标签（1）数据编码读写器到标签的数据编码包括：数据‘0’、数据‘1’、‘codeviolation’和‘stopcondition’，如图1-5所示：图1-5读写器到标签的数据编码图1-5中的时间参数如表1-2所示：表1-2数据编码时间参数注：Tac=1/fac≈8us（2）SOF读写器到标签的SOF起同步作用，由一个数据‘0’和一个‘codeviolation’组成，如图1-6所示：图1-6读写器到标签的SOF（3）EOFEOF由‘stopcondition’组成，如图1-7所示：图1-7读写器到标签的EOF3、标签到读写器（1）数据编码标签到读写器的数据编码有两种速率：4kbit/s和2kbit/s，其中4kbit/s速率用在InternationalStandardcommand，2kbit/s速率用在Inventorycommand。如图1-8所示：图1-8标签到读写器的数据编码（2）SOF标签到读写器的SOF由3bits位数据‘110’组成，如图1-9所示：图1-9标签到读写器的SOF（3）EOF标签到读写器的EOF在ISO18000-2标准协议里没有定义。5）125KHzID卡简介实验中用到的125KHzID卡分只读卡和可读可写卡两种，下面是对这两种卡的简单介绍：1、只读卡主要特征：●64位EEPROM●多种编码（Manchester，Bi-phase，miller，PSK，FSK）●多种速率●工作频率范围（100-150KHz）●工作温度范围（-40到+85℃）存储器结构：64位的EEPROM由5个部分组成，其中9位用作数据头（全1），数据头后紧接着10组4位的数据，每4位数据跟着1位奇偶校验位，最后一行由4位奇偶校验位和1位停止位（停止位规定为0）组成，详细结构如表1-3所示：表1-3125KHz只读ID卡存储器组成结构1111111119headerbits8versionbitsorcustomerIDD00D01D02D03P010lineparitybits（P0-P9）D10D11D12D13P132databitsD20D21D22D23P2D30D31D32D33P3D40D41D42D43P4D50D51D52D53P5D60D61D62D63P6D70D71D72D73P7D80D81D82D83P8D90D91D92D93P94columnparitybitsPC0PC1PC2PC3S01stopbitsettologic02、可读可写卡主要特征：●16个32位的数据块组成512位EEPROM●32位密码读写保护●32位唯一的ID码●10位客户码●锁定位可以将EEPROM的数据块变成只读模式●多种编码（Manchester，Bi-phase，miller，PSK，FSK）●多种速率●工作频率范围（100-150KHz）●工作温度范围（-40到+85℃）存储器结构：512位的EEPROM由16个32位的数据块组成，EEPROM的块被编号成0到15，每块的位被编号为位0到位31。访问总是从LSB开始的。这32bit的EEPROM字段，是以一个字段的写命令编程的。开始的两个块是被芯片制造商规划安排的只读块（块0和块1）。它们被分别写入有该芯片的类型、版本，客户码和唯一序列号（UID），再往下的3个块（块2到块4），用来定义器件的操作选项，分别为密码字段、保护字段和配置字段。块5到块15是用户可以自由使用的空间。详细结构如表1-4所示：表1-4125KHz可读写ID卡存储器组成结构地址编号描述类型B0………………B310芯片类型/谐振电容/用户代码只读Ct0……………Ct311序列号UID只读Uid0……………Uid312密码只写Ps0……………Ps313保护字段OTPPr0……………Pr314配置字段读写Co0……………C0315用户空间读写Us0……………Us316用户空间读写Us0……………Us317用户空间读写Us0……………Us318用户空间读写Us0……………Us319用户空间读写Us0……………Us3110用户空间读写Us0……………Us3111用户空间读写Us0……………Us3112用户空间读写Us0……………Us3113用户空间读写Us0……………Us3114用户空间读写Us0……………Us3115用户空间读写Us0……………Us31注：OTP表示该字段可以一次性编程写入数据，写入后的数据不能再更改。块0存放卡片信息及通用码等，该块为只读块。块1存放卡片的身份识别码(UID)，该块为只读块。块2存放卡片密码，该块为只写块，为了保护卡片密码，该块在本平台中不开放写权限。块3存放卡片保护字，用于控制卡片每块的读写权限，该块每一位都是一次性写入，写入后不可修改，为保证卡片正常使用，在本平台中不开放该块的写权限。块4存放卡片配置字，用于配置卡片每块的加密情况，该块可读可写，为保证卡片正常使用，在本平台中不开放该块的写权限。块5-块15为用户数据区，可读可写。6）控制软件界面软件界面分布如图1-10。图1-10软件界面图注：①菜单栏②串口连接设置③实验操作区域④操作提示区域⑤协议显示列表⑥系统提示通讯协议格式如图1-11：Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4-Byte4+nByte4+n+1-Byte4+n+20x430xBC帧长度模块类型命令CRC-16校验图1-11通讯协议格式Byte0：帧头1，‘C’的ASCII码Byte1：帧头2，Byte0的反码Byte2：Byte0到Byte4+n+2的总字节数Byte3：表示命令操作针对的模块0x00：表示设置实验类型0x01：表示125K0x02：表示13.56M-144430x03：表示13.56M-156930x04：表示900M0x05：表示Zigbee10x06：表示Zigbee2Byte4+n+1-Byte4+n+2：Byte0到Byte4+n的16位CRC数据校验，高位在前，低位在后CRC多项式：8408，初始值：FFFF5、实验内容与过程（一）125KHz硬件基本实验1）125KHz时钟信号测量实验1、测试线连接连接示波器：使用CH1探头，地接到J22测试架，CH1探针接到J23测试架设置示波器：触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。2、操作打开控制软件，系统默认实验模式即为LF125KHz模式，打开串口，启动只读自动识别标签。3、观测信号，如图1-12所示：图1-12解调电子标签返回的时钟信号图2）125KHzMOD信号测量实验1、测试线连接连接示波器：使用CH1探头、CH2探头，地都接到J22测试架，CH1探针接到J23测试架，CH2接到J24测试架。设置示波器：触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。2、操作打开控制软件，系统默认实验模式即为LF125KHz模式，打开串口，选择读写卡操作的读数据。3、观测信号，如图1-13所示：图1-13射频调制信号图3）125KHz调制解调信号测量实验1、测试线连接连接示波器：使用CH1探头、CH2探头，地都接到J22测试架，CH1探针接到J24测试架，CH2接到J25测试架。设置示波器：触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。2、操作打开控制软件，系统默认实验模式即为LF125KHz模式，打开串口，选择读写卡操作的读数据。3、观测信号，如图1-14所示：图1-14射频调制解调信号图（二）125KHzID只读卡读取实验1、将串口连接到实验箱COM1上，实验箱通电。2、打开RFID综合实验平台软件。3、选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。图1-15实验类型设置4、串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择COM1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后打开串口。5、实验设置，选择实验类型为125k，点击设置。6、选择LF12