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基于μC/OS-Ⅱ的无线RFID读写器的设计方案
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2017-10-27
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传统的RFID读写器多采用有线接入的方式实现与数据中心（上位机）的通信，即使部分RFID读写器终端实现了无线的数据传输，但也多是采用短距离的无线通信方式，最终还是要经过现场的有线设备实现与数据中心的通信，无法满足远距离、跨区域、便携式的RFID读写器的应用需求。本文介绍的无线RFID读写器的开发是以提高系统的稳定性、便携性、安全性为目标，采用嵌入式系统的设计思想，硬件方面使用功能强大的ARM处理器LPC2148，外扩GPRS无线模块实现终端数据的实时上传。LPC2148丰富的IO口资源使其能够外扩更多的外设，保证了终端功能的实现。软件方面引入实时多任务嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ，进行多任务的调度，在提高系统稳定性的同时降低了系统的开发难度。
1 GPRS简介
通用分组无线业务GPRS（General Packet Radio Service）是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。GPRS充分利用共享无线信道，实现了与标准Internet的无缝连接，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。无线GPRS网络所具有的永远在线、按流量计费、传输速率高以及支持X.25和IP协议等突出特点，特别适合于RFID读写器系统这样间断、突发性的数据传输。
2 读写器硬件组成
2.1 硬件系统原理
IC卡无线手持机的硬件系统结构框图如图1所示。图中，LPC2148为终端的主控单元，通过GPIO口与IC卡读卡芯片MF RC500相连实现对IC卡的读写；通过串口1（URRT1）与GPRS模块MC55相连实现GPRS数据传输；系统外扩一块I2C接口的E2PROM芯片24C256，用于存储终端设置参数以及暂存IC卡用户在本机的交易信息；通过LPC2148自带的USB接口实现上位机对读写器相关参数的设置以及交易信息的离线上传。
2.2 读写器的微处理器
手持机终端系统的核心部分是由LPC2148及其外围电路构成的最小系统电路。LPC2148是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 bit ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并带有32 KB和512 KB嵌入的高速Flash存储器。较小的封装和很低的功耗使得LPC2148特别适用于POS机等小型的应用场合。LPC2148提供多达45个高速GPIO口以及USB2.0全速设备控制器，使其成为本系统设计的理想选择。
2.3 读写器的IC卡读写模块
IC卡读写模块选用Philips公司Mifare卡专用读卡芯片MF RC500及其相关的外围电路、射频天线等，实现手持机与IC卡之间的数据通信。MF RC500是应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列之一，利用了先进的调制和解调概念，在13.56 MHz下，完全集成了所有类型的被动非接触式通信方式和协议，并支持ISO14443A所有的层。
2.4 匹配电路及天线的设计［1］
MF RC500是一个单独的读卡器集成电路，在本系统中，MF RC500与Mifare卡之间的数据交互是通过RF天线来完成的。参照MF RC500数据手册，采用直接匹配的天线，即可实现该读写器与Mifare卡之间的数据通信和能量传递，其推荐的工作距离可达100 mm。直接匹配天线的匹配电路如图2所示，主要包括：
（1）EMC滤波：Mifare系统的工作频率为13.56 MHz，由石英振荡器发生，但它同时也产生高次谐波。为了符合国际EMC规定，13.56 MHz中的3次、5次和高次谐波要被良好地抑制。本系统使用如图2所示的L1、L2、C11、C13组成的低通滤波器来实现EMC滤波。
（2）接收电路：MF RC500的内部接收部分使用了一个新的接收概念，即使用卡响应的副载波负载调制所产生的两个边频带，由图2中的R9、R10、C9、C10组成接收电路。
1 GPRS简介
通用分组无线业务GPRS（General Packet Radio Service）是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。GPRS充分利用共享无线信道，实现了与标准Internet的无缝连接，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。无线GPRS网络所具有的永远在线、按流量计费、传输速率高以及支持X.25和IP协议等突出特点，特别适合于RFID读写器系统这样间断、突发性的数据传输。
2 读写器硬件组成
2.1 硬件系统原理
IC卡无线手持机的硬件系统结构框图如图1所示。图中，LPC2148为终端的主控单元，通过GPIO口与IC卡读卡芯片MF RC500相连实现对IC卡的读写；通过串口1（URRT1）与GPRS模块MC55相连实现GPRS数据传输；系统外扩一块I2C接口的E2PROM芯片24C256，用于存储终端设置参数以及暂存IC卡用户在本机的交易信息；通过LPC2148自带的USB接口实现上位机对读写器相关参数的设置以及交易信息的离线上传。
2.2 读写器的微处理器
手持机终端系统的核心部分是由LPC2148及其外围电路构成的最小系统电路。LPC2148是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 bit ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并带有32 KB和512 KB嵌入的高速Flash存储器。较小的封装和很低的功耗使得LPC2148特别适用于POS机等小型的应用场合。LPC2148提供多达45个高速GPIO口以及USB2.0全速设备控制器，使其成为本系统设计的理想选择。
2.3 读写器的IC卡读写模块
IC卡读写模块选用Philips公司Mifare卡专用读卡芯片MF RC500及其相关的外围电路、射频天线等，实现手持机与IC卡之间的数据通信。MF RC500是应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列之一，利用了先进的调制和解调概念，在13.56 MHz下，完全集成了所有类型的被动非接触式通信方式和协议，并支持ISO14443A所有的层。
2.4 匹配电路及天线的设计［1］
MF RC500是一个单独的读卡器集成电路，在本系统中，MF RC500与Mifare卡之间的数据交互是通过RF天线来完成的。参照MF RC500数据手册，采用直接匹配的天线，即可实现该读写器与Mifare卡之间的数据通信和能量传递，其推荐的工作距离可达100 mm。直接匹配天线的匹配电路如图2所示，主要包括：
（1）EMC滤波：Mifare系统的工作频率为13.56 MHz，由石英振荡器发生，但它同时也产生高次谐波。为了符合国际EMC规定，13.56 MHz中的3次、5次和高次谐波要被良好地抑制。本系统使用如图2所示的L1、L2、C11、C13组成的低通滤波器来实现EMC滤波。
（2）接收电路：MF RC500的内部接收部分使用了一个新的接收概念，即使用卡响应的副载波负载调制所产生的两个边频带，由图2中的R9、R10、C9、C10组成接收电路。
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