基于USB接口的高频RFID阅读器设计与应用
－２３５－
工程技术研究
人力资源管理
２０１０年第４期renliziyuanguanli
１ 系统方案
本系统主要由射频天线、ＭＦ ＲＣ５３０、微处理器和ＵＳＢ接口四个部分组成，具体的总体结构如图１所示。
微处理器选用ＳＴＣ８９Ｃ５２作为主控制器，单片机通过控制ＭＦ ＲＣ５３０驱动天线实现对射频卡的读写操作。ＵＳＢ接口是用于下位机与上位机之间的数据传输。
系统工作过程描述如下：
上位机通过ＵＳＢ接口与阅读器主控模块相连，发送读卡、写卡等命令，接收主控模块的数据与操作。阅读器通过射频模及其辅助天线与卡片通信，实现与卡片的数据交换。
２ 硬件设计
２．１ ＲＦＩＤ接口电路设计
我们选用的射频基站芯片为ＭＦＲＣ５３０［２］
。该芯片高度集成射频卡应答信号的调制和解调，支持Ｍｉｆａｒｅ双界面卡和典型的Ｍｉｆａｒｅ协议，完全集成了１３．５６ＭＨｚ下的所有层的通
信方式和通信协议，适用于各种基于ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３Ａ 标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合，内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近距离的天线（距离可达１０ＣＭ）。该芯片具备并口和ＳＰＩ两种接口，可以直接连接到任何８位微处理器，这样给阅读器的设计提供了极大的灵活性。ＭＣＵ是通过对非接触式ＩＣ卡读写芯片ＭＦＲＣ５３０ 内核特殊的内存寄存器的读写来控制ＭＦＲＣ５３０的，任何射频卡上的数据全部通过ＭＦＲＣ５３０来传输，通过对ＭＦＲＣ５３０不同的控制指令，从而实现对射频卡的读取操作。
ＲＦＩＤ接口电路采用的是ＳＰＩ接口通讯方式，单片机选用ＳＴＣ８９Ｃ５２。接口是以主从方式工作的，单片机为主器件，ＭＦ ＲＣ５３０为从器件。主器件具体的电路连接如图２所示。
射频接口描述如下：ＭＯＳＩ：主器件数据输出，从器件数据输入，连接到单片机的Ｐ１．４
口。
ＭＩＳＯ：主器件数据输入，从器件数据输出，连接到单片机的Ｐ１．７口。ＣＬＫ：时钟信号，由主器件产生，连接到单片机的Ｐ１．３口。ＮＳＳ：从器件使能信号，由主器件控制，连接到单片机的Ｐ１．５口。Ｅ５００：片选信号，连接到单片机的Ｐ１．６口。Ｒ５００：复位信号，连接到单片机的Ｐ１．２口。２．２ 天线设计
天线部分的原理图如图２所示，图中右面的几匝线圈作为阅读器的天线，天线线圈中有个接地的中心抽头，用来改善天线的性能。天线拾取的信号经过天线匹配电路送到ＲＸ脚， ＭＦ ＲＣ５００ 的内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理， 然后数据发送到单片机。ＭＦ ＲＣ５００通过 ＴＸ１和 ＴＸ２提供 １３．５６ ＭＨｚ的能量载波驱动天线。根据寄存器的设定对发送数据进行调制来得到发送的信号。
天线设计的重要参数是天线的电感，对读卡器天线的构造有如下基本的要求：
（１）使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量Φ；
（２）功率匹配，以便最大程度地利用产生磁通量的可用能量；
（３）足够的带宽，以便无失真的传送数据调制的载波信号。２．３ ＵＳＢ接口设计
在本设计中，我们选择８位的并行接口，具体的接口电路原理图如图３所示。ＣＨ３７４Ｔ的并口信号线包括：８位双向数据总线Ｄ７－Ｄ０、读选通输入引脚ＲＤ＃、写选通输入引脚ＷＲ＃、片选输入引脚ＣＳ＃和地址输入引脚Ａ０。引脚连接描述如下：８位数据总线与Ｐ０口连接；
ＲＤ＃：读选通输入，低电平有效；ＣＳ＃：片选通输入，低电平有效；Ａ０：地址／数据输入，当Ａ０＝１时，可以写索引地址，当Ａ０＝０时可以读写数据。
３ 软件设计
３．１ 卡程序设计
射频卡与阅读器之间的交易过程，实际上就是卡和读卡器之间的数据交换和对卡内存储器中的数据进行处理的过程。在数据交换过程中。为了确保卡和读卡器之间数据的同步及数据能被正确接收、识别，需要建立系统的通信协议［４］。在交易的过程中非接触式卡遵守通信协议，根据接收的指令，在有限状态机的控制下执行一个工作过程，从而完成需要的功能。
基于ＵＳＢ接口的高频ＲＦＩＤ阅读器设计与应用
李志超 傅建明 许绘香
（１．２．武汉大学研究生学院 湖北武汉 ４３００７２； ３．中州大学信息工程学院 河南郑州 ４５００４４）
【摘要】本文介绍了高频ＲＦＩＤ读写芯片ＭＦＲＣ５３０和ＵＳＢ接口芯片ＣＨ３７４Ｔ，给出了１３．５６ＭＨＺ阅读器的设计方法，对单片机控制ＭＦＲＣ５３０的具体开发方案和电路原理图进行分析。通过ＵＳＢ接口，实现了上位机和阅读器之间的数据传输，并详细介绍下位机软件的实现。
【关键词】射频识别 ＭＦ ＲＣ５３０ ＵＳＢ【中图分类号】Ｎ９４５．２３【文献标识码】Ａ【文章编号】１６７３－８２０９（２０１０）０４－０２３５－０
２
图
２ 射频接口电路原理图
图３ ＵＳＢ接口电路原理图
－２３６－
工程技术研究
人力资源管理
２０１０年第４期renliziyuanguanli
当有Ｍｉｆａｒｅ卡进入射频天线１０ＣＭ的范围内的时候，单片机通过ＭＦＲＣ５３０发送询卡请求，Ｍｉｆａｒｅ卡回传卡片形态、通讯协议、通信速率等，以便建立卡片与阅读器的第一步通信联络，从而完成询卡过程。
卡片与阅读器完成以上两个步骤后，还必须进行选卡操作，即要使电子标签真正地被选中。被选中的卡回传卡片的类型代码， 对卡片上已经设置的密码进行认证，认证过程要来回进行三次密码验证操作，只有认证成功，才允许进行下一步的读写作。正确处理上述认证后，即确认已经选择了一张卡片。选择卡之后，即可通过上位机指令对卡内的数据进行操作，这些操作主要包含数值的增减操作。３．２ ＵＳＢ驱动设计
ＣＨ３７４Ｔ有２种工作模式即主机模式和设备模式，并支持７个端点，根据本设计的需要，设置ＣＨ３７４Ｔ工作模式为设备模式，选择端点０作为数据上传和下传端点。由于ＣＨ３７４Ｔ已经固化了ＵＳＢ的驱动程序，因此，只需要对其进行初始化、设备枚举和定义数据传输函数即可，具体的数据传递过程如下所述。
初始化的过程就是设置设备的地址、清除中断标志、设置ＵＳＢ接口的极性、设置设备为高速状态、开启中断数据传输和ＵＳＢ设备检测中断，当设备正确连接后，延时后准备数据传输。
设备枚举是所有设备必须执行的一个步骤，设备枚举对设备做必要的初始化，一次设备枚举就是一次标准设备请求的过程，主要包含获取设备描述符。由于本设计是选择端点０，所以该设备描述符的信息应该为在端点０传输８个字节容量的信息包。获取配置描述符获取配置描述符有两个过程，第一步首先得到配置描述符的总长度，第二次是获取配置描述符便得到所有描述符数据。
４ 总结
通过实验表明，由此方法设计的电路运行稳定，抗干扰性好，读写数据准确可靠，安全性高，满足自动识别系统中的各种应用。本设
计在黄河根石位移检测系统中已经作为现场巡检中使用，使用结果证明，本阅读器性能可靠，达到预期的设计目的，可以在其他各个场所推广和使用。
参考文献
［１］ ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３３： Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａｒｄｓ
Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄｓＰｒｏｘｉｍｉｔｙ ｃａｒｄ Ｐａｒｔ２．３： Ｒａｄｉｏ ｆｒｅ－ｑｕｅｎｃｙ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎｔｉ－ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ．
［２］ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｉｎｃｈｉｐｈｅａｄ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄ－
ｕｃｔ／ｃｈ３７５ｄｅｔａｉｌ．ｈｔｍ．
在处理碰撞问题时，摩擦力通常可以忽略不计。然而，在有些情形下摩擦力根本不能忽略，否则将会导致错误的结论。下面，我们通过一道具体的例题，说明在什么样的碰撞问题中不能忽略摩擦力。
例题：一初速度为的质点沿水平方向运动，与斜坡碰撞。斜坡与水平面的夹角为。假设质点与斜坡的滑动摩擦系数为，碰撞时恢复系数为。碰撞过程中忽略重力。求碰撞后质点的速度大小和方向。
分析：在传统的求解方法中，碰撞时往往忽略摩擦力［１］。我们对该题的分析表明，这样处理在有些情况是不正确的。我们知道，在此题的碰撞过程中，质点受到两个作用力：垂直于斜坡向上的支持力N （t ）和平行于斜坡向下的摩擦力f （t ）。如果质点与斜坡碰撞后，在沿斜坡向上的方向上仍然有分速度，说明质点在碰撞过程中有沿斜坡方向向上的相对滑动。此时的摩擦力为滑动摩擦力，其大小为
摩擦力在碰撞中能忽略吗？
尹小刚 胡冬生
（南京航空航天大学理学院应用物理系 江苏南京 ２１００１６）
【摘要】通过对一道碰撞问题进行分析与解答，说明碰撞中的摩擦力在什么情况下能忽略、在什么情况下不能忽略。【关键词】碰撞 摩擦力【中图分类号】Ｒ２４８．２【文献标识码】Ａ【文章编号】１６７３－８２０９（２０１０）０４－０２３６－０
１
，
其中为滑动摩擦系数。如果
质点碰撞后在斜坡方向上的分速度为零，说明
在斜坡方向上没有相对滑动，有，
其中为静摩擦系数。
解：设碰撞过程的时间为Ｔ，质点碰撞后有沿斜坡向上的分速度。如图：
由x 方向上的动量定理可知：
（１）
由y
方向上的动量定理可知：
（２）
而
（３） （４）
因此，由（１）、（２）、（３）、（４）式可求得：
（５）
由（４）、（５）
式可求出：
（６）
因为摩擦力总是阻碍物体的相对运动，因此，
有滑动摩擦力的条件为：。由（６）式可知满足
的条件为：
，即：当
时，质点碰撞后在x 方向上才有
分速度。当时，因为质点没有沿斜面向上的滑动趋势，质点只能受到静摩擦力而不是滑动摩擦力。静摩擦力在碰撞过程中
产生的冲量会使质点沿斜坡向上的动量减少
图１
到零，因此质点在碰撞后沿斜坡方向没有分速度，即质点将垂直斜坡反弹。
该题在碰撞过程中所受的摩擦力总是与斜面的支持力成正比，在碰撞过程中摩擦力不能忽略的原因是：摩擦力在碰撞过程中所产生的冲量是一个有限值，不能忽略。当摩擦力与碰撞产生的作用力相比很小，且摩擦力在碰撞过程中产生的冲量可以忽略时，摩擦力在碰撞过程中才能忽略。
参考文献
［１］ 程守洙，江之永，普通物理学（第五版），高
等教育出版社，１９９８．