畢業(yè)論文-非接觸式IC卡讀卡器設計.doc

畢業(yè)論文-非接觸式IC卡讀卡器設計(終稿) 學 生 畢 業(yè) 論 文非接觸式IC卡讀卡器設計學生姓名 姜雅萍 入學時間 2008年9月 專業(yè)名稱 計算機控制技 班 級 08級計算機控制技術 指導教師 李 穎 職 稱 講 師 煙臺汽車工程職業(yè)學院二一一年五月非接觸式IC卡讀卡器設計摘要 非接觸式IC卡是IC卡領域的一項新興的技術它是射頻識別技術和IC卡技術相結(jié)合的產(chǎn)物由于非接觸式IC卡具有操作快捷抗干擾性強工作距離遠安全性高便于一卡多用等優(yōu)點在自動收費身份識別和電子錢包等領域具有接觸式所無法比擬的優(yōu)越性具有廣泛的市場前景非接觸IC卡讀卡器是非接觸式IC卡應用系統(tǒng)的關鍵設備之一 本文首先研究了基本的理論包括射頻識別技術ARM處理器體系結(jié)構和嵌入式系統(tǒng)然后基于這些理論給出了非接觸式IC卡讀卡器的設計方案系統(tǒng)由三個部分組成第一部分是讀卡器的收發(fā)模塊選用Philips公司的高集成度非接觸式讀寫芯片MF RC500設計射頻收發(fā)模塊對射頻芯片接口電路設計做了詳細的論述第二部分是核心控制模塊以Philips公司的ARM7芯片LPC2292為核心對電源供應電路存儲器電路通信接口電路LED顯示電路等設計做了一定的描述并給出了電路第三部分是系統(tǒng)的程序設計采用移植嵌入式系統(tǒng)并添加任務的模式來實現(xiàn)讀卡器的各功能通過對軟硬件的調(diào)試實現(xiàn)了非接觸式IC卡讀卡器的硬件與軟件平臺的構建關鍵詞 非接觸式IC卡 讀卡器 嵌入式系統(tǒng)Contactless IC card readerAbstract Contactless IC card is IC card field an emerging technology it is rfid technology and IC card techniques Because contactless IC card have operation quick anti-jamming of strong work high security distance etc card holders for a fee in automatic identification and electronic purse which fields of the incomparable advantages of contact with wide prospect of market Non-contact IC card reader is contact IC card is one of the key equipment application systemThis paper first studied the basic theory including the rfid technology the ARM processor architecture and embedded systems and then based on these theories giving a contactless IC card reader design scheme System consists of three parts the first part is the card reader transceiver module selects the high level of integration Philips company RC500 non-contact literacy chip MF designing rf transceiver module interface circuit design for rf chip to do a detailed elaboration The second part is the core control module Philips company in the LPC2292 ARM7 chip for the core to power supply circuit memory circuit the communication interface circuit LED display circuit design done some description and gives the circuit The third part is the system programming adopt transplant embedded system and add tasks to realize the card reader mode of each function Through the software and hardware debugging realized contactless IC card reader hardware and software platform buildingKeywords Contactless integrated circuit card card reader embedded system目 錄第一章111 非接觸式IC卡發(fā)展歷程112非接觸式IC卡的主要特點213非接觸式IC卡讀寫器國內(nèi)外現(xiàn)狀314選題背景及課題任務315本文的機構安排4第二章 RFID技術及理論521 RFID系統(tǒng)的結(jié)構522 RFID系統(tǒng)的電子標簽讀卡器間能量傳輸623 RFID系統(tǒng)的電子標簽讀卡器間信息傳輸7231編碼類型8232數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)11233讀寫器電子標簽信息傳輸12234電子標簽讀寫器信息傳輸1224本章小結(jié)12第三章 ARM技術1331 ARM處理器概述1332 ARM處理器系列1333ARM的體系結(jié)構16331ARM處理器核的結(jié)構16332馮諾依曼結(jié)構及哈佛結(jié)構在ARM中的應用16333 ARM的兩種工作狀態(tài)16334 ARM的運行模式16335 ARM處理器的寄存器1734 ARMThumb指令系統(tǒng)1735 ARM處理器的選擇1736 LPC2292微處理器18361 概述18362 主要特性1837 本章小結(jié)19第四章 讀卡器的硬件電路設計2041 功能模塊結(jié)構圖2042中央處理器2043 射頻芯片接口電路設計21431 射頻卡讀寫芯片MF RC500的使用概述21432MF RC500的管腳定義22433與處理器的接口23434 MF RC500的匹配電路設計2344讀卡器核心電路板25441 電源電路和復位電路25442 系統(tǒng)時鐘電路25443 存儲器電路26444 通信接口電路26445 蜂鳴器控制電路2645 人機交接口模塊27451 Led模塊27452鍵盤2746 系統(tǒng)實物圖2747 本章小結(jié)28第五章 系統(tǒng)軟件的構建2951 軟件結(jié)構框架2952 嵌入式操作系統(tǒng)2953 讀卡器讀寫模塊軟件設計30531 MFRC500的PCD指令集以及PICC指令集30532 讀卡模塊軟件3254 系統(tǒng)初始化及運行3255本章小結(jié)33第六章 總結(jié)與展望3461 總結(jié)3462 展望34致謝35參考文獻36第一章 緒論11 非接觸式IC卡發(fā)展歷程非接觸式ICCICC-Contactless Integrated Circuit Card也稱為無觸點集成電路卡射頻卡或非接觸式智能卡早在1968年德國的Jurgen Dethloff和Helmut Grotrupp就提出將集成電路裝入身份識別卡中的想法并與同年獲得專利授權1969年12月日本的Kunitaka Arimura提出一種制造安全可靠的信用卡方法并與1970年獲得專利授權但是被稱為識別卡或ID卡Identification Card然而在當時他們僅僅是提出把集成電路芯片裝入卡中并沒有具體給出完整的應用方案直至1974年法國的羅蘭莫雷諾Roland Moreno的工程師提出了將一個集成電路芯片嵌裝于一塊塑料基片上構成一張存儲卡的想法并按此方法做出了一張卡片這是世界上的第一張IC卡1977年6月CII-Honeywell bull公司將4Kbit的MOS存儲器引入芯片形成了存儲型IC卡的雛形1978年第一張采用Siemens SIKART集成電路芯片的IC卡身份識別及交易卡identification and transaction card誕生了1980年11月第一張裝有CPU的IC卡cardiac pacemaker user identity card誕生卡中裝有CP8微處理器由CII-Honeywell Bull公司制造1984年法國的PPT PostsTelegrath and Telephones 將IC卡用于電話卡由于IC卡具有良好的安全性和可靠性獲得了意想不到的成功隨后國際標準化組織 ISOInternational Organization for standardization 與國際電工技術委員會IECInternational Electro-technical commission的聯(lián)合技術委員會為IC卡及相關技術指定了一系列的國際標準和規(guī)范極大地推動了IC卡的發(fā)展歷程早期的IC卡為接觸式Contact Card即卡片與讀卡器間的信息和能量傳遞只能通過機械式電觸點進行隨著應用規(guī)模的擴大和范圍的拓展卡片與讀卡器雙方這些裸露且存在相互位移的機械式電觸點的易受污染腐蝕和磨損等不良因素既影響工作可靠性又增大維護難度的缺陷日益明顯而卡片餓插拔的方向性要求和耗時更大的制約了其使用的方便快捷性尤其對于老人小孩和殘疾人甚至限制阻礙了其在環(huán)境惡劣流動性大但對使用的快捷便利性要求較高的公共交通和通道控制等諸多領域的應用而另一方面這些深入人類生活各個方面的非金融應用市場卻呈現(xiàn)出來越來越誘人的燦爛前景于是尋求解決上述難題的途徑和方法成為世界各大電子公司競相追逐的目標以致從20世紀90年代中期開始建立于現(xiàn)代微電子技術和80年代已經(jīng)蓬勃發(fā)展的射頻識別Padio Frequency IdentificationRFID技術至上的各種非接觸式IC卡CICCContactless Integrated Circuit Card應運而生當前世界上生產(chǎn)IC卡的企業(yè)主要有SiemensAtmelMotorolaBull 法國布爾公司 schlumberger 法國斯倫貝謝公司 ISSISTMicoroelectronics 意法半導體有限公司 SamsungPhilipsToshibaHitachi等公司國內(nèi)IC卡及相關產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)主要有上海復旦微電子股份有限公司深圳市明華澳漢科技有限公司北京握奇智能科技有限公司北京航天金卡電子工程公司北京大唐微電子有限公司上海貝嶺股份有限公司上海華虹集團有限公司等中國IC卡產(chǎn)業(yè)起步雖晚但發(fā)展迅猛通過引進先進的IC卡封裝生產(chǎn)線在短短的幾年間整體生產(chǎn)能力達到2億張左右全國IC卡應用裝置的開發(fā)和系統(tǒng)集成廠商也達到500多家左右金卡工程作為中國信息化建設的起步工程之一于1993年啟動實施隨著金卡工程建設的不斷深入發(fā)展IC卡的應用領域不斷擴展目前已經(jīng)建立起一條完整的IC卡產(chǎn)業(yè)鏈各類IC卡IC卡讀寫器等產(chǎn)品已將占據(jù)了國內(nèi)市場80以上的份額新興的IC卡產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟新的持續(xù)增長點12非接觸式IC卡的主要特點由于非接觸式IC卡與讀寫器之間的通信時借助空間媒介電磁波進行不存在機械運動機構和電觸點因此在保留接觸式IC卡原有的有點的同時又具備如下諸多有點1操作便利快捷無需拔插卡將卡片靠近或者掠過讀寫器表面即完成操作操作極其方便2可靠性高壽命長卡片與讀寫器間無機械接觸和位移故不存在接觸式讀寫器可能出現(xiàn)的各種機械故障卡與讀寫器均無裸電觸點無需擔心出點破損和脫落所導致的卡片失效卡與讀寫器均為全封閉防水防塵結(jié)構既避免了靜電塵污和水汽等對卡和讀寫器的影響可以防止粗暴插卡異物插入讀寫器插槽以及因讀寫器吃卡而導致使用者惱怒之極對其報以拳腳等認為破壞現(xiàn)象這些都將大大提高卡片乃至機具的可靠性和使用壽命3防偽性好卡上擁有一由制造商在產(chǎn)品出廠前固化于芯片的32152位字長序列號一旦寫入即永遠不可以更改且世界唯一4安全性好卡與讀寫器可采用3次相互確認的雙向驗證機制在讀寫器驗證卡的合法性的同時卡耶對讀寫器的合法性進行驗證通信數(shù)據(jù)可加密以防止型號截取卡內(nèi)各存儲區(qū)可擁有自己的操作密碼和訪問條件以防止未授權非法訪問并實現(xiàn)芯片傳輸密碼保護5抗干擾能力強可建立防沖突反碰撞Anti-collision機制同一時間同時處理多張卡且不出現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)干擾6一卡多用用戶根據(jù)自己自身需求靈活定義個數(shù)據(jù)區(qū)的密碼和訪問條件以便互不影響地分別滿足不同場合不同用途的需求7隱蔽性必要時刻將讀寫器安裝于非金屬的建筑物體內(nèi)以防止人為攻擊和環(huán)境破壞又可以兼?zhèn)浒踩佬l(wèi)和管理控制等所需要的隱蔽性13非接觸式IC卡讀寫器國內(nèi)外現(xiàn)狀日前國內(nèi)非接觸式IC卡讀卡器按照應用的場合不同出現(xiàn)全面發(fā)展的趨勢有讀寫器模塊便攜式讀寫器高頻讀寫器雙頻標簽讀寫器微波讀寫器低頻讀寫器等各種各樣的產(chǎn)品供應這些產(chǎn)品有適合近距離讀寫有適合遠距離讀寫的他們都有一個共同的特點同質(zhì)化嚴重各種產(chǎn)品之間的差別不大性能也相似基本上都采用讀卡器芯片加單片機的結(jié)構而核心技術并不在自己手上缺乏成套系統(tǒng)的自主產(chǎn)權讀卡器的核心部件讀卡器芯片的控制權掌握在國外公司手中整個讀卡器市場的利潤的最大一塊也被國外公司如TINXP等芯片廠商拿走而且隨著市場的發(fā)展這些國外公司在加強對整個非接觸式IC卡系統(tǒng)的控制而且不斷的有新的實力雄厚的公司加入這一行如ST意法半導體等覬覦這一發(fā)展迅速的市場TI公司提供從讀卡芯片讀卡模塊讀卡器電子標簽系統(tǒng)應用等一整套設備及服務NXP提供讀卡芯片電子標簽等核心部分給下游廠商牢牢控制著市場的主動權不過欣慰的是我國在非接觸式IC卡技術的研究方面發(fā)展很快在非接觸式IC卡技術研究及產(chǎn)品開發(fā)方面國內(nèi)已具有了自主開發(fā)低頻高頻與微波的電子標簽與讀寫器的技術能力及系統(tǒng)集成能力目前國產(chǎn)核心芯片電子標簽芯片業(yè)出現(xiàn)了市場上與國外巨頭爭奪市場復旦微電子研制的FM17XX系列讀卡器專用芯片可以喝NXP公司的MFRC500MFRC531MFRC632管腳兼容FM11RF系列非接觸式IC卡芯片容量從512位到32K位適合大部分應用場合隨著技術的進步讀卡器會隨著多功能如條碼識別無線數(shù)據(jù)傳輸以太網(wǎng)傳輸?shù)确较虬l(fā)展讀卡器的成本也會越來越低同時閱讀器將實現(xiàn)多制式多頻段兼容多功能多制式小型化模塊化嵌入式方向是讀卡器發(fā)展的趨勢本文中的讀卡器是符合這一發(fā)展方向的嘗試具有多樓口可擴展的特點14選題背景及課題任務本課題的背景是校園一卡通系統(tǒng)收費終端的應用隨著科學技術的飛速發(fā)展社會的日益信息化技術的不斷革新要求的不斷提高需要設計出一個擴展功能豐富性能更加穩(wěn)定的具有友好人機界面的嵌入式智能終端來取代現(xiàn)在市場上的基于51單片機的收費終端本讀卡器必須簡單易用為了實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸必須具有相應的接口因此對本讀卡器的要求是人機交流界面友好具有擴展接口可實現(xiàn)網(wǎng)絡接口功能15本文的機構安排本文研究和設計的主要對象是基于ARM的非接觸式IC卡讀卡器第1章 緒論主要是介紹課題的意義非接觸式IC卡及非接觸式IC卡讀卡器在國內(nèi)外應用與發(fā)展的一些情況第2章 射頻識別技術及理論主要對射頻識別技術的發(fā)展情況和系統(tǒng)的組成分類作了進一步的闡述較全面地概括了射頻識別系統(tǒng)的基本情況第3章 ARM處理器體系結(jié)構主要對ARM處理器作了簡要概述從ARM技術的發(fā)展歷程來對ARM處理器做了闡述然后簡要敘述了下ARM的體系結(jié)構指令系統(tǒng)最后從實際的應用選型角度考慮分析如何選擇基于ARM核的芯片組件嵌入式硬件系統(tǒng)第4章 讀卡器硬件電路設計這一章是本文的核心章節(jié)重點介紹了讀卡器的硬件電路設計包括MCU模塊射頻芯片模塊天線通信模塊電源模塊等硬件電腦設計第5章 讀卡器系統(tǒng)軟件設計在讀卡器硬件基礎上對系統(tǒng)的軟件框架作了分析然后對讀卡器所使用的uCOS-II操作系統(tǒng)作了簡單的介紹并詳細敘述了uCOS-II的移植重點介紹了射頻芯片RC500的指令系統(tǒng)部分程序設計以及軟件流程第6章 總結(jié)總結(jié)全文并進行展望對那里課題研究中的成果與不足第二章 RFID技術及理論RFID的全文是Radio Frequency Identification直譯成中文是無限射頻識別系統(tǒng)還有其他很多的稱呼像是無線IC標簽射頻識別標簽技術電子標簽感應卡等等是一種透過無線電波來做到非接觸的資料存取的技術通過無線通訊Wireless Communication結(jié)合資料存取技術 Information Technology 再連結(jié)背后的資料庫系統(tǒng)形成一個龐大且串連在一起的系統(tǒng)正是射頻識別技術的大力發(fā)展使之能夠與IC芯片的發(fā)展相結(jié)合將很多技術應用到IC芯片中促進了非接觸式IC卡的產(chǎn)生及迅猛發(fā)展正是非接觸式IC卡的大量運用因此有時射頻識別結(jié)束就是指非接觸式IC卡的應用系統(tǒng)因此本章將簡略介紹一些射頻識別技術的相關知識以利用進一步了解非接觸式IC卡的原理和應用系統(tǒng)結(jié)構21 RFID系統(tǒng)的結(jié)構RFID技術是指一種非接觸式的自動識別技術基本原理是利用無線射頻識別信號的空間耦合電磁感應或者是電磁傳播的傳輸特性實現(xiàn)對被識別對象的自動識別RFID系統(tǒng)通常由電子標簽讀寫器計算機通信網(wǎng)絡三部分組成圖21是RFID系統(tǒng)射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構框圖圖21 RFID系統(tǒng)的結(jié)構框圖電子標簽存儲著需要被識別物品的信息通常被放置在需要識別的物品上它所存儲的信息通?？蓜e射頻讀寫器通過非接觸方式讀寫獲取1讀寫器讀寫器是可以利用射頻技術讀寫電子標簽信息的設備讀寫器讀出的電子標簽信息可以通過計算機以及網(wǎng)絡系統(tǒng)進行管理和信息傳輸2計算機通信網(wǎng)絡在射頻識別系統(tǒng)中計算機通信網(wǎng)絡通常用于對數(shù)據(jù)進行管理完成通信傳輸功能讀寫器可以通過標準的接口與計算機通信網(wǎng)絡連接以便實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸功能22 RFID系統(tǒng)的電子標簽讀卡器間能量傳輸載頻 1356MHz的標準RFID系統(tǒng)屬于近場識別范疇此時之電子標簽讀卡器通信可簡單的歸納為兩種類型信號傳輸能量傳輸和信息即數(shù)據(jù)傳輸前者是單向的傳輸方向只能是讀寫器-電子標簽后者是雙向的存在由讀卡器至電子標簽的寫和由電子標簽到讀卡器的讀兩個方向的操作此節(jié)先介紹前者鑒于非接觸式IC卡系統(tǒng)選取1356MHz載波的波長為22m較電子標簽與讀寫器天線間的距離大許多倍則可將電子標簽和讀卡器間的內(nèi)磁場視為簡單交變磁場電子標簽和讀卡器間的的耦合關系理解為以讀寫器天線為初級線圈電子標簽天線為次級線圈的變壓器耦合正式這種耦合確定了電子標簽和讀卡器雙方特有的結(jié)構形式因此對耦合方式的了解是理解PFID系統(tǒng)原理和結(jié)構的前提該部分的內(nèi)容實際上也是相關國際標準的主要內(nèi)涵ISO7810國際標準的ID-1規(guī)范對于電子標簽的厚度的限制和超薄電池的實用化還有待時日的現(xiàn)狀使得當今所有保準非接觸式IC卡都只能是無源式電子數(shù)據(jù)載體芯片所需要能量必須經(jīng)天線耦合有讀卡器的交變磁場即射頻RF能量場感應獲取讀寫器的天線線圈L1與電容Ci組成的LC并聯(lián)諧振賄賂其諧振頻率與工作發(fā)射頻率相符以增大讀寫器天線電流提高磁場強度改善電子標簽和讀卡器間耦合效果電子標簽的天線線圈L2與電容C1組成具有相同諧振的振蕩回路此諧振也有利于改善耦合效果即能量傳輸效率從理論上講電子標簽諧振頻率與讀寫器諧振頻率的精確一致是提高耦合效果的最佳選擇他們之間的任何差異都將降低系統(tǒng)性能嚴重時甚至可能發(fā)生零調(diào)制電子標簽和讀卡器間諧振頻率的失配將導致讀寫器載波信號與電子標簽返回的調(diào)制信號間的相移當此相移達到90度是兩信號將相互抵消調(diào)制信號丟失導致電子標簽電源電壓減小信號丟失但實踐中并非總是如此原因如下所述1LC原件制造和安裝精度的有限性將導致實際LC參數(shù)乃至二諧振頻率的偏差和差異為此部分芯片制造商在電子標簽芯片中附加了微調(diào)電容器以便在生產(chǎn)時通過對這些電容器的針對性接通和斷開調(diào)整電子標簽諧振頻率減小次偏差實現(xiàn)電子標簽和讀卡器間的諧振頻率的匹配該手段也可用于讀寫器的LC振蕩回路通過增加或減少福建電容的方法實現(xiàn)讀寫器諧振頻率的最佳化而另一些電子標簽芯片如Atmel公司的Temic系列RFID中的e55605561加密讀寫應答器則具備自適應調(diào)諧功能芯片每次進入RF場即上電復位時均可自動轉(zhuǎn)接與其LC振蕩電路并聯(lián)的片上電容將自己的諧振頻率調(diào)整至讀寫器的諧振頻率則即便讀寫器諧振頻率稍有便或或者同一電子標簽用于諧振頻率有異的多個讀寫器電子標簽芯片也能自動選取最佳的諧振頻率2技術的原因要求人為使電子標簽諧振頻率稍高于讀寫器諧振頻率譬如鑒于同時出現(xiàn)在同一磁場且相互靠近的兩個電子標簽的共同諧振頻率總是低于單個電子標簽的諧振頻率因此在具備反碰撞功能要求的1356MHz系統(tǒng)常常將電子標簽諧振頻率提高幾個百分點為1518MHz以減小這類影響電子標簽和讀卡器間的能量傳輸效果不僅與讀寫器的場頻天線線圈匝數(shù)和環(huán)繞面積且與線圈電流有關與調(diào)制方式等也有關因此在降低天線驅(qū)動級功耗的同時適當提升其電源電壓和輸出功率常常是增加場強擴大能量和數(shù)據(jù)傳輸距離的有效途徑23 RFID系統(tǒng)的電子標簽讀卡器間信息傳輸讀寫器與電子標簽間的信息傳輸是一種建立在已有數(shù)字通信理論和技術機床之上的電感耦合式半雙工數(shù)字通信圖22即為數(shù)字通信的系統(tǒng)模型其中 發(fā)送端 接收端圖22 數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源是擬傳輸?shù)脑夹畔?shù)據(jù)即基帶信號信宿為信息傳輸?shù)慕K點與信源對應在非接觸式IC卡應用系統(tǒng)他們即為電子標簽和讀卡器雙方的存儲區(qū)信道是信息傳輸?shù)穆窂胶涂臻g對標準非接觸IC卡系統(tǒng)只能是以電磁波為媒介的無線信道信源編碼又稱壓縮編碼其作用是使模擬信號數(shù)字化和以相應形式編碼表示二進制數(shù)1和0對其基本要求是在保證一定傳輸質(zhì)量的前提下用盡可能少的數(shù)字脈沖表示信源的基帶信號以提高信號傳輸有效性信道編碼又稱糾錯編碼其作用是在信源編碼輸出信號中按相應的規(guī)則增添若干位糾減錯信息形成對應至信息編碼輸出以便接收端可按此發(fā)現(xiàn)和糾正信號在信道傳輸中出現(xiàn)的錯誤保證通信的可靠性調(diào)制的作用是鑒于將基帶信號直接送至信道的基帶傳輸只能使用有限信道且傳輸距離有限因此將基帶信號調(diào)制到高頻載波信號上形成頻帶信號后再送入有線或無線通道已實現(xiàn)信號的遠距離頻帶傳輸接收端的信源解碼信道解碼和解調(diào)是分別與發(fā)送端信源編碼信道編碼和調(diào)制相對應的反變換231編碼類型數(shù)字通信系統(tǒng)有信源編碼和信道編碼兩類編碼前者以提高信息傳輸?shù)挠行詾槟繕思戳η笤诒ＷC一定的傳輸質(zhì)量的前提下盡可能減少傳輸信息冗余度后者的作用則在于降低誤碼率提高可靠性由發(fā)送端在擬傳輸信息序列加入與之存在某種約束關系的若干位監(jiān)督嗎糾檢錯信息接收方則根據(jù)接收信息中這種關系被破壞與否來檢查傳輸錯與乃至糾錯顯然由于其增大了傳輸信息的冗余度因此其提高可靠性的代價是犧牲傳輸有效性現(xiàn)在對二類編碼分別介紹如下2311信源編碼數(shù)字通信系統(tǒng)所需要的所有傳輸信息都是以二進制數(shù)0和1表示的脈沖序列在送入信道發(fā)送前往往要先對之進行信源編碼以形成相應的傳輸碼由于傳輸信道的特性差異和不同場合對傳輸指標的不同需求這類編碼即0和1的表示形成常常也不同常用的數(shù)字信號編碼有不歸零編碼曼徹斯特編碼和差曼徹斯特編碼米勒編碼1不歸零編碼不歸零編碼是基帶信號的最簡單表示形式在這類編碼的每個碼元周期中信號電平均保持不變其包含單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼兩種形式單極性不歸零碼用信號波形的零電平和正或負電平分別表示邏輯0和1特點是脈沖極性單一脈沖寬度與碼元寬度等同傳輸信道中有較大直流分量雙極性不歸零碼則用脈沖的正負極性表示邏輯0和1特點是脈沖快讀與碼元寬度等同當0和1的出現(xiàn)概率相同時無直流分量抗干擾能力強2曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼亦稱為裂相編碼或雙向嗎每一碼元均被分成互補的兩半部分單前一半為高電平時后一半必須為低電平表示邏輯1當前一半為低電平時后一半必須為高電平表示邏輯0特點是每個碼元的中心均存在電平跳變?nèi)魺o跳變則視為異常在ISOTEC14443中的Type A類型非接觸IC卡的反碰撞檢測中正是利用此特性且其傳輸中無直流分量缺陷是頻帶占用為原二進制碼的兩倍3差分曼徹斯特差分曼徹斯特編碼是曼徹斯特編碼的一種修改格式其不同之處在于每位的中間跳變只用于同步時鐘信號而0或1的取值判斷是用位的起始處有無跳變來表示若有跳變則為0若無跳變則為1這種編碼的特點是每一位均用不同電平的兩個半位來表示因而始終能保持直流的平衡4米勒編碼米勒編碼又稱為延遲調(diào)制碼在碼元中點的電平和負跳變均表示邏輯1無跳變表示邏輯0前后碼元交界處的電平正和負跳變則表示連續(xù)的0特點是頻帶占用窄RFID有關的信源編碼方式還有變形米勒編碼差分編碼脈沖間隔編碼脈沖位置調(diào)制編碼等就不作詳述了2312信道編碼信道編碼又稱差錯控制編碼抗干擾碼和糾錯碼是數(shù)字通信差錯控制理論和技術的核心用于克服信息傳輸過程中由于系統(tǒng)特性不理想和信道噪聲干擾引起的錯誤相對于接觸式IC卡非接觸式IC卡的卡機通信環(huán)境要惡劣很多其傳輸信道電磁波極易成為各種噪聲的耦合途徑因此對通信的差錯控制常常有較高的要求以致不得不大量借助通信領域的已有技術和成就此處僅圍繞非接觸IC卡這個主題首先對數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤類型和數(shù)字通信差錯控制的分類方式做簡要概述然后再介紹3種出現(xiàn)較早且在非接觸IC卡系統(tǒng)得以大量應用的差錯控制編碼方式1數(shù)據(jù)傳輸錯誤類型和差錯控制方式分類數(shù)據(jù)傳輸錯誤可分兩種形式隨機錯誤和突發(fā)錯誤其中隨機錯誤又稱獨立錯誤各出錯碼元的錯誤相互獨立互無關聯(lián)一般不會成片出現(xiàn)對應信道稱為無記憶信道或隨機信道而突發(fā)錯誤的前一碼元錯誤則可能影響后續(xù)碼元的準確性導致誤碼的成片密集出現(xiàn)對應的信道稱之為記憶信道或突發(fā)信道不過由于實際信道的復雜性這兩種錯誤往往并存同一信道只不過有的信道以其中一種錯誤為主罷了數(shù)字通信系統(tǒng)的差錯控制方式有圖23所示之四種類型 發(fā)方 可以糾正錯誤的碼 收方 FEC 能夠發(fā)現(xiàn)錯誤的碼 ARQ 應答信號 可以糾正和發(fā)現(xiàn)錯誤的碼 HEC 數(shù)據(jù)信息 IRQ 數(shù)據(jù)信息圖23差錯控制基本類型1檢錯重發(fā)Automatic Repeat RequestARQ又稱判別反饋和反饋糾錯發(fā)送端對數(shù)據(jù)分組編碼使所有編碼具備一定的檢錯能力接收端進行無錯判別并通過反饋信道將判別結(jié)果送至發(fā)送端發(fā)送端則將接收端認為出錯的信息再次重發(fā)直至接收端確認無誤優(yōu)點所需要額外碼元少即信息冗余度小設備復雜性和成本低因此在非接觸式IC卡系統(tǒng)有較多應用缺點需要反饋信道強干擾場合的通信效率低由于反饋的重復的隨機性不適宜實時通信2前向糾錯Forward Error CorrectingFEC發(fā)送端對數(shù)據(jù)編碼使所得編碼具備一定糾錯能力接收端按編碼規(guī)則自動檢測出錯位置并糾正優(yōu)點無須反饋信道解碼延時小且固定適宜實時通信缺點所需額外碼元多即信息冗余度大傳輸效率低解碼設別復雜3混合差錯控制Hybrid Error ControlHEC為ARQ和FEC方式的綜合發(fā)送端發(fā)送的碼同時具備糾錯和檢錯功能如果傳輸錯誤未超出碼的糾錯能力接收端自動糾錯若錯誤超出碼的糾錯能力按ARQ方式請求重發(fā)該方式是保證通信實時性且適當降低解碼設備復雜性和成本的一種折中選擇4信息反饋Information Repeat RequestIRD也稱回程校驗是一種與信道編碼無關的差錯控制方式接收端將收到的數(shù)據(jù)序列通過反饋信道全部送回發(fā)送端由發(fā)送端進行發(fā)出數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)的比較以確定出錯與否并重發(fā)被認定出錯數(shù)據(jù)直至不再發(fā)現(xiàn)錯誤優(yōu)點無須進行糾檢錯的編碼解碼設備簡單缺點數(shù)據(jù)的來回傳輸導致延時大實時性差受擾出錯的可能性增大甚至出現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)無錯卻因反饋數(shù)據(jù)出錯而導致誤判重發(fā)因此僅適宜傳輸速率和信道差錯率均較低的系統(tǒng)上述方式除IRQ外前三種差錯控制方式均需要采用相應之差錯控制編碼即信道編碼以實現(xiàn)傳輸錯誤的檢測和糾正2奇偶校驗碼奇偶校驗碼Parity check code是一種最簡單應用也最廣泛的檢錯碼其編碼和校驗規(guī)則為發(fā)送端首先將欲傳輸數(shù)據(jù)序列分組然后再等長的每個數(shù)據(jù)組后增加一位校驗位譬如將IC卡系統(tǒng)的每個字節(jié)8位作為一組為之生成為一校驗位并附于該字節(jié)后并發(fā)送每字節(jié)實際發(fā)送9位校驗位的取值規(guī)則為在奇校驗時若數(shù)據(jù)組含1個數(shù)為奇數(shù)則校驗位取0否則取1在偶校驗時若數(shù)據(jù)組含1個數(shù)為奇數(shù)則校驗位取1否則取0即使包括校驗位在內(nèi)的各分組含1個數(shù)在奇校驗時始終為奇數(shù)在偶校驗時始終為偶數(shù)這種方法的優(yōu)點是簡單易實現(xiàn)缺點是只能檢測奇數(shù)個錯誤對偶數(shù)個錯誤無效且不能確定出錯位位置以致只能檢錯不能糾錯由于奇數(shù)個隨機錯誤的出現(xiàn)概率遠大于偶數(shù)個隨機錯則該方法在以隨機錯為主的計算機通信系統(tǒng)有較多應用但在突發(fā)錯誤較多的信道中不宜單獨使用3縱向冗余校驗縱向冗余校驗Longitudinal Redundancy CheckLRC亦稱XORLogical Exclusive-OR Operations校驗或者累加和校驗是一種主要用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e檢測編碼操作過稱為發(fā)送端對擬傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)字節(jié)進行按位邏輯異或XOR計算所得校驗和附于傳輸數(shù)據(jù)后一并發(fā)送接收端對接收信息序列所有字節(jié)包括數(shù)據(jù)及校驗和進行相同之邏輯異或計算如果傳輸無誤所得新校驗和應為00H若其不為00H則表示存在傳輸錯誤該方法的優(yōu)點是算法簡單僅用微控制器的最常見XOR命令即可簡單快速的實現(xiàn)缺點是對傳輸序列中的字節(jié)交換錯誤無效且不能檢出偶數(shù)個字節(jié)的同一位錯誤4循環(huán)碼循環(huán)碼Cyclic Codes又稱CRC碼即循環(huán)冗余校驗Cyclic Redundancy CheckCRC碼的簡稱是建立在現(xiàn)代代數(shù)理論基礎之上的一種線性分組碼在數(shù)據(jù)發(fā)送端根據(jù)CRC算法原理計算得到發(fā)送時的CRC值將該值填充到數(shù)據(jù)幀的CRC字段在接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀計算CRC的值并將計算得到的值與接收到來自發(fā)送端的CRC值進行比較如果兩個值一樣則數(shù)據(jù)準確如果數(shù)據(jù)不一樣則數(shù)據(jù)出錯這樣通過采用CRC糾可以實現(xiàn)差錯檢驗循環(huán)碼的糾錯能力強但算法卻相對簡單因此較適宜存儲空間有限的非接觸式IC卡采用但是最大的缺點是計算緩慢該算法最初是為硬件實現(xiàn)所設計采用軟件實施時將因該計算所需之逐位移位而使耗時過長232數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)電磁波的三個特征是幅度頻率相位這三個特征都可以被改變從而產(chǎn)生各種不同的信號波形這就是調(diào)制過程未被改變的電磁波稱為載波顧名思義就死可以加載信號的電磁波由于電磁波有三個特征于是改變幅度的調(diào)制方法稱為振幅調(diào)制簡稱調(diào)幅改變頻率的調(diào)制方式稱為頻率調(diào)制簡稱調(diào)頻改變相位的調(diào)制方式稱為相位調(diào)制簡稱調(diào)相還有其他的一些調(diào)制方法由這三種基本調(diào)制方法衍生出來有的同事調(diào)制其中兩個特征RFID系統(tǒng)采用的調(diào)制方法是ASK振幅鍵控FSK頻移鍵控和PSK相移鍵控其中ASK的使用最廣本讀卡器既是采用這種調(diào)制方式1振幅鍵控ASK振幅鍵控調(diào)制方式實現(xiàn)起來比較簡單當需要表示二進制1時使載波的幅值為1當需要調(diào)制出二進制數(shù)0時就改變載波的幅值為0這樣一串二進制編碼就對應為載波幅值的對應1或02頻移鍵控FSK這種按照編碼0或1的不同規(guī)定兩個頻率給他們?nèi)胍?guī)定0的頻率為f1的頻率為2f的話一串編碼經(jīng)過調(diào)制后就變成頻率交替變化的波形信號這種方式特點是抗干擾性好但是占用的帶寬較ASK要多3相移鍵控PSK相移鍵控按照數(shù)據(jù)編碼的值調(diào)制載波信號的相位如可以規(guī)定移動相位180度表示1而不移動相位表示0這樣編碼經(jīng)過調(diào)制后就成為一串相位隨著數(shù)據(jù)值變化的波形信號233讀寫器電子標簽信息傳輸一個射頻識別系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)的傳送有兩個部分1閱讀器中的數(shù)據(jù)信號需要進行編碼編碼后經(jīng)過調(diào)制由天線轉(zhuǎn)換成載有數(shù)據(jù)的載波信號發(fā)送出去2電子標簽接收到載波信號后對信號進行解調(diào)得到編碼的數(shù)據(jù)然后再通過譯碼過程得到傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)簡單來說就是信號的解碼調(diào)制與解調(diào)譯碼過程數(shù)據(jù)通過這個過程后就傳送給了電子標簽234電子標簽讀寫器信息傳輸在射頻識別系統(tǒng)中數(shù)據(jù)從電子標簽返回到讀卡器采用負載調(diào)制方式所謂負載調(diào)制就是通過改變電子標簽中的負載電阻的大小達到改變信號幅度的調(diào)制方式副載波在進行負載調(diào)制時首先在圍繞操作頻率副載波的兩側(cè)同距離上產(chǎn)生兩條譜線再使副載波調(diào)制后的信息編碼的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)絻蓷l副載波譜線的邊帶中這種調(diào)制方式與從讀卡器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳送調(diào)制方式類似也可以選擇調(diào)頻調(diào)幅調(diào)相等方法副載波的頻率一般是對工作頻率的分頻這種對于射頻識別系統(tǒng)來說容易實現(xiàn)常用的是1632或64分頻所以1356MHz射頻識別系統(tǒng)的副載波的頻率一般為847KHz16分頻424KHz32分頻212KHz64分頻24本章小結(jié)本章主要RFID系統(tǒng)做了簡要的概述再對RFID系統(tǒng)常見的編解碼和調(diào)制方式做了總結(jié)和比較描述了RFID系統(tǒng)的能量傳輸和信息傳輸?shù)墓ぷ髟淼谌?ARM技術31 ARM處理器概述ARM公司于1990年11月在英國劍橋成立主要從事轉(zhuǎn)讓芯片設計技術的授權全稱是advanced RISC machine LtdARM公司的第一個客戶是蘋果電腦公司為其新開發(fā)的Newton掌上電腦提供高速度低功耗的RISC精簡指令集算法處理器由于ARM公司只有技術缺乏資金購買昂貴的芯片制造封裝和測試設備因此ARM公司授權伙伴公司VLSL Technology生產(chǎn)并提供必要的技術支持這種合作方式的初步成功也為今后ARM公司的發(fā)展規(guī)模奠定了基礎ARM公司專門從事基于RISC技術芯片的設計開發(fā)作為知名產(chǎn)權供應商本身不直接從事芯片生產(chǎn)靠轉(zhuǎn)讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核根據(jù)各自不同的應用領域加入適當?shù)耐鈬娖鲝亩纬勺约旱腁RM微處理器芯片進入市場而ARM技術獲得第三方工具制造軟件的支持使整個系統(tǒng)成本降低產(chǎn)品更容易進入市場并更具有競爭力目前采用ARM技術支持產(chǎn)權IP核的微處理器即通常所說的ARM CPU版本已經(jīng)從V3發(fā)展到V6已遍及工業(yè)控制消費類電子產(chǎn)品通信系統(tǒng)網(wǎng)絡系統(tǒng)無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場份額ARM技術正逐步滲入到人們生活的各個方面ARM的構架師面向低預算市場設計的一款RISC微處理器是一種可擴展可移植可集成的處理器采用RISC構架的ARM微處理器一般具有的特點如表31所示 表31ARM CPU的特點序號特 點1體積小低功耗低成本高性能2支持Thumb16位ARM32位雙指令集能很好的兼容8位16位器件3大量使用寄存器指令執(zhí)行速度更快4大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成5尋址方式靈活簡單執(zhí)行效率高6指令長度固定32 ARM處理器系列基于ARM系列結(jié)構的處理器除具有ARM系類結(jié)構的共同特點外每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域其中ARM7-ARM11為通用處理器系列每一個系列都提供相對獨特的性能來滿足不同應用領域的需求Securcore系列專門為安全要求較高的應用而設計另外還有Intel公司采用ARMV4T五級流水線結(jié)構的StrongARMXscale系列處理器下面簡要介紹ARM微處理器各個系列的特點及應用領域1ARM7微處理器系列ARM微處理器系列為低功耗的32位RISC處理器采用ARMV4TNewman結(jié)構三級流水線平均功耗為06MwMHz時鐘速度為66MHz最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應用ARM7微處理器系類包括如下幾種類型的核ARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM7EJARM7TDMI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器T代表支持Thumb指令集D代表支持片上測試M代表內(nèi)嵌硬件乘法器I代表支持片上斷點和調(diào)試點該系列處理器提供Thumb16位壓縮指令集和Embedded ICE JTAG軟件調(diào)試方式適合應用于更大規(guī)模的SOC設計中其中ARM720T告訴緩存處理宏單元還提供8KB片內(nèi)緩存讀緩沖和具有內(nèi)存管理功能的高性能處理器支持LinuxSmybianOS和WindowsCE等操作系統(tǒng)ARM7系列廣泛應用于多媒體和嵌入式設備包括Internet設備網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備以及移動電話PDA等無線設備無線信息設備領域的前景廣闊因此ARM7系列也瞄準了下一代智能化多媒體無線設備領域的應用2ARM9微處理器系列ARM9系列包括ARM9TDMIARM920T和帶有高速緩存處理器宏單元的ARM940T所有的ARM9系列處理器都具有Thumb壓縮指令集和基于Embedded ICEJTAG軟件調(diào)試方式ARM9處理系列兼容ARM7系列而且能夠比ARM7進行更加靈活的設計ARM9系列主要應用于引擎管理儀器儀表安全系統(tǒng)機頂盒高端打印機PDA網(wǎng)絡電腦以及帶有MP3音頻盒MPEG4視頻多媒體格式的智能電話中3ARM9E微處理器系列ARM9E系列為綜合處理器包括ARM926EJ-SARM946E-S和ARM966E-S使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器DSPJava應用系統(tǒng)的解決方案因此使用于同時使用DSP和微控制器的場合該系列強化了數(shù)字信號處理功能可應用于需要DSP與微控制器結(jié)合使用的情況將Thumb技術和DSP都擴展到ARM指令集中并具有Embedded ICE-RT邏輯更好地適應了實時系統(tǒng)的開發(fā)需要ARM9E系列廣泛應用于硬盤驅(qū)動器和DVD播放器等海量存貯設備語音編碼器免提連線巡航控制反鎖剎車等自動控制解決方案以及調(diào)制解調(diào)器和軟調(diào)制解調(diào)器PDA智能電話MP3音頻譯碼器和語音識別及合成等設備中4ARM10E微處理器系列ARM10E系列包括ARM1020EARM1022E和ARM1026EJ-S這一系列的處理器具有高性能低功耗的特點采用了新的體質(zhì)結(jié)構同ARM9相比其性能有了很大的提高其核心在于使用向量浮點VFP單元VFP10提供高性能的浮點解決方案從而極大提高了處理器的整型和浮點運算性能為用戶界面的2D和3D圖形引擎應用夯實基礎如視頻游戲機和高性能打印機等5ARM11微處理器系列ARM11系列包括ARM1156T2-S和ARM1136JF-SARM1156T2F-S和ARM1176JZFscale微體系結(jié)構則提供全性能高性價比低功耗的解決方案支持16位Thumb指令和集成數(shù)字信號處理DSP指令8Cortex-M3和MPCore為了適應市場的需要ARM推出了兩個新的處理器Cortex-M3和MPCoreCortex-M3 主要針對微控制器市場而MPCore主要針對高端消費產(chǎn)品Cortex-M3改進了代碼密度減少了中斷延時并有更低的功耗Cortex-M3 中實現(xiàn)了最新的Thumb-2指令集MPCore提供了Cache一致性每個支持14個ARM11核這種設計為了現(xiàn)代消費產(chǎn)品對性能和功耗的需求做了很好的平衡ARM還引入了L2 Cache控制器來改進系統(tǒng)的整體性能33ARM的體系結(jié)構331ARM處理器核的結(jié)構ARM處理器核由ALU通用堆棧寄存器堆桶式移位寄存器乘法器和指令譯碼控制等部分組成332馮諾依曼結(jié)構及哈佛結(jié)構在ARM中的應用1馮諾依曼結(jié)構馮諾依曼結(jié)構也稱為普林斯頓結(jié)構是一種將程序指令寄存器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置因此程序指令和數(shù)據(jù)寬度相同ARM7采用了馮諾依曼結(jié)構2哈佛結(jié)構哈佛結(jié)構師一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容解碼后得到數(shù)據(jù)地址再到相應的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)并進行下一步的操作程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度哈佛結(jié)構的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率ARM9ARM10和ARM11屬于哈佛結(jié)構333 ARM的兩種工作狀態(tài)在ARM體系結(jié)構中ARM處理器支持3種數(shù)據(jù)類型字節(jié)半字和字其中字節(jié)的長度為8位半字的長度為16位字的長度為32位ARM處理器核一般有兩種工作狀態(tài)并可以在兩種狀態(tài)之間切換1ARM狀態(tài)ARM狀態(tài)下執(zhí)行字對準的32位ARM指令2Tbumb狀態(tài)Tbumb狀態(tài)下執(zhí)行半字對準的16位Tbumb指令在Tbumb狀態(tài)下程序計數(shù)器PC使用位1選擇另一個半字在程序執(zhí)行的工程中ARM處理器的兩種工作狀態(tài)之間可以切換ARM處理器在開始執(zhí)行代碼時只能處于ARM狀態(tài)ARM指令集和Tbumb指令集都有相應的狀態(tài)切換命令在切換時不影響處理器的模式或寄存器的內(nèi)容334 ARM的運行模式程序運行時需要硬件資源的支持的而且運行不同的程序所需要的硬件資源也不盡相同ARM處理器可以為程序提供7種不同的硬件資源組合每一種硬件資源組合叫做一種運行模式ARM處理器支持7種運行模式用戶模式快速中斷模式中斷模式管理模式中止模式未定義指令中止模式系統(tǒng)模式除了用戶模式外的其他6中模式成為特權模式特種模式中除了系統(tǒng)模式以外的5種模式又稱為異常模式335 ARM處理器的寄存器ARM處理器共有37個寄存器被分為若干個組其中31個通用寄存器包括程序計數(shù)器PC指針均為32位的寄存器6個狀態(tài)寄存器用以標識CPU的工作狀態(tài)及程序的運行狀態(tài)均為32位目前只使用其中的一部分34 ARMThumb指令系統(tǒng)ARM微處理器在一種體系結(jié)構中支持ARMThumb兩種指令集ARM指令集效率非常高但是代碼密度相對較低Thumb指令集具有更好的代碼密度同時保持了ARM指令集大多數(shù)性能上的優(yōu)勢ARM處理器尋址方式可分為寄存器尋址立即尋址寄存器偏移尋址寄存器間接尋址基址尋址多寄存器尋址堆棧尋址快復制尋址和相對尋址九中尋址方式ARM微處理器的指令集是加載存儲型的即指令集僅能處理寄存器中的數(shù)據(jù)而且處理