射频卡线圈(射频卡线圈匝数与感应距离)

 

RFID 是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。它是一种利用射频技术实现非接触双向通信的自动识别技术，在物流管理、汽车防盜、门禁管理、交通管理等领域有广泛的应用前景。随着射频卡使用的频繁，卡片的管理成为一个重要的问题。本文设计了一种便携式的RFID 卡记录仪，可以快捷、方便的将大量的卡片信息记录在SD 存储卡里面，然后再通过计算机读取，录入数据库。在交通信息采集、设备巡检上、门禁管理等领域有应用价值。

2.平台硬件设计

2.1 方案选择

RFID技术的国际标准有ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000 以及EPC 标准体系。其中现在应用最广泛的是ISO 14443，它使用13. 56MHz 频段进行读卡操作。MFRC531是对应的读写器芯片。它是一块数模混合芯片，把13.56MHz通信的基带处理器和频带处理器集成在一块IC里面，全面支持ISO14443A/B标准。系统采用的ARM7 处理器是AT91SAM7S64，它集成SPI、IIC、USB、UART 等多种数字接口，功能非常强大。相比51 单片机系统，不需要另外扩充这些数字接口，大大提高了系统的稳定性。信息存储介质采用SD 存储卡，体积小，可插拔，数据读取方便，现在的使用也越来越广泛。

2.2硬件实现

硬件的总体结构，主要由处理器、读卡芯片、SD 存储卡、用户界面、匹配电路、天线电路、射频卡组成。读卡芯片为MFRC531，和匹配电路、天线电路一共构成读卡功能硬件，用于完成和射频卡片的非接触通信，最终读取卡片的信息;SD 存储卡完成卡片信息的存储，处理器为AT91SAM7S64 处理器，完成读卡控制和信息存储操作。

芯片间数据传输选用SPI串行总线。SPI 串行总线是一种4 线的串行通信总线，与传统的并行总线相比，大大节省了电路端口资源。MFRC531 读写芯片和SD 卡都支持以SPI 方式和处理器进行通信。在SPI总线中，设备分为主设备和从设备。它一共有4 条线，其中一条是时钟同步线(SCK)，一条是片选线(NSS)，一条是主设备到从设备串行数据线(MOSI)，一条是从设备到主设备串行数据线(MISO)。另外除了这4 根信号线外还应该接一根SPI中断信号线到处理器，实现读写过程的中断。除了MFRC531 外，外部存储器(SD 卡)也是通过SPI总线与处理器连接的。

天线设计可以分为两种。一种是直接匹配天线，要求天线和读写器很近，这种设计主要是应用于小范围空间内或者便携式设备。另外一种是50Ω匹配天线，要求天线和读写器有一定距离，如天线在室外而读写器在室内的一些应用。对于这种要求可以用同轴电缆连接天线和读写器。在本系统中采用直接匹配天线设计。

天线设计图

天线电路前需要一个EMC电路进行滤波。TX1 和TX2 和天线之间有一个简单的LC 低通滤波电路。RX 为射频芯片的天线接收管脚，管脚VMID 提供接收信号的参考电压。已知载波频率为13.56MHz，为了最佳传输载波，电路的固有频率应该尽量接近载波频率，即固有频率

信号经过EMC电路后，进入天线线圈。天线线圈的作用是完成射频信号的发射和接收。这个天线线圈在功能上类似于变压器的主线圈。它制造一个局部空间的磁场。

线圈的面积和线圈匝数相关，一般设计半径7cm 左右的线圈采用2 圈就够了。天线线圈对读写器电路最大的影响就是它的阻抗，因为天线的阻抗必须要和读写器电路匹配。天线的阻抗可以测量，也可以通过经验公式推导出来：

在天线线圈阻抗推导公式中，l 是线圈的周长，D 是线圈的直径，α是形状参数，圆形为1.07，正方形为1.54。这个公式只在13.56MHz频率下有效。

3.平台软件设计

平台软件设计包括两个部分：读卡程序设计和SD卡记录程序设计。

3.1 读卡程序程序

互联网小常识：分组转发分为直接转发和间接转发两类。若源主机与目的主机在同一个网络或路由器与目的主机在同一个网络则为直接转发，否则为间接转发。

读写射频卡的过程是一个比较复杂的程序执行过程，要执行一系列的操作指令，包括装载密码,询卡,抗冲突,选卡,验证密码,读卡,挂起卡等。这一系列的操作必须按固定的顺序进行。读卡程序流程图如下：

图 3 读卡程序流程图

包括以下步骤：首先，初始化系统;然后，用户需要给出读卡命令，系统只有接受到读卡命令，才开始执行询卡操作。如果射频卡不在有效范围内，返回;如果射频卡在有效范围内并且有响应，那么执行抗冲突操作和选卡操作，即在所有有效的射频卡中选中一个进行读卡操作。如果要对射频卡的加密存储空间进行读取，还需要进行验证，输入密匙后才能读取信息。读卡完毕后，要执行挂起卡操作结束会话。

3.2 SD卡记录程序

图4 SD卡记录程序流程图

互联网小常识：outside为外部端口，安全级别为0，inside为内部端口，安全级别为100，安全级别的取值范围为1-99，值越大越安全。

SD 存储卡接收从射频卡读取的数据，并以文件形式记录下来。通过SD 卡记录程序流程图，叙述通过FAT16/32 文件形式将数据记录在Secure Digital 存储卡里的步骤。首先检测SD 卡，如果SD卡存在，读取引导区信息，根据引导区的BPB 表寻找FAT 表;读取FAT表，通过FAT表上的信息寻找SD 卡上空白的数据区;更新FAT 表，将缓存中记录的数据写入空白数据区;最后读取根目录区数据，判断记录数据的文件是否已经建立;如果没有发现已经建立的文件，则新建一个的记录文件;如果记录文件已经存在，则更新文件的信息，如文件大小、记录时间等。

4.结束语

本文完成了一种便携式射频卡记录仪设计与实现。它采用ARM7处理器平台，可以对ISO14443兼容的射频卡进行读写、数据记录等操作，并且能以文件形式记录在可插拔的SD存储卡中，是一种比较理想的射频卡便携式记录方案。在天线平面和射频卡的天线平面平行的条件下测量，最长读卡距离为7厘米。通过本设计可以简化了射频卡信息采集流程，加快采集速度和效率，实现脱离计算机的射频卡信息采集，在交通信息采集、工业控制、人员管理等领域有应用价值。

本文作者创新点：(1 )针对射频卡信息采集和管理，提出一种新的便携式记录仪的设计，它可以兼容多种射频卡，在没有固定读卡器的时候也能方便的进行射频卡信息采集，然后再进行数据后处理。(2)该设计采用SD存储卡进行记录，记录满后可以随时更换，支持即插即用，提取数据简单方便(3)内建文件系统，数据以文件形式记录，可以方便的提取文件和后续数据处理，适合多种场合应用。

参考文献

[1] Klaus Finkenzeller. 射频识别(RFID)技术(第二版). 电子工业出版社. 2001年

[2] Philips Semiconductors. MFRC531 ISO14443 Reader IC Preliminary Product SpecificationRevison 2.0 Confidential

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[6] 芦东昕,李强,柳长安.基于ARM的RFID阅读器设计[J].微计算机信息, 2006,10-2: 286-288

互联网小常识：IEEE802.11b的典型解决方案：对等解决方案、单接入点解决方案、多接入点解决方案、无线中继解决方案、无线冗余解决方案和多蜂窝无缝漫游解决方案。

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