基于POE技术的高频读卡器的设计与实现

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 739.58KB 65 页 15积分

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摘要

射频识别技术是一种通过电磁耦合方式工作的无线识别系统，具有抗干扰能

力强、使用寿命长、无接触式信息传递等特点。目前，大部分射频读卡器都是采

用RS232/485 或CAN 总线等接口与系统相连，读卡器采集到数据后，传输到计算

机中，再通过互联网实现数据共享。另外，现有的读卡器中除了手持读卡器和手

机内置读卡器外，都需要采用外接电源，对于某些应用场合，显得不便利。

随着半导体技术、电子技术等的飞速发展，内部集成了 POE 标准协议电路的

芯片的出现，使得基于以太网供电技术的射频读卡器的设计方案成为可能。以太

网供电技术(Power Over Ethernet，POE)是一种集网络接入及供电于一体的技术，

该技术是一个电源传输协议，采用 IEEE802.3af 标准。根据IEEE802.3af 标准可

利用现有的以太网 Cat5 布线基础架构，在传输数据信号的同时，可以直接从以太

网接口获取直流电源，从而解决设备需要外接电源的问题。

设计读卡器硬件平台，硬件模块包括电源模块、以太网模块、射频模块、ARM

处理器模块和液晶屏显示模块。移植 Linux 嵌入式操作系统，使用 Socket 技术实

现标签数据在读卡器与数据中心之间的数据传输。针对射频读卡器中的防碰撞问

题，设计出合适的防碰撞算法程序，解决多标签冲突问题。通过设计相应软件程

序，使得读卡器完全支持ISO14443 Type A/B 和ISO15693 标准协议。

将射频读卡器进行多次测试，能准确读取卡片信息，满足功能要求。

关键词：射频识别技术嵌入式技术以太网供电技术

ABSTRACT

RFID (Radio Frequency Identification) technology is a kind of wireless

identification technology, which works based on electromagnetic coupling. At present,

most of the radio frequency card reader are all adopt RS232/485 or a CAN bus

interface and is linked to the system, the reader collect data collection, and then transfer

to a computer, and share data through the Internet. In addition, existing reader except

the handheld mobile phone reader and the built-in reader, the card need the external

power supply, for some applications using, is not convenient.

Along with the semiconductor technology, electronic technology rapidly

developing, and the appearance of the circuit chip which integrated the POE standard

circuit, makes the design of the reader which based on technology of Power over

Ethernet possibly. Power over Ethernet is a technology of collection of network access

and Power supply, this technology is a Power transmission protocol, using IEEE802.3

standards. According to the existing standard IEEE802.3, it can use the available

Ethernet Cat5 wiring infrastructure, can be directly take the power from the Ethernet

interface when the data transferring, so as to solve the problem of equipment which

need external power supply.

Design and build hardware system, the hardware system including the power

modules, Ethernet module, radio frequency modules, the ARM processor module and

the display module. Portable embedded operating system Linux, use Socket technology

transferring data between the reader and the data center. According to the problems of

anti-collision in reader, the design gives appropriate anti-collision algorithm procedures,

to solve the problems. Through designing the corresponding software program, make

reader fully support ISO14443Type A/B and ISO15693 standard protocol tags.

Test the reader repeated, the reader work normal, satisfy the expected function.

Key Words: Radio Frequency Identification, Embedded System, Power

over Ethernet

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

§1.1 课题研究的背景及意义 ............................................................................... 1

§1.2 RFID 读卡器技术的国内外现状[3,4] .............................................................. 2

§1.3 论文研究的主要内容 ................................................................................... 2

第二章 RFID 读卡器的相关技术分析 ....................................................................... 4

§2.1 多种识别技术的比较 ................................................................................... 4

§2.2 RFID 系统的组成 .......................................................................................... 4

§2.3 ISO15693 和ISO14443 标准协议[6~9] ........................................................... 5

§2.3.1 ISO15693 国际标准 ............................................................................. 5

§2.3.2 ISO14443 Type A/B 国际标准 ............................................................. 6

§2.4 ARM 微处理器及嵌入式操作系统[12,13,14] .................................................... 7

§2.5 POE 技术介绍[15,16]........................................................................................ 7

第三章 RFID 读卡器的硬件设计 ............................................................................... 9

§3.1 RFID 读卡器的工作原理 .............................................................................. 9

§3.2 读卡器主机模块 ........................................................................................... 9

§3.3 RFID 读卡器的硬件模块电路设计 ............................................................. 10

§3.3.2 RC632 射频模块电路 ........................................................................ 10

§3.3.3 读卡器电源电路模块 ....................................................................... 11

§3.3.4 以太网接口电路模块 ....................................................................... 13

§3.3.5 阻抗匹配电路 ................................................................................... 14

§3.3.6 液晶屏模块 ....................................................................................... 16

§3.4 射频读卡器的PCB 布局与设计 ................................................................ 16

§3.4.1 PCB 的布局 ....................................................................................... 16

§3.4.2 印刷电路板的相关设置 .................................................................... 17

§3.5 硬件电路测试和相关问题分析 .................................................................. 17

第四章 Linux 操作系统平台的搭建 ......................................................................... 19

§4.1 Linux 操作系统的特点................................................................................ 19

§4.2 BootLoader 的设计与移植 .......................................................................... 19

§4.2.1 嵌入式BootLoader 的简介 ............................................................... 19

§4.2.2 VIVI 的移植过程 ............................................................................... 20

§4.3 Linux 内核裁剪和移植................................................................................ 23

§4.3.1 Linux 内核结构.................................................................................. 23

§4.3.2 Linux 内核裁剪、配置和编译 .......................................................... 23

§4.4 根文件系统的构建 ..................................................................................... 25

§4.5 Linux 系统的调试 ....................................................................................... 26

第五章 RFID 读卡器软件设计 ................................................................................. 27

§5.1 Linux 驱动程序 ........................................................................................... 27

§5.2 Linux 驱动程序的配置................................................................................ 29

§5.2.1 DM9000aep 驱动程序的配置 ............................................................ 29

§5.2.2 SPI 驱动程序的配置 .......................................................................... 29

§5.3 RC632 的通信方式...................................................................................... 29

§5.3.1 S3C2440A 与RC632 通信方式 ......................................................... 29

§5.3.2 数据接收与发送 ............................................................................... 30

§5.4 防碰撞的实现 ............................................................................................. 31

§5.4.1 ISO15693 协议防冲突的实现............................................................ 31

§5.4.2 ISO14443 Type A/B 协议防冲突的实现 ............................................ 33

§5.5 CRC 校验算法的实现 ................................................................................. 36

§5.6 Socket 应用程序实现 .................................................................................. 37

第六章测试 .............................................................................................................. 40

第七章总结和展望 .................................................................................................. 42

§7.1 工作总结 .................................................................................................... 42

§7.2 展望 ............................................................................................................ 42

参考文献 .................................................................................................................... 44

附录一........................................................................................................................ 47

部分程序代码： ................................................................................................. 47

附录二........................................................................................................................ 59

读卡器原理图和PCB 图 .................................................................................... 59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................... 62

致谢........................................................................................................................ 63

第一章绪论

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第一章绪论

§1.1 课题研究的背景及意义

在我国，从90 年代开始，射频识别技术开始被研究并应用于各个领域，如交

通监控系统、物品管理、门禁系统、车辆防盗、铁路车号识别、第二代身份证、

票证管理等领域都采用了 RFID 技术。射频识别技术（Radio Frequency Identification,

RFID）是利用电磁场和电磁波作为传输手段，完成非接触式双向通信，从而实现

自动识别的一种技术。目前，典型的RFID 技术应用领域有[1][2]：

(1) 高速公路收费系统。高速公路收费系统是RFID技术比较成功的应用之一，

目前我国高速公路上有些路段的收费站口，经常有许多车辆停车排队等待交费，

容易耽误时间和造成一定交通拥堵现象。而RFID技术应用在该领域，车辆通过收

费站时一并完成缴费，减缓了交通拥堵现象。

(2) 车辆的自动识别以及防盗。采用射频识别技术可以对道路交通流量进行实

时监控、统计和调度，还可以用作车辆闯红灯记录报警，被盗(可疑)车辆报警与跟

踪，特殊车辆跟踪，肇事逃逸车辆排查等。

(3) 电子票证。生活中人们都会使用一些消费类卡，当卡多后会出现携带不方

便的情况，使用电子标签来代替各种消费卡，进行非现金结算，可以解决了许多

场合不方便使用现金的问题。在这一方面，应用最具潜力的方向就是公共交通领

域。

(4) 货物跟踪管理及监控。货物上安装电子标签后，利用RFID技术，可以有效

的对货物进行跟踪和监控，避免许多重复性的工作，抵达目的地后，可以很方便

地确定货物的具体位置，节省了大量的人力和时间。

(5) 门禁保安。现在很多单位用此技术作为考勤机使用，使用电子标签可以有

效地管理公司人员到岗情况。用于安全管理方面时，标签内存有公司人员的个人

信息，出入时系统会对身份进行识别，对非法闯入会有报警。

(6) 防伪。将射频识别技术应用在防伪领域也是一种发展趋势，电子标签内存

有商品的相关信息，而且数据无法被伪造和修改，对于仿造的商品，则无法显示

出正确的信息，起到防伪的作用。

射频读卡器在RFID 技术应用中具有核心作用，它需要解决编码、解调、防碰

撞、安全认证等问题，对系统的稳定性和安全性起着重要作用，所以研究射频读

卡器的技术和应用也显得比较重要。目前，在国内各应用场合使用的射频识别系

统中，作为系统的数据采集单元的射频读卡器，一般是采用 RS232/485 或CAN 总

线等接口与系统相连，读卡器采集到数据后，传输到计算机中，再通过互联网实

现数据共享。另外，现有的读卡器中除了手持读卡器和手机内置读卡器外，都需

基于POE 技术的高频读卡器的设计与实现

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要采用外接电源，相对某些应用场合，显得不便利。

随着半导体技术、电子技术等的飞速发展，大量芯片的不断涌现，使得许多

硬件电路使用非常方便，而集成了 POE 标准协议电路的芯片的出现，就使得本课

题所设计的基于以太网供电技术的射频读卡器的设计方案成为可能。以太网供电

技术(Power Over Ethernet，POE)是一种集网络接入与供电于一体的技术，该技术

是一个电源传输协议，采用 IEEE802.3af 标准。根据IEEE802.3af 标准可利用现有

的以太网 Cat5 布线基础架构，在传输数据信号的同时，可以直接从以太网接口获

取直流电源，从而解决了设备需要外接电源的问题。

§1.2 RFID 读卡器技术的国内外现状[3,4]

目前 RFID 读卡器按照应用场合的不同，有便携式读写器、超高频读写器、微

波读写器等各种各样的产品出现。

在国外，如TI、Philips、Omron、Intermec 等世界著名厂商均已开发出自己的

RFID 读写器，其产品都各具特点，并自成系列。在UHF 频段，日本 Omron 公司

于2005 年开发出支持UHF(915MHz)和HF(13.56MHz)频段的 RFID 读写器，它同

时支持UHF 和HF 频率协议，配有上述两种频率的天线，而且能够在EPC 和ISO

标准下实现与 IC 电子标签的通信。Philips 公司于2005 年开发出业界第一款适合

于EPC Class1 标准的芯片及相应的读写器。

从国内的情况来看，RFID 的技术基础还很薄弱，核心技术并不在自己手中，

缺乏具有自主知识产权的核心产品。天津中兴研究所开发的室外型读写器是首个

支持中国标准的RFID 读写器，同时符合EPC 协议和ISO 协议，可支持到 4个天

线，可以远程登陆控制、版本升级等。江苏瑞福智能科技在 05 年初步研发成功符

合EPC Class1 标准的RFID 读写器，它是国内首台具有自主知识产权的符合EPC

Class1标准的UHF频段读写器。深圳先施智能科技公司开发的SENSE-1820型UHF

频段读写器其单卡平均读取每32bits 需2ms，单卡平均写入每32bits 需40ms，最

大读取距离达7米，最大写入距离达4米。深圳远望谷信息技术有限公司开发的

XCRF-600 型读写器其最大读出距离达10 米，工作电源为交流160V-240V，可以

通过串口、以太网传输数据。

随着技术的进步，读卡器会朝着多接口多协议兼容方面发展，如数据无线传

输、3G 网络传输等。

§1.3 论文研究的主要内容

论文主要内容是设计基于POE 技术的高频读卡器，其设计目标是：支持

ISO14443 Type A/B 和ISO15693 标准协议，具有良好的防碰撞算法处理；可以直

接通过以太网络将数据传输到数据中心或者互联网；读卡器的读写距离达到4cm

第一章绪论

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到5cm；采用以太网供电技术。

针对读卡器中的相关技术，查阅了大量的中英文资料，主要工作是：

1. 射频芯片外围电路的设计，读卡器天线的设计，电源电路的设计，以太网

接口电路设计，及其硬件电路的原理图和PCB 板的绘制。

2. ARM 处理器中Linux 操作系统的移植。其中包括BootLoader 移植、内核移

植和文件系统的制作和移植。

3. 相应软件代码的编写。其中包括支持ISO14443 A/B 和ISO15693 标准协议

的代码程序，防碰撞算法程序，液晶屏显示程序。

4. 读卡器硬件部分、软件部分和系统的调试。

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摘要：

-6-摘要射频识别技术是一种通过电磁耦合方式工作的无线识别系统，具有抗干扰能力强、使用寿命长、无接触式信息传递等特点。目前，大部分射频读卡器都是采用RS232/485或CAN总线等接口与系统相连，读卡器采集到数据后，传输到计算机中，再通过互联网实现数据共享。另外，现有的读卡器中除了手持读卡器和手机内置读卡器外，都需要采用外接电源，对于某些应用场合，显得不便利。随着半导体技术、电子技术等的飞速发展，内部集成了POE标准协议电路的芯片的出现，使得基于以太网供电技术的射频读卡器的设计方案成为可能。以太网供电技术(PowerOverEthernet，POE)是一种集网络接入及供电于一体的技术，该技术是...

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