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1、实验一 LF 低频 RFID实验一、实验目的1.1了解 ID卡内部存储结构1.2掌握符合 ISO 18000-2标准的无源 ID卡识别系统的工作原理1.3掌握符合 ISO 18000-2标准的无源 ID卡识别系统的工作流程1.4 掌握本平台 ID模块的操作过程二、实验设备硬件：RFID 实验箱套件，电脑等。软件：Keil，串口调试助手。三、实验原理3.1 低频 RFID系统与 ID卡低频 RFID系统读卡器的工作频率范围一般从120KHz 到134KHz。该频段的波长大约为2500m，除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。低频 RFID系统使用 ID卡，全称为
2、身份识别卡(Identification Card)，作为其电子标签。ID卡是一种不可写入的感应卡，其内部唯一存储的数据是一个固定的 ID卡编号，其记录内容(卡号)是由芯片生产厂商封卡出厂前一次性写入，封卡后不能更改，开发商只可读出卡号加以利用。ID 卡与我们通常使用磁卡一样，仅仅使用了“卡的号码”而已，卡内除了卡号外，无任何保密功能，其“卡号”是公开、裸露的。目前市场上主要有台湾 SYRIS的EM、美国 HID、TI、MOTOROLA 等各类 ID卡。本实验平台使用 EM系列 ID卡，它符合 ISO 18000-2标准，工作频率为125KHZ，后续的讲解也围绕这种标签展开。ID 标签中保存的
3、唯一数据标签标识符（UID）以 64 位唯一识别符来识别。UID 由标签制造商永久设置，符合 ISO/IEC DTR15693。UID 使每一个标签都唯一、独立的编号。UID 包含（图2.1）： 固定的8位分配级“EO” 根据 ISO/IEC 7816-6/AM1定义的8位 IC制造商代码 由 IC制造商指定的唯一48位制造商序列号 MSN图 1.1 UID结 构 图3.2 ISO18000-2 标 准实验平台的低频 ID模块符合 ISO18000-2标准。询问器载波频率为125KHZ。ISO18000-2标准中规定了基本的空中接口的基本标准： 询问器到标签之间的通信采用脉冲间隔编码； 标签与
4、询问器之间通过电感性耦合进行通信，当询问器以标准指令的形式访问标签时载波需加载一个4K 位/秒曼彻斯特编码数据信号； 调制采用 ASK调制，调制指数100%； 在实际通信系统中，很多系统都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，是载波的这些参量随基带信号的变化而变化。由于正弦信号形式简单，便于产生和接收，大多数数字通信系统中都采用正弦信号作为载波，即正弦波调制。数字调制技术是用载波信号的某些离散状态来表示所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制方式，一般有振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种基本调制方式，如图2.
5、2所示：图 1.2 数 字 调 试 方 式在二进制振幅键控(ASK)方式下，当基带信号的值为1时，载波幅度为 u1；当基带信号的值为0时，载波幅度为 u2。定义调制系数为 M=(u1-u2)/(u1+u2),当 u2为0时，调制系数m=100%。图 1.3 振 幅 键 控 调 制 射 频 工 作 区 的 载 波 频 率 125KHz； 工 作 频 率 精 度 0.1kHz之 内 ； 标 签 以 64位 唯 一 识 别 符 来 唯 一 识 别 ；更 多 内 容 参 考 ISO 18000-2。3.3 低 频 RFID系 统 读 卡 器本实验平台使用 EM系列 ID卡，符合 ISO 18000-2
6、标准，工作频率为125KHZ，经读卡器译码后输出其十位十进制卡号。图2.4是 ID卡及其读卡器的工作原理框图,其中上半部分是 ID卡的内部组成结构;下半部分是 ID读卡器的组成结构。ID卡的天线与其读卡器的天线之间构成空间耦合“变压器”,读卡器天线作为“变压器”初级线圈向空间发射125KHz 的交变电磁场,进入该电磁场的 ID卡通过其天线(“变压器”的次级线圈)获取能量,为其内部各功能部件提供工作电压。由于 ID卡为只读型 RFID卡,读卡器无须向 ID卡发送任何数据或指令,一旦 ID卡进入读卡器有效的工作区域内,其内部功能部件就开始工作,时序发生器部件控制存储器阵列和数据编码单元将其内部的6
7、4位信息调制后按顺序发送给读卡器,其中调制方式为 ASK(移幅键控)调制。图1.4 ID 卡及读卡器的组成结构读卡器中的4MHz 振荡源经过32分频后得到125kHz 的基准频率信号,该频率一方面为读卡器发射125kHz 的交变电磁场提供工作时钟,另一方面为读卡器中微控制器解码提供基准时钟.当读卡器的工作区域内没有 ID卡时,读卡器的检波电路没有输出,一旦有 ID卡进入交变电磁场并将其曼彻斯特编码的数据信息调制后发送出来,读卡器的滤波电路、解调电路、检波电路和整形单元将调制在125kHz 频率信号中的采用曼彻斯特编码的数据信息解调还原,微控制器接收到曼彻斯特编码数据信息后利用软件解码,从而读取
8、 ID卡的64位数据信息。ID卡内部的曼彻斯特编码和原始数据信息关系见图2.5。曼彻斯特编码采用下降沿表示1采用上升沿表示0。读卡器的微控制器软件的主要功能就是对从 ID卡接收到的曼彻斯特编码进行解码,得到 ID卡内部的64位数据信息,然后进行 CRC校验,如果校验成功,那么就完成了一次读卡过程。图 1.5 曼彻斯特编码和原始数据信息关系低频 RFID系统工作流程如下：1) 读卡器将载波信号经天线向外发送；2) 标签中的电感线圈和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号，标签中芯片的射频接口模块由此信号产生出电源电压、复位信号及系统时钟，使芯片“激活”；3) 标签中的芯片将标签内存储的数据经
9、曼彻斯特编码后，控制调制器上的开关电流调制到载波上，通过标签上天线回送给阅读器；4) 阅读器对接收到的标签回送信号进行进行 ASK解调、解码后就得到了标签的 UID号，然后应用系统利用该 UID号完成相关的操作。简述上面的过程，我们可以把低频 RFID 读卡器的功能减单描述为：读取相关 ID 卡卡号，并把该卡号发送到应用系统上层，由上层系统完成相关数据信息的处理。由于 ID 卡卡内无内容，故其卡片持有者的权限、系统功能操作要完全依赖于上层计算机网络平台数据库的支持。四、实验过程4.1 为实验箱上电，将低频模块旁的 S4 DB9选择开关拨打至 DB9接头一侧，此时，UART4号 DB9接头与节点
10、3上的低频模块通信。4.2 将 PC 机的串口与 UART4 DB9串口相连，在 PC 机上打开 物联网 RFID 实验箱配套光盘 物联网综合 RFID 实验箱 应用程序 目录下的 ComAssistan.exe 应用软件，选择正确的端口号并进行如图1.6所示的配置，并“打开串口”图1.64.3 取出实验箱配套的低频 RFID标签（注意，低频高频特高频三种标签均是白卡包装，其中低频标签的一面上有数字），进行刷卡操作，会在串口调试助手软件的显示区返回低频卡的卡号如图1.7所示，值得注意的是此时的返回值是以十六进制表示的（本例中为00981ABB），而低频标签上的数值是十进制表示，大家可以用计算机进行转换，观察标签号是否正确。图1.7
