5321字开题报告低功耗便携式射频识别阅读器软硬件的设计与实现

低功耗便携式射频识别阅读器软硬件的设计与实现

开幕报告

内容

一、选题背景

二.研究的目的和意义

第三，本研究涉及的主要理论

第四，本文的主要内容和研究框架

(一)本研究的主要内容

(2)本文的研究框架

五、写作大纲

六、本文的研究进展

七、读过的文学作品

一、选题背景

射频识别技术产生于20世纪40年代，雷达技术催生了射频识别技术的理论。1948年，哈里·斯托克南(Harry Stockinan)发表了文章《使用事件功率通信》，奠定了射频识别技术的理论基础。20世纪50年代是射频识别技术的探索阶段。远程信号中继器的发明进一步扩大了远程识别系统的范围。然而，由于相关技术和理论的不完善，射频识别技术主要在实验室进行。20世纪60年代，射频识别技术开始受到越来越多的关注，一些简单的射频识别应用出现在日常生活中。例如，在早期的1位电子标签射频识别系统中，电子标签不需要电池，而是简单地附着在物品上。一旦它接近识别装置的读写器，就会发出警报。20世纪70年代是射频识别应用技术的发展时期。随着技术理论的不断进步，射频识别技术已经应用于交通、安全、医疗等相关领域，尤其是集成电路技术的发展。基于集成电路芯片的射频识别系统已经推出，射频识别技术的成本大大降低，产品研发正处于大发展时期。20世纪80年代是射频识别技术应用的成熟期。商业化的需求导致了射频识别技术的各种大规模应用，其中道路电子收费系统是应用最广泛的技术。同时，射频识别门禁系统也越来越完善。20世纪90年代见证了射频识别技术的快速发展。美国高速公路充分利用射频识别技术实现不停车收费。射频识别技术也出现在城市系统中。公共交通系统开始使用非接触式集成电路卡刷卡，学校和公司出现了非接触式集成电路刷卡消费。随着射频识别应用的扩展，为了使各个领域的射频识别系统和设备兼容，人们意识到应该建立一套完整的射频识别国际标准协议。许多国家和组织开始制定一系列相关标准，极大地推动了射频识别技术的快速发展。非接触式集成电路卡近年来在中国发展非常迅速，产品种类繁多，应用广泛。我国大中型城市已经在城市智能卡、电子收费和零售中广泛使用射频识别技术。非接触式集成电路读卡器有很多种类型。大多数产品使用51、PIC或AVR系列单片机。这些类型的单片机性能稳定，许多产品易于开发，是一个很好的选择。然而，当没有电源或使用电源不方便时，需要电池电源，并且由于产品体积的限制，许多电源由钮扣电池提供。在这种情况下，系统的功耗需要尽可能低。单片机的选择应具有低功耗的特点，并应支持睡眠模式。

二.研究的目的和意义

射频识别技术有着悠久的应用历史。早在伊拉克战争时期，射频识别技术就被充分利用和测试，使得战略物资得到精确配置。如今，随着电子信息技术的飞速发展，射频识别技术在各行各业有着丰富的应用实例。射频识别技术不仅仅限于金融领域，未来还将在智能家电、交通、旅游、医疗等行业推广。随着它越来越贴近人们的生活，将会开发出更丰富的应用程序，甚至取代一些传统行业。射频识别技术具有方便、轻便、可穿透和高存储容量的特点，使得该技术在传统产业和新兴产业都有广阔的市场和应用领域。想象一个场景，未来你走在一个陌生城市的大街小巷。你穿过具有独特特征的建筑，穿过具有独特特征的小房子。你特别想知道这个城市的一切。你拿起一个阅读器，扫走附着在建筑物上的射频识别标签。建筑物的一切都将显示在你的终端设备上，让你对这个城市有更深的印象。另一个例子是，当你来到龙门石窟，一个有着悠久历史的旅游胜地，从头到尾一个个看着外形相似的佛像。也许当你离开大门时，你会忘记大多数佛像是什么样子。也许你对了解这些佛像感兴趣，但毕竟景区的导游是有限的，导游周围的人群可能听不清楚。如果每个人在进入景区前都发出射频阅读器，并在每尊佛像旁边贴上射频识别标签，如果游客对哪尊佛像感兴趣，他们会扫描射频标签，所有关于佛像的信息都会显示给游客。另一个例子是花展和园游会，它们越来越受到普通人的关注。随着生活水平的提高，越来越多的人参观这些展览。然而，对大多数人来说，他们对各种展品的信息知之甚少。然而，由于空在展览公园或展厅的限制，不可能详细解释每个展览。即使有可能，对于几个或者甚至十几个人来说，通过使用电子显示屏同时查看电子屏幕上的信息也是不方便的。此外，每个人的阅读习惯都不一样，不能取得好的效果。如果每个进入展览区的参观者都有一个小型便携式阅读器，这个展览的信息将得到很好的传播。像这样的应用还有很多，比如博物馆、大型图书馆和大型展览。未来的世界是一个非接触的世界。随着物联网在我国的蓬勃发展，我相信在不久的将来物联网将融入我们的生活。我们将通过信息感知和掌握世界。射频识别作为物联网最基本的环节，也将有很大的发展并进入我们的生活。本课题的研究是设计一种超低功耗的便携式射频读卡器，通过它可以用射频识别目标对象，收集数据，然后以一定的方式通知用户。据信，在不久的将来，射频技术将取代条形码、二维码等识别技术成为人们的日常需求。该产品甚至可以嵌入手机等移动终端，收集数据后通过手机系统显示出来，使人们的日常生活更加方便和丰富。

第三，本研究涉及的主要理论

射频识别的通信都是数字通信，一般的射频识别通信距离在lOm内。射频识别通信可以根据阅读器和标签之间的通信距离进行分类。对于几米以上的长距离通信，微带天线用于向标签发射电磁波，而电磁耦合用于短距离通信。读取器和标签之间通信的本质是根据电磁场强度的变化来传输信息。根据标签和阅读器的能量传输方式，它们的通信方式可以具体分为感应称重、电磁反向散射耦合、紧密耦合和电耦合。(1)紧密称重:紧密耦合的通信距离为0.1厘米-1厘米。读取器和电子标签必须紧密地相互连接以进行通信。读取器和标签的通信原理类似于变压器。由于读取器和标签紧密连接，它们之间的通信磁场将相对较大，这不太适合来自外部的通信干扰。然而，缺点是它们在交流时必须紧密相连，不能克服障碍，使用也不太方便。因此，这种射频识别技术很少使用。(2)电磁反向散射亲和力:使用反向散射亲和力的射频识别系统通常具有大于10米的通信距离，该通信距离通常可以达到10米[i4]。通信原理与雷达相似。天线通常使用定向天线，如贴片天线，通过天线发射电磁波。电磁波在击中标签时会反射回来，并带回标签信息。反向散射亲和力的工作频率通常很高，通常为900兆赫、2.4兆赫、5.8兆赫等。(3)感应亲和力:本文讨论的标签是恩智浦公司生产的Mifare逻辑加密卡。它是一个无源转发器，提供来自阅读器的所有能量。与读取器的通信模式是感应称重模式。有效通信距离为1-lOcm，工作频率为13.56MHz。

我们在生活中接触到的射频识别系统基本上是13.56兆赫系统，使用感应称重通信。其通信距离一般约为5厘米，不仅能很好地感知卡，还能防止对长途卡的误感知。感应原理类似于紧凑称重原理。读取器和标签的线圈也类似于变压器的初级线圈和次级线圈。卡在其磁场中是通过阅读器发出的13.56兆赫电磁波找到的。卡的内部线圈形成一个液晶振荡电路。振荡电路谐振频率为13.56兆赫，能量从读卡器传输到卡上。当标签靠近读取器时，读取器的天线和标签的天线协作在标签上产生感应电压。集成电路卡的整流电路将把读取器磁场感应的感应电流整流成芯片可以使用的DC电流。由于感应称重和变压器称重的原理相似，读取器和标签之间的功率传输效率与工作频率f、应答器线圈的数量n、标签线圈包围的面积a以及读取器和标签感测的角度和距离成比例。通过计算，我们可以得出这样的结论:标签能够感应到的磁场强度在远离阅读器磁场的过程中呈下降趋势。在X/2Jt距离内，磁场强度迅速下降，约60dB/；10个八度，磁场在X/2II下降到20dB/10个八度。因此，可以看出电磁波的波长越长，读取器天线周围磁场的减小越慢，读取器和电子标签之间的电磁称重越有利。

第四，本文的主要内容和研究框架

(一)本研究的主要内容

随着电子产品的不断创新，人们越来越关注电子产品的舒适性和便携性。轻量级便携式智能可穿戴设备将成为未来的发展方向。便携式阅读器已经在物流、物品检测等地方得到应用。随着射频识别技术的发展，标签产品越来越多。在各种环境中交换标签信息时，通常需要低功耗的小型便携式阅读器。例如，当便携式阅读器需要在水中、沙漠和固定标签中移动时，便携式阅读器将是唯一的选择。因此，便携式、低功耗、小型射频识别阅读器是本文的研究内容。

本文的主要研究内容包括:1 .学习相关理论知识:nisp430 C语言编程、非接触式IS014443协议、智能卡技术、射频射频射频识别相关技术、Altium设计师原理图设计和印刷电路板设计、HFSS天线仿真等。2.硬件电路设计:包括msp430外围应用电路设计、rc522模块外围匹配滤波电路设计、天线电路设计、有机发光二极管驱动电路设计和电源电路设计。3.软件设计:CCS开发环境，Mifare卡，ISO14443协议。4.系统调试:阅读器硬件电路设计完成后，需要进行老化测试。示波器用于测试每个模块的正常操作以及电路是否传输错误。利用网络分析仪测试天线和匹配网络的参数，调整相关匹配网络组件的参数，使天线达到最佳工作状态。

本文共分为五章。每一章的安排如下:第一章简要介绍了射频识别系统，分析了射频识别技术的研究意义，总结了射频识别技术的发展现状和趋势，并讨论了其目前存在的问题。第二章介绍了射频识别系统的工作原理，包括射频识别阅读器所涉及的能量供应模式、称重模式、阅读器和标签的数据传输模式等理论知识，重点介绍了标签的负载调制，为高频电路的匹配奠定了基础。第三章对阅读器系统做了总体系统规划，包括总体功能、包含的模块以及各个模块的软硬件功能。第四章根据系统总体规划，对射频识别阅读器的各个模块进行了具体的硬件电路设计。详细阐述了硬件电路的芯片选择、各模块的工作原理以及各模块之间的通信原理。第五章介绍了射频识别系统接近国际标准IS014443协议，并结合软件编译器CCS和Mifare卡的工作原理设计了射频识别系统的软件。第六章介绍了系统的调试过程，分析了调试过程和结果，总结了整个工作，并讨论了产品今后可以进一步完善的地方。

(2)本文的研究框架

本文的研究框架可以简单表达如下:

五、写作大纲

摘要3-4

摘要4-5

1导言8-13

1.1研究背景8-9

1.2研究意义9-10

1.3射频识别技术发展现状和趋势10

1.4当前射频识别应用和发展面临的问题10-11

1.5主要研究内容和结构安排11-13

2系统工作原理13-24

2.1射频识别系统的物理基础13-18

2.1.1线圈13-14的自感和互感

2.1.2射频识别阅读器高频前端14-18

2.2系统能量供应和耦合模式18-19

2.3射频识别阅读器和电子标签19-22之间的数据传输模式

2.3.1负载调制19-21

2.3.2使用副载波21-22的负载调制

2.4数据传输、编码和调制22-24

3面向读者的整体系统规划24-29

3.1阅读器24的设计方向

3.2阅读器24-25的具体使用情况

3.3阅读器25-27的硬件规划

3.4面向读者的软件规划27-28

3.5总体系统规划28-29

4射频识别阅读器硬件设计29-43

4.1芯片选择29-30

4.2硬件电路设计30-43

4.2.1单片机电路设计30-31

4.2.2高频模块电路设计31-34

4.2.3天线和天线匹配电路设计34-39

4.2.4有机发光二极管电路设计39-41

4.2.5太阳能电源模块41-43

5射频识别阅读器软件设计43-56

5.1软件编译器44-45

5.2 msp430模拟器45

5.3 MIFARE卡45-47

5.4特定软件设计47-56

5.4.1高频读卡模块47-53的编程

5.4.2有机发光二极管显示器应用模块设计53-55

5.4.3主要编程55-56

6印刷电路板制造和系统调试56-58

7结论和展望58-60

7.1已完成的工作和结果58

7.2未来工作和前景58-60

参考文献60-63

学位申请期间的研究成果和发表的学术论文63-64

致谢64

六、本文的研究进展(略)

七、读过的主要文献

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