余海洋, 曹志良, 劉紹波

(重慶工商職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，重慶　401520)

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基于射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的汽車防盜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

余海洋, 曹志良, 劉紹波

(重慶工商職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，重慶401520)

摘要：作為熱門的電子產(chǎn)品之一，射頻識(shí)別裝置受到市場(chǎng)的追捧，射頻電子技術(shù)的市場(chǎng)潛力非常巨大，論文將射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification Technology)應(yīng)用在汽車防盜系統(tǒng)中，文中提出的射頻識(shí)別裝置由兩部分組成，分別是汽車啟動(dòng)頂部的應(yīng)答器和內(nèi)部的閱讀器構(gòu)成，對(duì)整個(gè)裝置的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，首先搭建硬件系統(tǒng)的整體框架進(jìn)行，重點(diǎn)對(duì)射頻卡讀寫(xiě)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含射頻電源和外圍元件的選擇以及射頻電路的設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)研究了讀卡和寫(xiě)卡軟件設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的時(shí)序圖和程序流程圖，達(dá)到了射頻程序可靠讀寫(xiě)的目的；結(jié)論表明，射頻識(shí)別裝置避免了市場(chǎng)上使用電池遙控裝置，有效地實(shí)現(xiàn)了汽車防盜的目的。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別技術(shù)；汽車防盜系統(tǒng)；讀寫(xiě)電路；串行通信程序

0前言

信息化技術(shù)的飛速發(fā)展給現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)方面帶來(lái)顯著地變化，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化的必須環(huán)節(jié)。射頻(Radio Frequency)技術(shù)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始興起，迅速波及到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，例如：票務(wù)、門禁、刷卡等業(yè)務(wù)，給人們的生活的各方面帶來(lái)巨大的改變，作為熱門的電子產(chǎn)品之一，射頻識(shí)別裝置受到市場(chǎng)的追捧，射頻電子技術(shù)的市場(chǎng)潛力非常巨大[1-3]。

為此，本文開(kāi)展射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification Technology)在汽車防盜裝置中的研究，本文提出的射頻識(shí)別裝置有兩部分組成，分別是汽車啟動(dòng)頂部的應(yīng)答器和內(nèi)部的閱讀器構(gòu)成[4-5]，對(duì)整個(gè)裝置的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，首先搭建硬件系統(tǒng)的整體框架進(jìn)行，重點(diǎn)對(duì)射頻卡讀寫(xiě)電路的進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含射頻電源和外圍元件的選擇以及射頻電路的設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)研究了讀卡和寫(xiě)卡軟件設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的時(shí)序圖和程序流程圖，達(dá)到了射頻程序可靠讀寫(xiě)的目的。

1射頻識(shí)別技術(shù)概述

射頻識(shí)別系統(tǒng)[6]通常由兩個(gè)部分組成，應(yīng)答器裝置，通俗稱為射頻卡，閱讀器裝置，通俗稱為讀卡器，應(yīng)答器作為信息的載體，通常是由個(gè)人攜帶，放置于要識(shí)別的裝置上面，閱讀器能夠正確識(shí)別并讀取應(yīng)答器中的信息，射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成方案如圖1所示。

圖1　射頻識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

應(yīng)用RFID的汽車防盜系統(tǒng)包括鑲嵌在汽車鑰匙頂部的應(yīng)答器和融合在汽車點(diǎn)火裝置中的閱讀器。下面對(duì)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

使用一個(gè)對(duì)應(yīng)識(shí)別碼的鑰匙插入汽車開(kāi)關(guān)后，包含在鑰匙中的應(yīng)答器通過(guò)天線發(fā)射一個(gè)獨(dú)特編碼的信號(hào)送至閱讀器中，閱讀器對(duì)天線傳送的信號(hào)進(jìn)行解碼，并與微處理器內(nèi)存代碼進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)一致，控制模塊啟動(dòng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，否則會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，應(yīng)答器發(fā)送的信號(hào)是32位密碼加密的，避免了信號(hào)被其他接收機(jī)破解[7]。

包含RFID的汽車防盜裝置由以下幾部分組成，單片機(jī)控制部分，射頻卡讀寫(xiě)電路部分，語(yǔ)言報(bào)警和電源監(jiān)控部分以及應(yīng)答器和其他附件部分，下面重點(diǎn)對(duì)射頻卡的讀寫(xiě)電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

2.2射頻卡讀寫(xiě)電路的設(shè)計(jì)

讀寫(xiě)電路的基本功能就是發(fā)射射頻信號(hào)，通過(guò)天線傳輸給應(yīng)答器，同步提供電源以及信號(hào)的編譯和解調(diào)，與微處理器雙向同步數(shù)據(jù)傳輸，讀寫(xiě)電路的硬件部分主要包含基站芯片電源以及對(duì)應(yīng)的外圍電路和讀寫(xiě)天線等部分[8]。

2.2.1電源設(shè)備的選擇

電源設(shè)備對(duì)系統(tǒng)電路安全穩(wěn)定有決定作用，本文給出的基站芯片有很便捷的供電模式，采用一個(gè)穩(wěn)壓或者沒(méi)有穩(wěn)壓的7~16 V的外部電源或者兩個(gè)已經(jīng)穩(wěn)壓的5~8 V電源供電，電源的主要的引腳由以下組成，VEXT作為天線預(yù)留的激勵(lì)器電源電壓，可以用作外部電路的供電，天線線圈的電壓為DVs，與NPN晶體管綁定，其余電路的電壓由Vs提供，在低功耗運(yùn)行狀態(tài)下，STANDBY引腳斷開(kāi)Vs的內(nèi)部電路，VBATT是電池電源的輸入端，供電方式如圖2所示。

圖2　基站芯片的電池供電工作方式

2.2.2外圍設(shè)備元件的選擇

天線振蕩器中的電阻值可以用以下公式確定[9]：

(1)

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算得到天線的諧振頻率f0=125 kHz,計(jì)算得到合適的電阻值為110 Ω。由于讀寫(xiě)器諧振線圈的高壓值為130 V，所以相應(yīng)的耐壓值也要大于160 V。

外部調(diào)節(jié)電路中的耦合電容對(duì)調(diào)解信號(hào)具有高通濾波作用，基站芯片自帶的低通濾波器具有消除高頻干擾的作用，二者的組合形成了類似于帶通濾波器的，其頻率響應(yīng)為高通特性下的最低截止頻率，表1給出了對(duì)常用的數(shù)據(jù)率下耦合電容C2的取值。

表1　常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸率與耦合電容的關(guān)系

去耦電容CHP的引腳HIPASS是通過(guò)一個(gè)電阻與其相連，其下限截止頻率為fcut由公式(2)計(jì)算可得，Ri的默認(rèn)值為2.5 kΩ：

(2)

(3)

對(duì)于要求較高的增益，則需要采用電容CHP直流去耦，下限頻率fcut的計(jì)算公式如下所示：

(4)

同樣的，表2給出了對(duì)常用的數(shù)據(jù)率下去耦電容CHP的關(guān)系。

表2　常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸率與去耦電容的關(guān)系

2.2.3射頻讀寫(xiě)電路的設(shè)計(jì)

基站芯片的形式與磁耦合因子有關(guān)，磁耦合因子K和讀寫(xiě)距離以及天線線圈相關(guān)，表3為磁耦合因子對(duì)應(yīng)的應(yīng)用電路形式[10]。

表3　磁耦合因子與對(duì)應(yīng)的電路形式

圖3為本文設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)射頻電路，射頻載波允許/禁止端(CFE)以及數(shù)據(jù)輸出(OUTPUT)，分別跟單片機(jī)的I/O線連接，用數(shù)據(jù)卡進(jìn)行讀寫(xiě)。

圖3　基站芯片的應(yīng)用電路

本文提出的設(shè)計(jì)電路中，給出了相應(yīng)的頻率調(diào)整的環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)整天線振蕩器回路的諧振電容，使諧振器的頻率與應(yīng)答器頻率同步，振蕩器的控制回路如圖4所示。

圖4　二極管反饋的振蕩器控制回路圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1讀卡軟件設(shè)計(jì)

讀卡軟件設(shè)計(jì)有兩個(gè)關(guān)鍵步驟，第一個(gè)步驟是信號(hào)的接收和調(diào)整，IC卡發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)基站天線接收后，由基站芯片處理后將數(shù)據(jù)流發(fā)送給微處理器，第二個(gè)步驟就是微處理器根據(jù)輸入信號(hào)的高低電平來(lái)判斷是否進(jìn)行模擬解碼操作。

本文的數(shù)據(jù)卡中寄存器參數(shù)編碼為曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)位的輸出速度是RF/32，計(jì)算下來(lái)每一位的數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間是1 P=32/125 kHz=256 μs，在一整串?dāng)?shù)據(jù)序列中，相鄰位為跳變時(shí)間間隔為1 P。圖5為IC的讀卡程序流程圖，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)波形信號(hào)調(diào)整。

圖5　IC卡讀卡流程圖

編寫(xiě)讀卡程序需要考慮以下問(wèn)題：

1)IC卡的發(fā)射數(shù)據(jù)的順序需要遵循數(shù)據(jù)塊的順序，從第一區(qū)到最大區(qū)域循壞發(fā)射，不能將順序發(fā)送錯(cuò)。

2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)字節(jié)的地址需要注意，字節(jié)的移位方向和字節(jié)間的地址變化要一致，否則將會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)高低位和實(shí)際順序不同的情況。

3.2寫(xiě)卡軟件設(shè)計(jì)

基站和IC卡之間的數(shù)據(jù)交換是雙向互動(dòng)的，基站發(fā)送命令共有4種格式。4種命令實(shí)現(xiàn)的4種功能如圖6所示。

圖6　4種命令格式對(duì)應(yīng)的4種功能

基站發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，加載到發(fā)射信號(hào)中，基站芯片采用可變天線負(fù)載的信號(hào)編碼方式，通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉天線產(chǎn)生信號(hào)間隔來(lái)編碼，起始間隔的時(shí)間大于數(shù)據(jù)間隔，方便與射頻卡進(jìn)行同步，時(shí)間的間隔要根據(jù)程序設(shè)定，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，射頻區(qū)域狀態(tài)如圖7所示。

圖7　發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)RF區(qū)域狀態(tài)

編寫(xiě)寫(xiě)卡程序需要注意如下問(wèn)題,同讀卡程序一樣，寫(xiě)卡的時(shí)候也要注意數(shù)據(jù)的高低位問(wèn)題，寫(xiě)入順序的問(wèn)題非常關(guān)鍵，不能錯(cuò)誤的寫(xiě)到下一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，另外數(shù)據(jù)移位的問(wèn)題也很麻煩，寫(xiě)卡流程圖如8所示。

圖8　IC卡寫(xiě)卡流程圖

4設(shè)計(jì)總結(jié)

本文開(kāi)展射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification Technology)在汽車防盜裝置中的研究，提出的射頻識(shí)別裝置有兩部分組成，分別是汽車啟動(dòng)頂部的應(yīng)答器和內(nèi)部的閱讀器構(gòu)成，對(duì)整個(gè)裝置的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，首先搭建硬件系統(tǒng)的整體框架，重點(diǎn)對(duì)射頻卡讀寫(xiě)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含射頻電源和外圍元件的選擇以及射頻電路的設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)研究了讀卡和寫(xiě)卡軟件設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的時(shí)序圖和程序流程圖，達(dá)到了射頻程序可靠讀寫(xiě)的目的。本文給出的裝置避免了市場(chǎng)上使用電池遙控裝置，有效地實(shí)現(xiàn)汽車防盜的目的。

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更正

2015年第12期第4002頁(yè)《基于WiFi和虛擬儀器的噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》一文中，表1更正為：

表1　某工程項(xiàng)目噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果

《計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制》雜志社

2016.2.

Design of Car Alarm System Based on Radio Frequency Identification Technology

Yu Haiyang, Cao Zhiliang, Liu Shaobo

(Automotive Engineering Vocation College, Chongqing Technology And Business Institute, Chongqing401520,China)

Abstract:RFID system is one of the market's most popular electronic products, radio frequency technology industry has good prospects for the industry. This paper carried a radio frequency identification technology (RFIT) in automobile anti-theft device research, radio frequency identification device proposed consists of two parts, namely, the transponder and the internal reader constitute the entire device hardware and software design and development, the first to build a hardware system's overall framework, focusing on RF card reader circuit design, including design choices and RF power RF circuits and peripheral components, software system design, focuses on reading cards and write card software design, and the corresponding timing diagram and flowchart program make the radio program reliable reading and writing purposes. It means this paper avoids the use of battery remote control device on the market, effectively achieve the purpose of anti-theft of car.

Keywords：RFID; car alarm system; write circuit; serial communication program

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0144-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.039

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：余海洋(1981-)，男，湖北隨州人，講師，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)方向的研究。曹志良(1976-)，男，四川內(nèi)江人，副教授，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)方向的研究。劉紹波(1976-)，男，重慶大足人，教授，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)方向的研究。

收稿日期：2015-07-29；修回日期：2015-09-01。