低功耗便携式射频巡更读写器设计

　本文介绍一款便携式巡更机（射频读写器）的设计。该读写器主要由MCU、射频IC卡读写模块、天线及USB通信接口等部分组成。为了方便对巡更情况的实时记录，系统采用了具有时间基准功能的时钟芯片。

　　随着近年来智能小区、智能大厦的迅猛发展，巡更系统将有着广泛的应用前景。手持式读写器的主要开发指标包括微型化、低功耗、便携式及方便的数据传输接口。

　　读写器总体设计方案

　　便携式IC卡读写器主要由电池供电。由于读写器不断发射无线电波，功耗较大，所以必须从每一个细节来考虑如何降低功耗，从而尽可能地延长电池的使用时间。硬件上采用低功耗设计，如低功耗器件、低压、模块化供电等；软件上采用规模化设计，尽量减少处理器的工作时间，使其处于低功耗运行模式。

　　读写器的设计要达到以下要求：具有自检功能，开机时能首先自检设备有无故障；能够准确、快捷地读取非接触式IC卡内的信息；具有声光报警电路；电池直接供电，可由3节AA镍氢电池供电，开机静态电流不大于10mA，工作电流不大于40mA；具有USB通信接口；体积小，成本低，性能稳定可靠。

　　系统功能概述

　　根据不同场合对巡更系统的要求，需要及时了解巡更人员巡逻的情况，以确保小区、商场、铁路沿线等场合的安全。

　　因此，本系统应具有以下功能：在确定的巡更线路上安装一系列代表不同点的射频卡，到达各点时巡更人员用手持式巡更机靠近巡道检测点，把代表该点的卡号和时间同时记录下来；巡更完成后巡更机把采集到的信息通过USB接口芯片存储到U盘中或直接传给计算机软件处理。

　　系统硬件设计

图1 便携式射频读写器的原理框图

图2 主控模块电路原理图
2 射频模块设计

　　读写模块是射频IC卡与外界通信的媒介，读写模块连接着的天线与IC卡线圈产生共振，进行数据传递，完成读写模块与卡之间的通信。本设计使用的 FM1702N支持13.56MHz频率下TYPE A 非接触通信协议，它是与非接触式IC卡实现无线通信的核心模块，也是关键接口芯片。它根据寄存器的设计对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，通过由TX1、TX2引脚驱动的天线以电磁波的形式发出去，IC卡采用RF场的负载调制进行响应。天线拾取IC卡的响应信号经过天线匹配电路送到RX引脚，FM1702N内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。处理后的数据发送到并行接口由MCU读取。

　　3 天线设计

　　为了与非接触式IC卡进行通信，读写器必须有能发射和接受射频信号的天线。可以针对不同的应用设计不同大小和形状的天线。天线设计具体步骤为：设定读写器工作环境，优化读写器与应答器之间的耦合系数，确定天线线圈和电容。

　　非接触式IC卡天线利用电感耦合产生磁通，磁通用来向应答器提供电源，并且在两者间传输数据。因此对读写器天线的构造有以下几个基本要求：使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量Φ；功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；足够的带宽以无失真地传送数据调制的载波信号。

　　4 蜂鸣器驱动电路设计

　　蜂鸣器是在每次读卡操作不成功的时候发出报警指示音。由于MCU的I/O口驱动能力有限，一般不能直接驱动压电式蜂鸣器，因此选用一 PNP 型晶体管组成晶体管驱动电路，MCU I/O口（P3.4）输出经驱动电路放大后即可驱动蜂鸣器。本设计选用蜂鸣器的工作电流为10mA，其驱动电路如图3所示。

图3 蜂鸣器驱动电路
5 时钟电路设计

　　实时时钟采用低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片PCF8563实现，PCF8563提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，其所有地址和数据通过I2C 总线接口串行传递（由STC89LE58R的P1.6和P1.7构成模拟I2C串行口）。时钟电路主要是采集实时时间，以便进行实时跟踪记录。同时考虑到PCF8563为实时时钟芯片，在没有外接电源时仍然要求连续供电，以保持时间的准确无误。所以，该部分电路还加了掉电保护功能。

　　6 通信接口设计

　　本系统采用USB进行通信，USB接口芯片采用的是CH375，支持HOST主机方式和SLAVE设备方式。在USB主机方式下，CH375提供了并行和串行两种通信方式，本次设计中采用并口通信方式，通过8位被动并行接口的D7～D0、RD、WR、A0、CS直接挂接到MCU的系统总线上，电路连接简单。CH375内置了处理海量存储设备的专用通信协议的固件，所以读写器系统的MCU可通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通信，可将U盘作为可移动的大容量存储器，无须详细了解USB通信协议，便可能数据进行读写操作。

　　系统软件设计

　　系统软件设计主要分为三部分，即对FM1702N的应用程序设计、USB接口程序设计和主程序设计。

读写器从休眠中被唤醒后进行卡