智能手机音频接口的UHF RFID读写系统设计

邓浩海,薛健

(兰州理工大学电气工程与信息工程学院,兰州730050)

智能手机音频接口的UHF RFID读写系统设计

邓浩海,薛健

(兰州理工大学电气工程与信息工程学院,兰州730050)

提出了一种基于智能手机音频接口的UHF RFID读写系统解决方案,该方案采用AS3992专用射频收发芯片,创新性地基于智能手机音频通信接口实现了对RFID读写器的控制。测试仿真结果表明,智能手机音频接口的UHF RFID读写系统使用方便、便携性好,系统无需无线配对,数据实时传输可靠性高。

音频接口;RFID;AS3992;曼彻斯特码;CPLD

引 言

射频识别(RFID)是一种通过射频载波来发现目标和进行无线数据交换的识别与跟踪技术[1-2]。与其他技术相比,RFID技术具有识别速度快、抗干扰能力强、安全性高、非接触等优点,可以极大地节省时间,提高服务质量,降低劳动成本,提高企业的生产效率。现有的RFID系统普遍存在主频低、便携性差的缺点,难以满足日益发展的社会应用需求[3-4]。

在移动互联网时代,智能手机已成为人们不可或缺的随身设备,基于数据线或移动网络与智能手机移动终端进行交互的APP、外设开发已成为当前的研究热点[5-6]。不同厂家的智能手机数据接口有所不同,在这种情况下,智能手机与外设的数据交互只能通过厂家专用的数据接口来完成,这导致不同智能手机的外设开发相对困难,成本较高。与此相反,智能手机生产厂家的音频接口标准统一,倘若使用手机的音频接口连接外部设备,完成智能手机与外设的数据交互,这样的实现方案有利于降低开发成本,提高外设的通用性与保密性[7-8]。

本文提出基于智能手机音频接口的UHF RFID读写系统,主要分为硬件系统和软件系统两个部分。硬件部分主要包括音频信号双向处理单元设计、数据编解码单元设计、控制核心单元设计、RFID单元设计;软件部分主要分为驱动层设计、APP应用层设计。

1 系统的硬件设计

1.1 系统硬件的总体设计

基于音频接口的数据传输方案,可以弥补智能终端与外设数据通信接口不一致的缺陷,音频通信接口的数据交互设计的重点在于如何通过模拟信号进行通信。系统的硬件结构如图1所示,手机APP应用程序为人机交互界面,通过APP可以实现对手机外设UHF RFID读写器的控制与数据交互[9-10]。

本系统音频接口双向通信的实现原理是:从终端到外设,手机APP将需要传输的数据按照协议规范转换成音频信号。将特定频率(22 k Hz)的音频信号转换为曼彻斯特编码的直接数字传输方案更为稳定高效,该方案不需要进行载波调制和解调,基于CPLD的曼彻斯特解码单元将曼彻斯特码解码为串口信号送入RFID读写单元中,完成数据的传输。从外设到终端,RFID读写单元先将串口数据发送至基于CPLD的曼彻斯特编码单元,然后将曼彻斯特码通过音频处理单元转换为特定频率的音频信号送入智能手机中,手机APP监控数据输入,并把输入的音频信息转换成可识别的指令[11-12]。

图1 系统硬件结构图

1.2 音频信号双向处理单元的设计

音频信号双向处理单元的功能是实现智能手机模拟音频信号与曼彻斯特码之间的转换。智能手机的音频接口主要有OMTP和CTIA两种标准,电路图如图2所示。这两种标准的主要区别是麦克风和地位置相反,本文采用二级回路作自动识别控制。音频接口至数据编解码单元的功能就是将模拟音频信号转换为曼彻斯特码。

图2 耳机音频接口电路图

比较器回路电路图如图3所示,其功能是识别当前连接的音频接口类型。

图3 MIC和GND识别电压比较器电路图

模拟开关配置如图4所示,其功能是将音频接口的正确MIC/GND与编解码单元连接。

音频信号转曼彻斯特码电路图如图5所示,其功能是将音频信号转换为曼彻斯特码。

曼彻斯特码转音频信号电路图如图6所示,其功能是将曼彻斯特码转换为音频信号。

1.3 双向数据编解码单元设计

基于CPLD的双向数据编解码单元,其功能是实现曼彻斯特码与串口信号的双向转换,本设计中选用Altera公司的CPLD芯片。图7和图8分别是曼彻斯特、串口双向编解码单元的ModelSim仿真图。

1.4 控制核心单元设计

本设计控制核心采用基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低成本、低功耗的32位嵌入式微处理器STM32F103,其工作频率为72 MHz,32 KB Flash闪存,芯片内部集成UART、ADC、SPI、I2C、USB、CAN等多种功能接口[13]。

图4 模拟开关电路图

图5 音频信号转曼彻斯特码电路图

1.5 RFID单元设计

本设计采用的RFID读写芯片是奥地利微电子公司生产的AS3992芯片,这是一款超高频RFID读写芯片,其工作频率为840～960 MHz,芯片内部集成完整的射频调制/解调模块、CRC码校验模块,支持ISO18000-6B/C协议,该芯片的应用可以大幅降低系统的开发难度和复杂程度,提高系统的稳定性[14-15]。

图6 外设至音频接口的回路

2 系统的软件设计

2.1 系统软件的总体设计

系统上电复位后,智能手机APP通过音频接口向外设RFID单元发送指令,外设RFID单元对指令类型进行识别并执行相应操作,系统软件流程图如图9所示。

图7 基于CPLD曼彻斯特码解码单元ModelSim仿真图

图8 基于CPLD串口双向编码单元ModelSim仿真图

图9 软件系统流程图

2.2 系统驱动层的软件设计

系统驱动层的主要功能是基于STM32控制器实现对射频读写芯片AS3992的操作,包括完成相应寄存器配置与命令的操作。

3 实验与分析

实验采用三星GALAXY Note3智能手机,Android 4.4.2操作系统。系统调试结果如图10所示,图中显示的是智能手机APP读取到的RFID标签PC+EPC数据。

图10 手机APP单标签测试结果

结 语

本文实现了一种基于智能手机音频接口的UHF RFID读写系统,创新性地基于音频接口实现了智能手机终端与外设RFID设备之间的信息交互。实验测试结果表明,该系统使用方便、便携性好,数据实时传输可靠性高。

[1]张彦,陈积明.RFID与传感器网络:架构,协议,安全与集成[M].北京:机械工业出版社,2012.

[2]刘占杰,张艳,赵阳.S3C6410和CR95 HF的RFID读卡系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2014,14(6):76-79.

[3]Li H S,Bian G R,He N H.Network Design and

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UHF RFID Reader System of Intelligent Mobile Phone Audio Interface

Deng Haohai,Xue Jian

(College of Electrical and Information Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

A solution of UHF RFID read and write system based on the intelligent mobile phone audio interface is proposed.A dedicated chip RF transceiver AS3992 is used.Based on the intelligent mobile phone audio communication interface,the control of the RFID reader is realized.The test results show that the UHF RFID reader system is easy to use,and this system has advantages of good portability, wireless system without pairing and high real-time data transmission reliability.

audio interface;RFID;AS3992;Manchester;CPLD

TP302

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