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基于射频识别技术的汽车防盗系统设计与实现
  • 2008-01-11
  • 11669
  • 引言


      射频识别技术(RFID,即Radio Frequency I-dentification)是从20世纪80年代开始走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触式双向通信方式来交换数据以达到识别目的。可用于识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡,而且操作快捷方便,不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境,特别适合于实现系统的自动化且不易损坏。本文介绍的射频识别系统是将射频识别技术应用到汽车防盗系统中的一次成功尝试。


    1 RFID汽车防盗系统概述


      随着科技的发展,汽车防盗装置日趋严密和完善,目前防盗器按其结构与功能可分四大类:机械式、电子式、芯片式和网络式,虽然各有优劣,但汽车防盗的发展方向则向智能程度更高的芯片式和网络式发展。 RFID汽车防盗系统属于芯片式防盗系统,它是RFID的新应用。由于这是一种足够小的、能够封装到汽车钥匙当中并含有特定码字的射频卡。该系统在汽车方向盘下安装有阅读器,阅读器离点火钥匙的距离小于7厘米,当插入一把带有应答器的正确钥匙并打到"M"位时,汽车防盗系统上电工作,阅读器读取到有效的 UID号,系统语音提示钥匙正确,并自动完成对码、解锁发动机电脑,否则语音报警,发动机电脑处于闭锁状态,发动机管理系统(EMS)锁定油路和引擎,发动机点火和喷油的控制被切断,汽车无法启动,汽车的中央计算机也就能容易地防止短路点火,实现防盗功能。


    2 RFID汽车防盗系统组成原理


      RFID系统为该汽车防盗系统的核心组成部分。一般由标签(TAG,即射频卡)、阅读器、射频天线三部分组成。标签由耦合元件及芯片组成,含有内置天线,用于和射频天线间通讯;阅读器用于读取(在读写卡中还可以写入)标签信息;射频天线用于在标签和读取器间传递射频信号。系统的基本工作流程是阅读器通过射频天线发送一定频率的射频信号;射频卡进入射频天线工作区域时即产生感应电流,射频卡获得能量被激活,然后由射频卡将自身编码等信息通过卡内天线发送出去;射频天线接收到从射频卡发送来的载波信号,并经调节器传送到阅读器后,阅读器对接收的信号进行解调和解码,然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,同时针对不同的设定做出相应的处理和控制,并发出指令信号控制执行机构动作。


    3 RFID汽车防盗系统硬件设计


      本RFID汽车防盗系统以RFID系统为核心组成。汽车防盗系统硬件控制单元选用Motorola(Freescale)的16位单片机 MC9S12D64,射频识别系统由阅读器S6700、应答器TAG-IT和射频天线组成。此外,系统还包括存储电路(AT24C01),检测电路,语音电路和CAN总线通讯电路。RFID汽车防盗系统的硬件设计框图如图1所示。


    RFID汽车防盗系统硬件设计


      本系统中的控制单元单片机MC9S12D64延续了飞思卡尔半导体在车用微控制器领域的优良传统,是以速度更快的S12内核(Star Core)为核心的MC9S12系列单片机成员,这两种器件管脚兼容,存储器可以得到升级。并且片内有多种外围设备可供选择。MC9S12D64共有8种工作模式,模式的设定可通过复位期间采集BKGD、MODB、MODA三个引脚的状态来实现,这样可增强应用的可选择性。


      控制单元主要负责与应用系统软件进行通信、执行应用系统软件发来的命令、控制与射频卡的通信过程(主-从原则)及信号的编解码、对一些特殊的系统还要执行反碰撞算法、对射频卡与阅读器问要传送的数据进行加密和解密,以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。


      S6700 IC卡读写多协议收发器与应答器TAG-IT共同组成射频系统,S6700采用13.56 MHz工作频率。并具有防冲突机制。由于S6700采用的是曼彻斯特编码方式,故能允许多张卡同时读写而不会发生冲突。典型发送功率为200 mW。它支持的协议包括TI TAG-IT协议、ISO/IEC15693-2协议和ISO/IEC 14443-2协议。S6700与CPU的接口为同步串行接口(SPI)。SCLOCK、DIND、OUT分别为时钟线、数据输入线、数据输出线。时钟线为双向,DOUT在接收数据期间用于数据输出,而在发送数据期间则用来指示S6700内部FIFO寄存器的情况。


      应答器TAG-IT完全兼容ISO/IEC15693协议。卡内有64位的UID(卡号)和8位的AFI (应用识别号)、8位的DSFID(数据存储格式),其中UID是不可修改的。另外,卡内有2 KB的EEPROM,分成64块,每块32Bit,每个块均可锁定,以保护数据免于修改。射频系统的阅读器电路设计图如图2所示。


    射频系统的阅读器电路设计



      AT24C01是具有I2C总线的1K位电可擦除存储器,具有独立的写周期(最大10 ms),上电后可在线编程数据,失电时能长期保存结果,这样可以有效地防止人为对汽车电源的破坏。AT24C01存储相应的TAG-IT的UID号,用于与读取的应答器的UID进行核对。语音电路以ISD5216集成语音芯片为核心,ISD5216具有录音播放能力和4MB的数字资料存储功能,结合调理和功放电路实现多段语音的录放,从而方便地实现了RFID防盗系统的安全提示和报警功能。检测电路用来检测汽车的各种状态信息,检测到的状态信息包括车门的检测,对电源,刹车等信号的检测。MCU通过检测到的状态信息做出判断决策,通过执行机构控制方向灯、电源、门磁锁和轮毂锁。



      CAN通讯网络模块负责将启动信号和检测信号通过CAN网传输给汽车的中央处理器。中央处理器通过接收的信号做决策判断。CAN总线通信方式灵活、抗干扰能力强,目前在汽车控制系统中应用广泛。CAN通讯接口硬件设计如图3所示,其中82C250是CAN控制器和物理总线间的接口,它和CAN控制器之间采用光隔P113来提高系统的抗干扰能力。


    CAN通讯接口硬件设计


    4 RFID汽车防盗系统软件的实现


      RFID汽车防盗系统软件的设计开发环境为Code Warrior for S12,它是面向以HC12和S12为CPU的单片机应用开发软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。其调试方式为BDM方式,BDM ( Background Debug Mode)是Freescale公司的一种系统调试方式,具备基本的调试功能,包括资源访问及运行控制,与指令挂牌及断点逻辑配合可以实现很多重要的开发功能。


    4.1 S6700工作流程


      软件设计的重点是对S6700的编程。S6700编程要严格遵循其通讯协议和工作时序,对S6700的操作有三种模式:普通模式、寄存器模式和直接模式。直接模式下,CPU要直接面向射频信号处理,比较复杂,故一般不采用。普通模式下每条指令均含有协议、调制方式、传输速率等参数,而寄存器模式系列则不含这些参数,而是由预先写入的寄存器的数值决定。本系统对S6700的操作选用普通模式,在该模式下,MCU首先要发送关闭命令以防止复位脉冲误判,接着初始化时间寄存器,然后发送普通模式命令参数。在TAG-IT应答之前,MCU必须放弃时钟线控制权,并将其转交给S6700,然后等待应答器的回复信号,接收到回复信号后,MCU读应答器UID判断有无读卡错误,应答结束后,MCU收回时钟线控制权。S6700的工作流程图如图4所示。


    S6700的工作流程图


    4.2 初始化


      射频应答的所有操作都是从S6700的初始化开始的。在MCU与TAG-IT的通讯过程中,首先必须初始化时间寄存器。按照ISO/IEC15693协议,必须写入初始化时间序列S1 011110111000000011000 ES1,其中S1与ES1分别为起始位和结束位,普通模式下,命令字节为8位,其发送顺序是高位在前,数据流则是低位在前。下面是其命令结构格式:


    命令结构格式


      起始位的波形是当SCLOCK为高时,在DIN发生一个上升沿。其中DIN必须在SCLOCK突变为高电平300 ns以后才能突变为高电平并产生上升沿。结束位的波形是当SCLOCK突变为高电平至少400 ns以后在DIN发生一个下降沿。


    4.3 读应答器UID


      在MCU读TAG-IT期间,由S6700掌握时钟线控制权。S6700读得数据后,通过DIN传输给MCU。在读取数据时,MCU必须严格模拟TAG- IT的响应时序,并通过传输来的FLAG来确定数据的正确性。只有在FLAG完全正确时,才会继续接受响应内容,否则,系统将结束读卡过程。图5给出了读应答器的子程序图。


    读应答器的子程序图


      TAG-IT的响应格式依次为起始位S2、FLAG、响应内容、CRC16、结束位ES2,其基本的读卡请求和应答时序如图6所示。其中TRAN1和TRAN2分别表示MCU放弃时钟权限和MCU获得时钟权限。


    读卡请求和应答时序


    5 结束语


      汽车防盗问题在全世界范围内备受关注。要解决这一问题需从高科技防盗技术方面着手,而RFID汽车防盗系统具有如下诸多优点:


      (1) 采用射频识别技术能准确判别UID,瞬间完成身份识别;


      (2) 应答器内含唯一的UID号和数字化的密码,重码率极低,提高了防盗性能;


      (3) 采用车用微控制器MC9SD64为防盗系统的控制单元,提高了现场的抗干扰能力,可确保防盗系统的正常运行;


      (4) 利用CAN总线与汽车的中央计算机进行通信,可保证通信流畅,提高了防盗系统通信的抗干扰能力。



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