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RFID汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

發(fā)布時間:2010-12-09

中心議題:
  • RFID汽車防盜系統(tǒng)組成原理
  • RFID汽車防盜系統(tǒng)硬件設(shè)計
  • RFID汽車防盜系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)
解決方案:
  • 采用射頻識別技術(shù)能準確判別UID
  • 應(yīng)答器內(nèi)含唯一的UID號和數(shù)字化的密碼
  • 采用車用微控制器MC9SD64為防盜系統(tǒng)的控制單元
射頻識別技術(shù)(RFID,即RadioFrequencyI-dentification)是從20世紀80年代開始走向成熟的一項自動識別技術(shù)。它利用射頻方式進行非接觸式雙向通信方式來交換數(shù)據(jù)以達到識別目的??捎糜谧R別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡,而且操作快捷方便,不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境,特別適合于實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化且不易損壞。本文介紹的射頻識別系統(tǒng)是將射頻識別技術(shù)應(yīng)用到汽車防盜系統(tǒng)中的一次成功嘗試。

1RFID汽車防盜系統(tǒng)概述

隨著科技的發(fā)展,汽車防盜裝置日趨嚴密和完善,目前防盜器按其結(jié)構(gòu)與功能可分四大類:機械式、電子式、芯片式和網(wǎng)絡(luò)式,雖然各有優(yōu)劣,但汽車防盜的發(fā)展方向則向智能程度更高的芯片式和網(wǎng)絡(luò)式發(fā)展。RFID汽車防盜系統(tǒng)屬于芯片式防盜系統(tǒng),它是RFID的新應(yīng)用。由于這是一種足夠小的、能夠封裝到汽車鑰匙當中并含有特定碼字的射頻卡。

該系統(tǒng)在汽車方向盤下安裝有閱讀器,閱讀器離點火鑰匙的距離小于7厘米,當插入一把帶有應(yīng)答器的正確鑰匙并打到"M"位時,汽車防盜系統(tǒng)上電工作,閱讀器讀取到有效的UID號,系統(tǒng)語音提示鑰匙正確,并自動完成對碼、解鎖發(fā)動機電腦,否則語音報警,發(fā)動機電腦處于閉鎖狀態(tài),發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)鎖定油路和引擎,發(fā)動機點火和噴油的控制被切斷,汽車無法啟動,汽車的中央計算機也就能容易地防止短路點火,實現(xiàn)防盜功能。

2RFID汽車防盜系統(tǒng)組成原理

RFID系統(tǒng)為該汽車防盜系統(tǒng)的核心組成部分。一般由標簽(TAG,即射頻卡)、閱讀器、射頻天線三部分組成。標簽由耦合元件及芯片組成,含有內(nèi)置天線,用于和射頻天線間通訊;閱讀器用于讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標簽信息;射頻天線用于在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。

系統(tǒng)的基本工作流程是閱讀器通過射頻天線發(fā)送一定頻率的射頻信號;射頻卡進入射頻天線工作區(qū)域時即產(chǎn)生感應(yīng)電流,射頻卡獲得能量被激活,然后由射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)天線發(fā)送出去;射頻天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號,并經(jīng)調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器后,閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼,然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理;主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性,同時針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制,并發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

3RFID汽車防盜系統(tǒng)硬件設(shè)計
本RFID汽車防盜系統(tǒng)以RFID系統(tǒng)為核心組成。汽車防盜系統(tǒng)硬件控制單元選用Motorola(Freescale)的16位單片機MC9S12D64,射頻識別系統(tǒng)由閱讀器S6700、應(yīng)答器TAG-IT和射頻天線組成。此外,系統(tǒng)還包括存儲電路(AT24C01),檢測電路,語音電路和CAN總線通訊電路。RFID汽車防盜系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖1所示。
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本系統(tǒng)中的控制單元單片機MC9S12D64延續(xù)了飛思卡爾半導(dǎo)體在車用微控制器領(lǐng)域的優(yōu)良傳統(tǒng),是以速度更快的S12內(nèi)核(StarCore)為核心的MC9S12系列單片機成員,這兩種器件管腳兼容,存儲器可以得到升級。并且片內(nèi)有多種外圍設(shè)備可供選擇。MC9S12D64共有8種工作模式,模式的設(shè)定可通過復(fù)位期間采集BKGD、MODB、MODA三個引腳的狀態(tài)來實現(xiàn),這樣可增強應(yīng)用的可選擇性。

控制單元主要負責與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進行通信、執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令、控制與射頻卡的通信過程(主-從原則)及信號的編解碼、對一些特殊的系統(tǒng)還要執(zhí)行反碰撞算法、對射頻卡與閱讀器問要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密,以及進行射頻卡和閱讀器間的身份驗證等附加功能。

S6700IC卡讀寫多協(xié)議收發(fā)器與應(yīng)答器TAG-IT共同組成射頻系統(tǒng),S6700采用13.56MHz工作頻率。并具有防沖突機制。由于S6700采用的是曼徹斯特編碼方式,故能允許多張卡同時讀寫而不會發(fā)生沖突。典型發(fā)送功率為200mW。它支持的協(xié)議包括TITAG-IT協(xié)議、ISO/IEC15693-2協(xié)議和ISO/IEC14443-2協(xié)議。S6700與CPU的接口為同步串行接口(SPI)。SCLOCK、DIND、OUT分別為時鐘線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線。時鐘線為雙向,DOUT在接收數(shù)據(jù)期間用于數(shù)據(jù)輸出,而在發(fā)送數(shù)據(jù)期間則用來指示S6700內(nèi)部FIFO寄存器的情況。

應(yīng)答器TAG-IT完全兼容ISO/IEC15693協(xié)議??▋?nèi)有64位的UID(卡號)和8位的AFI(應(yīng)用識別號)、8位的DSFID(數(shù)據(jù)存儲格式),其中UID是不可修改的。另外,卡內(nèi)有2KB的EEPROM,分成64塊,每塊32Bit,每個塊均可鎖定,以保護數(shù)據(jù)免于修改。射頻系統(tǒng)的閱讀器電路設(shè)計圖如圖2所示。
AT24C01是具有I2C總線的1K位電可擦除存儲器,具有獨立的寫周期(最大10ms),上電后可在線編程數(shù)據(jù),失電時能長期保存結(jié)果,這樣可以有效地防止人為對汽車電源的破壞。AT24C01存儲相應(yīng)的TAG-IT的UID號,用于與讀取的應(yīng)答器的UID進行核對。語音電路以ISD5216集成語音芯片為核心,ISD5216具有錄音播放能力和4MB的數(shù)字資料存儲功能,結(jié)合調(diào)理和功放電路實現(xiàn)多段語音的錄放,從而方便地實現(xiàn)了RFID防盜系統(tǒng)的安全提示和報警功能。

檢測電路用來檢測汽車的各種狀態(tài)信息,檢測到的狀態(tài)信息包括車門的檢測,對電源,剎車等信號的檢測。MCU通過檢測到的狀態(tài)信息做出判斷決策,通過執(zhí)行機構(gòu)控制方向燈、電源、門磁鎖和輪轂鎖。

CAN通訊網(wǎng)絡(luò)模塊負責將啟動信號和檢測信號通過CAN網(wǎng)傳輸給汽車的中央處理器。中央處理器通過接收的信號做決策判斷。CAN總線通信方式靈活、抗干擾能力強,目前在汽車控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。CAN通訊接口硬件設(shè)計如圖3所示,其中82C250是CAN控制器和物理總線間的接口,它和CAN控制器之間采用光隔P113來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4RFID汽車防盜系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

RFID汽車防盜系統(tǒng)軟件的設(shè)計開發(fā)環(huán)境為CodeWarriorforS12,它是面向以HC12和S12為CPU的單片機應(yīng)用開發(fā)軟件包。包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。其調(diào)試方式為BDM方式,BDM(BackgroundDebugMode)是Freescale公司的一種系統(tǒng)調(diào)試方式,具備基本的調(diào)試功能,包括資源訪問及運行控制,與指令掛牌及斷點邏輯配合可以實現(xiàn)很多重要的開發(fā)功能。

4.1S6700工作流程

軟件設(shè)計的重點是對S6700的編程。S6700編程要嚴格遵循其通訊協(xié)議和工作時序,對S6700的操作有三種模式:普通模式、寄存器模式和直接模式。直接模式下,CPU要直接面向射頻信號處理,比較復(fù)雜,故一般不采用。普通模式下每條指令均含有協(xié)議、調(diào)制方式、傳輸速率等參數(shù),而寄存器模式系列則不含這些參數(shù),而是由預(yù)先寫入的寄存器的數(shù)值決定。

本系統(tǒng)對S6700的操作選用普通模式,在該模式下,MCU首先要發(fā)送關(guān)閉命令以防止復(fù)位脈沖誤判,接著初始化時間寄存器,然后發(fā)送普通模式命令參數(shù)。在TAG-IT應(yīng)答之前,MCU必須放棄時鐘線控制權(quán),并將其轉(zhuǎn)交給S6700,然后等待應(yīng)答器的回復(fù)信號,接收到回復(fù)信號后,MCU讀應(yīng)答器UID判斷有無讀卡錯誤,應(yīng)答結(jié)束后,MCU收回時鐘線控制權(quán)。S6700的工作流程圖如圖4所示。
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4.2初始化

射頻應(yīng)答的所有操作都是從S6700的初始化開始的。在MCU與TAG-IT的通訊過程中,首先必須初始化時間寄存器。按照ISO/IEC15693協(xié)議,必須寫入初始化時間序列S1011110111000000011000ES1,其中S1與ES1分別為起始位和結(jié)束位,普通模式下,命令字節(jié)為8位,其發(fā)送順序是高位在前,數(shù)據(jù)流則是低位在前。下面是其命令結(jié)構(gòu)格式:
起始位的波形是當SCLOCK為高時,在DIN發(fā)生一個上升沿。其中DIN必須在SCLOCK突變?yōu)楦唠娖?00ns以后才能突變?yōu)楦唠娖讲a(chǎn)生上升沿。結(jié)束位的波形是當SCLOCK突變?yōu)楦唠娖街辽?00ns以后在DIN發(fā)生一個下降沿。

4.3讀應(yīng)答器UID

在MCU讀TAG-IT期間,由S6700掌握時鐘線控制權(quán)。S6700讀得數(shù)據(jù)后,通過DIN傳輸給MCU。在讀取數(shù)據(jù)時,MCU必須嚴格模擬TAG-IT的響應(yīng)時序,并通過傳輸來的FLAG來確定數(shù)據(jù)的正確性。只有在FLAG完全正確時,才會繼續(xù)接受響應(yīng)內(nèi)容,否則,系統(tǒng)將結(jié)束讀卡過程。圖5給出了讀應(yīng)答器的子程序圖。
  
TAG-IT的響應(yīng)格式依次為起始位S2、FLAG、響應(yīng)內(nèi)容、CRC16、結(jié)束位ES2,其基本的讀卡請求和應(yīng)答時序如圖6所示。其中TRAN1和TRAN2分別表示MCU放棄時鐘權(quán)限和MCU獲得時鐘權(quán)限。

汽車防盜問題在全世界范圍內(nèi)備受關(guān)注。要解決這一問題需從高科技防盜技術(shù)方面著手,而RFID汽車防盜系統(tǒng)具有如下諸多優(yōu)點:

  (1)采用射頻識別技術(shù)能準確判別UID,瞬間完成身份識別;

  (2)應(yīng)答器內(nèi)含唯一的UID號和數(shù)字化的密碼,重碼率極低,提高了防盜性能;

  (3)采用車用微控制器MC9SD64為防盜系統(tǒng)的控制單元,提高了現(xiàn)場的抗干擾能力,可確保防盜系統(tǒng)的正常運行;

  (4)利用CAN總線與汽車的中央計算機進行通信,可保證通信流暢,提高了防盜系統(tǒng)通信的抗干擾能力。
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