125K非接觸ID卡讀卡器設計

無(wú)線(xiàn)射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感應、電磁場(chǎng)或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信、獲取相關(guān)數據的一種自動(dòng)識別技術(shù)。該技術(shù)完成識別工作時(shí)無(wú)須人工干預，易于實(shí)現自動(dòng)化且不易損壞，可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)射頻卡，操作快捷方便，已經(jīng)得到了廣泛的應用。
　　目前存在的一些讀卡器，都需要讀卡芯片作為基站，成本較高。本文介紹了一種采用分立元件構成的125 kHz RFID閱讀器，電路結構簡(jiǎn)單，成本極低，用于讀取EM4100型ID卡。 

　　1 RFID系統的分類(lèi) 

　　RFID系統的分類(lèi)方法有很多，在通常應用中都是根據頻率來(lái)分，根據不同的工作頻率，可將其分為以下四種：
　　(1)低頻(120～135 kHz)。該頻段具有很強的場(chǎng)穿透性，使用不受限制，性能不受環(huán)境影響，價(jià)格低廉，最大識別距離一般小于60 cm，主要應用于門(mén)禁、“一卡通”消費管理、車(chē)輛管理等系統；
　　(2)高頻(10～15 MHz)。該頻段與低頻相比，具有防沖撞、能同時(shí)識別多個(gè)標簽的優(yōu)點(diǎn)，但其性能受環(huán)境影響，識別距離一般小于100 cm，主要應用于圖書(shū)管理、物流等系統；
　　(3)超高頻(850～960 MHz)。該頻段較高頻相比，具有可實(shí)現長(cháng)距離識別的的優(yōu)點(diǎn)，最大識別距離可達10 m，但其性能受環(huán)境影響較大，價(jià)格也較貴，主要應用于鐵路車(chē)輛識別、集裝箱識別等系統；
　　(4)微波(2．45～5．8 GHz)。該頻段可實(shí)現遠距離識別，識別距離可達100 m，但其價(jià)格也最貴，主要應用于智能交通系統中。 

　　2 RFID系統的組成 

　　射頻識別系統一般由閱讀器、電子標簽、天線(xiàn)三部分組成。 

　　(1)閱讀器：讀取或讀／寫(xiě)電子標簽信息的設備，主要任務(wù)是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的標識信息進(jìn)行解碼，將標識信息連帶標簽上其他相關(guān)信息傳輸到主機以供處理。一臺典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及與應答器連接的耦合元件。此外，許多閱讀器還有附加的接口(RS 232，RS 485等)，以便將所獲得的數據傳輸給另外的系統(如個(gè)人計算機)，其系統結構框圖如圖1所示。 

　　(2)電子標簽(應答器)：由芯片及內置天線(xiàn)組成，芯片內保存有一定格式的電子數據，放在被識別物體上，作為待識別物品的標識性信息，它是射頻識別系統真正的數據載體，內置天線(xiàn)用于和射頻天線(xiàn)間進(jìn)行通信。通常，應答器沒(méi)有自己的供電電源，只有在閱讀器的響應范圍以?xún)龋瑧鹌鞑攀怯性吹摹鹌鞴ぷ魉璧哪芰浚峭ㄟ^(guò)耦合單元(非接觸的)傳輸給應答器的。
　　(3)天線(xiàn)：標簽與閱讀器之間數據傳輸的載體。 

　　3 硬件電路設計 

　　本設計以AVR系列單片機ATmega8作為微控制器。Atmel公司的AVR是8位單片機中第一個(gè)真正采用RSIC結構的單片機，它采用了大型快速存取寄存器組、快速單周期指令系統以及單級流水線(xiàn)等先進(jìn)技術(shù)，使得AVR單片機具有高達1 MLPS／MHz的高速運行處理能力。 

　　硬件電路如圖2所示，在圖2中①為載波產(chǎn)生及功率放大電路，由單片機的T／C2工作于CTC模式，產(chǎn)生標準125 kHz載波信號，經(jīng)過(guò)限流電阻R1后送入推挽式連接的三極管功率放大電路，放大后的載波信號通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。天線(xiàn)L1與電容C1構成串聯(lián)諧振電路，諧振頻率為125 kHz，諧振電路的作用是使天線(xiàn)上獲得最大的電流，從而產(chǎn)生最大的磁通量，獲得更大的讀卡距離。②為檢波電路，檢波電路用來(lái)去除125 kHz載波信號，還原出有用數據信號。R2，D1，R3，C2構成基本包絡(luò )檢波電路，C3為耦合電容，R4，C4為低通濾波電路，D2，D3為保護二極管，輸出接到濾波放大電路。③為濾波放大電路，濾波放大電路采用集成運放LM358對檢波后的信號進(jìn)行濾波整形放大，放大后的信號送入單片機的定時(shí)／計數器T1的輸入捕捉引腳ICPl，由單片機對接收到的信號進(jìn)行解碼，從而得到ID卡的卡號。 

　　4 軟件設計 

　　本系統的軟件設計包括兩部分：125 kHz載波的產(chǎn)生和ID卡解碼。載波信號產(chǎn)生相對簡(jiǎn)單，可利用單片機的T／C2，使其工作于CTC模式，比較匹配時(shí)使輸出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解碼軟件設計相對較復雜，要對ID卡進(jìn)行解碼，首先應掌握ID卡的存儲格式和數據編碼方式。 

　　4．1 EM4100數據存儲格式 

　　圖3是EM4100的64位數據信息，它由5個(gè)區組成：9個(gè)引導位、10個(gè)行偶校驗位“PO～P9'’、4個(gè)列偶校驗位“PC0～PC3”、40個(gè)數據位“D00～D93”和1個(gè)停止位S0。9個(gè)引導位是出廠(chǎng)時(shí)就已掩膜在芯片內的，其值為“111111111”，當它輸出數據時(shí)，首先輸出9個(gè)引導位，然后是10組由4個(gè)數據位和1個(gè)行偶校驗位組成的數據串，其次是4個(gè)列偶校驗位，最后是停止位“0”。“D00～D13”是一個(gè)8位的晶體版本號或ID識別碼。“D20～D93”是8組32位的芯片信息，即卡號。 

　　每當EM4100將64個(gè)信息位傳輸完畢后，只要ID卡仍處于讀卡器的工作區域內，它將再次按照圖3順序發(fā)送64位信息，如此重復，直至ID卡退出讀卡器的有效工作區域。 

　　4．2 EM4100數據編碼方式 

　　EM4100采用曼徹斯特編碼，如圖4所示：位數據“1”對應著(zhù)電平下跳，位數據“0”對應著(zhù)電平上跳。在一串數據傳送的數據序列中，兩個(gè)相鄰的位數據傳送跳變時(shí)間間隔應為1P。若相鄰的位數據極性相同(相鄰兩位均為“O”或“1”)，則在兩次位數據傳送的電平跳變之間，有一次非數據傳送的、預備性的(電平)“空跳”。電平的上跳、下跳和空跳是確定位數據傳送特征的判據。在曼徹斯特碼調制方式下，M4100每傳送一位數據的時(shí)間是64個(gè)振蕩周期，其值由RF／n決定。若載波頻率為125 kHz，則每傳送一位的時(shí)間為振蕩周期的64分頻，即位傳送時(shí)間為：1P=64／125 kHz=512μs，則半個(gè)周期的時(shí)間為256μs。 

　　4．3 解碼軟件設計 

　　ATmega8單片機T／C1的輸入捕捉功能是AVR定時(shí)／計數器的一個(gè)非常有特點(diǎn)的功能，T／C1的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個(gè)外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時(shí)間印記。當一個(gè)輸入捕捉事件發(fā)生時(shí)，T／C1的計數器TCNTl中的計數值被寫(xiě)入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標志位ICFl，產(chǎn)生中斷申請。可通過(guò)設置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來(lái)設定輸入捕捉信號觸發(fā)方式。本系統利用單片機的輸入捕捉功能進(jìn)行解碼。
　　由曼徹斯特編碼特點(diǎn)可知，每位數據都由半個(gè)周期的高電平和半個(gè)周期的低電平組成，因此可將一個(gè)位數據拆分為兩位，即位數據“1”可視為“10”，位數據“O”可視為“01”，則64位數據可視為由128位組成。為了獲得完整且連續存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數據，即接收256位。則上一輪接收到的停止位后緊跟著(zhù)的必然是本輪接收到的起始位，據此找出起始同步頭。再根據曼碼特點(diǎn)獲得ID卡的有效數據(“10”解碼為“1”；“01”解碼為“O”)并進(jìn)行LCR校驗，若校驗無(wú)誤，則將ID卡號輸出至PC機，并準備下一次的解碼；否則，直接準備下一次解碼。　　　　另外，在程序中首先定義一個(gè)數組bit[256]用來(lái)存放接收到的數據；定義一個(gè)變量flag用來(lái)標記256位數據接收完成；定義一個(gè)變量error用來(lái)標記校驗有錯誤產(chǎn)生。由于無(wú)ID卡靠近讀卡器的有效工作區時(shí)，單片機輸入捕捉引腳輸入的是高電平，因此在主程序中先設定為下降沿觸發(fā)，清零計數器TCNTl，打開(kāi)T／C1的輸入捕捉功能。主程序流程圖如圖5所示。 

　　在輸入捕捉中斷程序中定義一個(gè)觸發(fā)沿標志tr=1(用于表示由下降沿引起的觸發(fā))，同時(shí)定義一個(gè)無(wú)符號字符型變量i用來(lái)對接收到的數據個(gè)數進(jìn)行計數，由于無(wú)符號字符型數據的取值范圍為O～255，所以當接收完256位時(shí)，i的值再次變?yōu)?。接著(zhù)判斷是否為合法跳變，由以上分析可知，電平跳變的時(shí)間為256μs或512μs為合法跳變。本系統使用8 MHz時(shí)鐘，T／C1設置為無(wú)預分頻，則系統周期為O．125μs，則256μs對應計數值應為2 048，512μs對應計數值應為4 096。取計數值TCNTl小于5 000為合法跳變依據，若TC-NTl大于5 000，則認為是由干擾信號產(chǎn)生的非法跳變，并將其忽略，取TCNTl介于3 000～5 000之間為512μs跳變依據。若為合法跳變，由于是下降沿觸發(fā)的中斷，則認為接收到一位數據“1”；若為合法跳變且3 000<TCNTl<5 000，則認為接收到兩位數據“1”。
　　再將輸入捕捉觸發(fā)方式改為上升沿觸發(fā)，設定觸發(fā)沿標志tr=0(用于表示由上升沿引起的觸發(fā))。當中斷是由上升沿觸發(fā)時(shí)，執行類(lèi)似操作。圖6為中斷處理程序流程圖。

　　5 結語(yǔ) 

　　本設計硬件電路中功放和檢波部分采用分立元件構成，無(wú)需讀卡基站芯片，電路結構簡(jiǎn)單，成本極低；軟件部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，提出了一種曼徹斯特編碼的解碼方法。由于RS 232的傳輸距離最大只有15 m，因此對于需要遠距離數據傳送的場(chǎng)合，可以通過(guò)加入RS 485電路以提高傳輸距離，從而實(shí)現遠距離數據采集以及實(shí)行有關(guān)控制。在一些需要較遠讀卡距離的應用中，可通過(guò)改進(jìn)功率放大電路(例如采用D類(lèi)功率放大電路)來(lái)提高功放的效率，從而增大發(fā)射功率，增大讀卡距離。通測試，系統可成功實(shí)現對EM4100 ID卡的讀取，經(jīng)過(guò)微調天線(xiàn)，最大讀取距離可達15 cm，且讀卡穩定、成功率高，可將其應用于門(mén)禁、公交等系統。

125K非接觸ID卡讀卡器設計