無線射頻識(shí)別卡讀卡器設(shè)計(jì)

王軍艦

摘 要 本文介紹了一種采用分立元件構(gòu)成的125kHz RFID閱讀器。系統(tǒng)介紹了射頻識(shí)別技術(shù)原理、讀卡器硬件框圖、主程序流程圖，并對(duì)硬件工作原理、EM4100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、EM4100數(shù)據(jù)編碼方式、軟件解碼過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。本讀卡器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，人機(jī)界面友好，可用于讀取EM4100型ID卡。

關(guān)鍵詞 射頻識(shí)別 曼徹斯特編碼 載波 硬件 軟件

中圖分類號(hào)：TN409；TP368.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1射頻識(shí)別技術(shù)原理

讀卡器和射頻識(shí)別卡兩部分構(gòu)成了射頻識(shí)別的應(yīng)用系統(tǒng)。讀卡器作為終端實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID卡的數(shù)據(jù)讀取。首先是當(dāng)射頻卡進(jìn)入到讀卡器的工作范圍內(nèi)的時(shí)候，由讀卡器內(nèi)的天線向外發(fā)射125KHz的載波信號(hào)，此時(shí)卡中的電感線圈和電容組成的諧振回路將收到讀卡器發(fā)射來的信號(hào)，射頻卡中的芯片因此會(huì)獲得能量，為其內(nèi)部各功能部件提供工作電壓，其內(nèi)部功能部件就開始工作，時(shí)序發(fā)生器部件控制存儲(chǔ)器陣列和數(shù)據(jù)編碼單元將其內(nèi)部的64位信息調(diào)制后按順序發(fā)送給讀卡器；讀卡器將接收的信號(hào)進(jìn)行檢波、放大、濾波、整形、送單片機(jī)解碼，根據(jù)需要可以送后臺(tái)計(jì)算機(jī)做相應(yīng)處理。讀卡器硬件框圖如圖1所示。

2硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以AT89S52作為微控制器，以LM393、CD4060、LM358等元件為外圍器件構(gòu)成無線射頻卡讀卡器。 硬件電路如圖2所示，在圖2中16MHz晶振經(jīng)CD4060 128分頻從Q7產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)125 kHz載波信號(hào)，經(jīng)過限流電阻R50后經(jīng)T51放大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(hào)通過天線發(fā)射出去。天線L1與電容C17和C18構(gòu)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上獲得較大的電流，從而產(chǎn)生最大的磁通量，獲得更大的讀卡距離。

C52和D50構(gòu)成基本包絡(luò)檢波電路，檢波電路用來去除125 kHz載波信號(hào)，還原出有用數(shù)據(jù)信號(hào)。R60、C56、R63、C57為帶通濾波器，輸出接到射隨U51B同向端。經(jīng)射隨緩沖輸出送到R67、C58、R65、U51A構(gòu)成的有源低通濾波器，濾波器輸出信號(hào)送LM393比較器從7腳輸出曼徹斯特編碼信號(hào)，從單片機(jī)P1.6腳送入，單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，從而得到ID卡的卡號(hào)。

3軟件設(shè)計(jì)

要對(duì)ID卡進(jìn)行解碼，首先應(yīng)掌握ID卡的存儲(chǔ)格式和數(shù)據(jù)編碼方式及曼徹斯特編碼原理，然后再編寫相應(yīng)的解碼程序獲取ID卡號(hào)。

3.1 EM4100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

EM4100全部的數(shù)據(jù)位為64bit，它包含9個(gè)開始位（其值均為“1”）、40個(gè)數(shù)據(jù)位（8個(gè)廠商信息位+32個(gè)數(shù)據(jù)位）、14個(gè)行列校驗(yàn)位（10個(gè)行校驗(yàn)+4個(gè)列校驗(yàn)）和1個(gè)結(jié)束停止位。EM4100在向讀卡機(jī)或PC機(jī)傳送信息時(shí)，首先傳送9個(gè)開始位，接著傳送8個(gè)芯片廠商信息或版本代碼，然后再傳送32個(gè)數(shù)據(jù)位。其中15個(gè)校驗(yàn)以及結(jié)束位用以跟蹤包含廠商信息在內(nèi)的40位數(shù)據(jù)，如圖3所示。

檢查數(shù)據(jù)傳輸中是否發(fā)生錯(cuò)誤，射頻識(shí)別卡對(duì)每個(gè)字節(jié)都增加兩個(gè)校驗(yàn)位，其中高半字節(jié)一個(gè)，低半字節(jié)一個(gè)，這樣每個(gè)字節(jié)增加到10位二進(jìn)制數(shù)，5個(gè)字節(jié)共有50位。為了校驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體性錯(cuò)誤，射頻ID卡還增加了一個(gè)4位的縱向冗余檢驗(yàn)，這樣整個(gè)ID卡數(shù)據(jù)增加到54位。當(dāng)進(jìn)入射頻場(chǎng)時(shí)，如果卡片直接回送這5個(gè)字節(jié)，那么讀寫器很難確定起始位和結(jié)束位，所以射頻識(shí)別卡又增加了9個(gè)二進(jìn)制“1”在前面作起始位，增加了一個(gè)二進(jìn)制“0”在后面作結(jié)束位，這樣ID卡就有了64位數(shù)據(jù)，正好8個(gè)字節(jié)。

3.2 EM4100數(shù)據(jù)編碼方式

EM4100采用曼徹斯特編碼，如圖4所示，圖4中曼徹斯特碼為一個(gè)停止位、9個(gè)二進(jìn)制“1”的起始碼和隨后的5個(gè)碼元構(gòu)成的一串曼徹斯特編碼（后繼碼元省略），對(duì)此串編碼碼進(jìn)行深入分析有助于解碼程序的編寫。圖4中系統(tǒng)時(shí)鐘位為從CD4060的Q7腳實(shí)測(cè)發(fā)射時(shí)125 kHz載波信號(hào)，曼徹斯特編碼為L(zhǎng)M393比較器7腳實(shí)測(cè)解調(diào)后的曼徹斯特編碼信號(hào)，數(shù)據(jù)為軟件解碼后的實(shí)際數(shù)據(jù)，位數(shù)據(jù)“1”對(duì)應(yīng)著電平上跳，位數(shù)據(jù)“0”對(duì)應(yīng)著電平下跳。在接收到的一串?dāng)?shù)據(jù)序列中，兩個(gè)相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時(shí)間間隔應(yīng)為一個(gè)數(shù)據(jù)周期T。在曼徹斯特碼調(diào)制方式下，EM4100每傳送一位數(shù)據(jù)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，即數(shù)據(jù)周期T為：T=64/125 kHz=512€%es，則半個(gè)周期的時(shí)間為256€%es。

3.3 解碼軟件設(shè)計(jì)

曼徹斯特解碼過程要比編碼復(fù)雜，一般的，解碼過程有三個(gè)步驟：第一，獲取數(shù)據(jù)流的波特率（或者已知數(shù)據(jù)流的波特率）；第二，同步數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘信號(hào)（實(shí)質(zhì)是區(qū)分位幀邊沿和半位幀邊沿）；第三，根據(jù)上面兩步對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼。

具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下，

（1）獲取圖4中系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿，在連續(xù)兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘高電平時(shí)刻檢測(cè)曼徹斯特待解碼是否有電平跳變，如果有從低到高電平跳變則為“1”，如果有從高到低電平跳變則為“0”， 連續(xù)兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘高電平期間如果沒有電平跳變則無卡，進(jìn)行下一個(gè)檢測(cè)周期。

（2）連續(xù)檢測(cè)到一個(gè)“0”碼和9個(gè)“1”碼繼續(xù)接收后繼碼元，否則返回步驟1繼續(xù)檢測(cè)起始碼。經(jīng)過此過程就能正確獲取曼徹斯特編碼的原始數(shù)據(jù)，然后按EM4100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，看是否為讀取的正確編碼，如果編碼正確，去掉相應(yīng)的校驗(yàn)位，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新整合，就能獲取ID卡中的ID號(hào)，至此解碼工作完成。

4結(jié)語

本設(shè)計(jì)硬件電路中功放和檢波部分采用分立元件構(gòu)成，無需讀卡集成芯片，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本極低；軟件部分采用C語言進(jìn)行編寫，提出了一種曼徹斯特編碼的解碼方法。由于RS232的傳輸距離最大只有15m，因此對(duì)于需要較遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送的場(chǎng)合，可以通過無線數(shù)傳模塊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集以及實(shí)行有關(guān)控制。在一些需要較遠(yuǎn)讀卡距離的應(yīng)用中，可通過改進(jìn)功率放大電路來提高功放的效率，從而增大發(fā)射功率，增大讀卡距離。通測(cè)試，系統(tǒng)可成功實(shí)現(xiàn)對(duì)EM4100 ID卡的讀取，經(jīng)過微調(diào)天線，最大讀取距離可達(dá)10cm，且讀卡穩(wěn)定、成功率高，可將其應(yīng)用于門禁、公交等系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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