基于AVR單片機并采用分立元件構成的125 kHz RFID
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0 引言
無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感應、電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信、獲取相關數(shù)據(jù)的一種自動識別技術。該技術完成識別工作時無須人工干預，易于實現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，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，電路結構簡單，成本極低，用于讀取EM4100型ID卡。
1 RFID系統(tǒng)的分類
RFID系統(tǒng)的分類方法有很多，在通常應用中都是根據(jù)頻率來分，根據(jù)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穿透性，使用不受限制，性能不受環(huán)境影響，價格低廉，最大識別距離一般小于60 cm，主要應用于門禁、“一卡通”消費管理、車輛管理等系統(tǒng)；
(2)高頻(10～15 MHz)。該頻段與低頻相比，具有防沖撞、能同時識別多個標簽的優(yōu)點，但其性能受環(huán)境影響，識別距離一般小于100 cm，主要應用于圖書管理、物流等系統(tǒng)；
(3)超高頻(850～960 MHz)。該頻段較高頻相比，具有可實現(xiàn)長距離識別的的優(yōu)點，最大識別距離可達10 m，但其性能受環(huán)境影響較大，價格也較貴，主要應用于鐵路車輛識別、集裝箱識別等系統(tǒng)；
(4)微波(2．45～5．8 GHz)。該頻段可實現(xiàn)遠距離識別，識別距離可達100 m，但其價格也最貴，主要應用于智能交通系統(tǒng)中。
2 RFID系統(tǒng)的組成
射頻識別系統(tǒng)一般由閱讀器、電子標簽、天線三部分組成。
(1)閱讀器：讀取或讀／寫電子標簽信息的設備，主要任務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行解碼，將標識信息連帶標簽上其他相關信息傳輸?shù)街鳈C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(shù)據(jù)傳輸給另外的系統(tǒng)(如個人計算機)，其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
(2)電子標簽(應答器)：由芯片及內(nèi)置天線組成，芯片內(nèi)保存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，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(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，內(nèi)置天線用于和射頻天線間進行通信。通常，應答器沒有自己的供電電源，只有在閱讀器的響應范圍以內(nèi)，應答器才是有源的。應答器工作所需的能量，是通過耦合單元(非接觸的)傳輸給應答器的。
(3)天線：標簽與閱讀器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d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(tǒng)以及單級流水線等先進技術，使得AVR單片機具有高達1 MLPS／MHz的高速運行處理能力。
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(tǒng)以及單級流水線等先進技術，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天線發(fā)射出去。天線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，檢波電路用來去除125kHz載波信號，還原出有用數(shù)據(jù)信號。R2，D1，R3，C2構成基本包絡檢波電路，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對檢波后的信號進行濾波整形放大，放大后的信號送入單片機的定時／計數(shù)器T1的輸入捕捉引腳ICPl，由單片機對接收到的信號進行解碼，從而得到ID卡的卡號。
4 軟件設計
本系統(tǒng)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)生相對簡單，可利用單片機的T／C2，使其工作于CTC模式，比較匹配時使輸出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卡進行解碼，首先應掌握ID卡的存儲格式和數(shù)據(jù)編碼方式。
4．1 EM4100數(shù)據(jù)存儲格式
圖3是EM4100的64位數(shù)據(jù)信息，它由5個區(qū)組成：9個引導位、10個行偶校驗位“PO～P9'’、4個列偶校驗位“PC0～PC3”、40個數(shù)據(jù)位“D00～D93”和1個停止位S0。9個引導位是出廠時就已掩膜在芯片內(nèi)的，其值為“111111111”，當它輸出數(shù)據(jù)時，首先輸出9個引導位，然后是10組由4個數(shù)據(jù)位和1個行偶校驗位組成的數(shù)據(jù)串，其次是4個列偶校驗位，最后是停止位“0”。“D00～D13”是一個8位的晶體版本號或ID識別碼?！癉20～D93”是8組32位的芯片信息，即卡號。
圖3是EM4100的64位數(shù)據(jù)信息，它由5個區(qū)組成：9個引導位、10個行偶校驗位“PO～P9'’、4個列偶校驗位“PC0～PC3”、40個數(shù)據(jù)位“D00～D93”和1個停止位S0。9個引導位是出廠時就已掩膜在芯片內(nèi)的，其值為“111111111”，當它輸出數(shù)據(jù)時，首先輸出9個引導位，然后是10組由4個數(shù)據(jù)位和1個行偶校驗位組成的數(shù)據(jù)串，其次是4個列偶校驗位，最后是停止位“0”。“D00～D13”是一個8位的晶體版本號或ID識別碼?！癉20～D93”是8組32位的芯片信息，即卡號。
4．2 EM4100數(shù)據(jù)編碼方式
EM4100采用曼徹斯特編碼，如圖4所示：位數(shù)據(jù)“1”對應著電平下跳，位數(shù)據(jù)“0”對應著電平上跳。在一串數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時間間隔應為1P。若相鄰的位數(shù)據(jù)極性相同(相鄰兩位均為“O”或“1”)，則在兩次位數(shù)據(jù)傳送的電平跳變之間，有一次非數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送特征的判據(jù)。在曼徹斯特碼調(diào)制方式下，M4100每傳送一位數(shù)據(jù)的時間是64個振蕩周期，其值由RF／n決定。若載波頻率為125 kHz，則每傳送一位的時間為振蕩周期的64分頻，即位傳送時間為：1P=64／125 kHz=512μs，則半個周期的時間為256μs。、
EM4100采用曼徹斯特編碼，如圖4所示：位數(shù)據(jù)“1”對應著電平下跳，位數(shù)據(jù)“0”對應著電平上跳。在一串數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時間間隔應為1P。若相鄰的位數(shù)據(jù)極性相同(相鄰兩位均為“O”或“1”)，則在兩次位數(shù)據(jù)傳送的電平跳變之間，有一次非數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送特征的判據(jù)。在曼徹斯特碼調(diào)制方式下，M4100每傳送一位數(shù)據(jù)的時間是64個振蕩周期，其值由RF／n決定。若載波頻率為125 kHz，則每傳送一位的時間為振蕩周期的64分頻，即位傳送時間為：1P=64／125 kHz=512μs，則半個周期的時間為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／計數(shù)器的一個非常有特點的功能，T／C1的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時間印記。當一個輸入捕捉事件發(fā)生時，T／C1的計數(shù)器TCNTl中的計數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標志位ICFl，產(chǎn)生中斷申請?？赏ㄟ^設置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來設定輸入捕捉信號觸發(fā)方式。本系統(tǒng)利用單片機的輸入捕捉功能進行解碼。
由曼徹斯特編碼特點可知，每位數(shù)據(jù)都由半個周期的高電平和半個周期的低電平組成，因此可將一個位數(shù)據(jù)拆分為兩位，即位數(shù)據(jù)“1”可視為“10”，位數(shù)據(jù)“O”可視為“01”，則64位數(shù)據(jù)可視為由128位組成。為了獲得完整且連續(xù)存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數(shù)據(jù)，即接收256位。則上一輪接收到的停止位后緊跟著的必然是本輪接收到的起始位，據(jù)此找出起始同步頭。再根據(jù)曼碼特點獲得ID卡的有效數(shù)據(jù)(“10”解碼為“1”；“01”解碼為“O”)并進行LCR校驗，若校驗無誤，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數(shù)組bit[256]用來存放接收到的數(shù)據(jù)；定義一個變量flag用來標記256位數(shù)據(jù)接收完成；定義一個變量error用來標記校驗有錯誤產(chǎn)生。由于無ID卡靠近讀卡器的有效工作區(qū)時，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(shù)器TCNTl，打開T／C1的輸入捕捉功能。主程序流程圖如圖5所示。
ATmega8單片機T／C1的輸入捕捉功能是AVR定時／計數(shù)器的一個非常有特點的功能，T／C1的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時間印記。當一個輸入捕捉事件發(fā)生時，T／C1的計數(shù)器TCNTl中的計數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標志位ICFl，產(chǎn)生中斷申請?？赏ㄟ^設置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來設定輸入捕捉信號觸發(fā)方式。本系統(tǒng)利用單片機的輸入捕捉功能進行解碼。
由曼徹斯特編碼特點可知，每位數(shù)據(jù)都由半個周期的高電平和半個周期的低電平組成，因此可將一個位數(shù)據(jù)拆分為兩位，即位數(shù)據(jù)“1”可視為“10”，位數(shù)據(jù)“O”可視為“01”，則64位數(shù)據(jù)可視為由128位組成。為了獲得完整且連續(xù)存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數(shù)據(jù)，即接收256位。則上一輪接收到的停止位后緊跟著的必然是本輪接收到的起始位，據(jù)此找出起始同步頭。再根據(jù)曼碼特點獲得ID卡的有效數(shù)據(jù)(“10”解碼為“1”；“01”解碼為“O”)并進行LCR校驗，若校驗無誤，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數(shù)組bit[256]用來存放接收到的數(shù)據(jù)；定義一個變量flag用來標記256位數(shù)據(jù)接收完成；定義一個變量error用來標記校驗有錯誤產(chǎn)生。由于無ID卡靠近讀卡器的有效工作區(qū)時，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(shù)器TCNTl，打開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觸發(fā)沿標志tr=1(用于表示由下降沿引起的觸發(fā))，同時定義一個無符號字符型變量i用來對接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)進行計數(shù)，由于無符號字符型數(shù)據(jù)的取值范圍為O～255，所以當接收完256位時，i的值再次變?yōu)?。接著判斷是否為合法跳變，由以上分析可知，電平跳變的時間為256μs或512μs為合法跳變。本系統(tǒng)使用8 MHz時鐘，T／C1設置為無預分頻，則系統(tǒng)周期為O．125μs，則256μs對應計數(shù)值應為2 048，512μs對應計數(shù)值應為4 096。取計數(shù)值TCNTl小于5 000為合法跳變依據(jù)，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(jù)。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(shù)據(jù)“1”；若為合法跳變且3 000TCNTl5 000，則認為接收到兩位數(shù)據(jù)“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，執(zhí)行類似操作。圖6為中斷處理程序流程圖。
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，執(zhí)行類似操作。圖6為中斷處理程序流程圖。
5 結語
本設計硬件電路中功放和檢波部分采用分立元件構成，無需讀卡基站芯片，電路結構簡單，成本極低；軟件部分采用C語言進行編寫，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(shù)據(jù)傳送的場合，可以通過加入RS 485電路以提高傳輸距離，從而實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)采集以及實行有關控制。在一些需要較遠讀卡距離的應用中，可通過改進功率放大電路(例如采用D類功率放大電路)來提高功放的效率，從而增大發(fā)射功率，增大讀卡距離。通測試，系統(tǒng)可成功實現(xiàn)對EM4100 ID卡的讀取，經(jīng)過微調(diào)天線，最大讀取距離可達15 cm，且讀卡穩(wěn)定、成功率高，可將其應用于門禁、公交等系統(tǒng)。
本設計硬件電路中功放和檢波部分采用分立元件構成，無需讀卡基站芯片，電路結構簡單，成本極低；軟件部分采用C語言進行編寫，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(shù)據(jù)傳送的場合，可以通過加入RS 485電路以提高傳輸距離，從而實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)采集以及實行有關控制。在一些需要較遠讀卡距離的應用中，可通過改進功率放大電路(例如采用D類功率放大電路)來提高功放的效率，從而增大發(fā)射功率，增大讀卡距離。通測試，系統(tǒng)可成功實現(xiàn)對EM4100 ID卡的讀取，經(jīng)過微調(diào)天線，最大讀取距離可達15 cm，且讀卡穩(wěn)定、成功率高，可將其應用于門禁、公交等系統(tǒng)。
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