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運用AVR單片機的125kHz簡易RFID閱讀器設計
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摘要: 無線射頻識別(RadioFrequencyIdentification,,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,、獲取相關數據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125kHzRFID閱讀器,電路結構簡單,,成本極低,,用于讀取EM4100型ID卡。1RFID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頻率來分
Abstract:
Key words :

        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,、獲取相關數據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頻率來分,,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(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):由芯片及內置天線組成,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(tǒng)真正的數據載體,,內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,,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為載波產生及功率放大電路,,由單片機的T/C2工作于CTC模式,,產生標準125 kHz載波信號,,經過限流電阻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載波的產生和ID卡解碼,。載波信號產生相對簡單,,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個數據位“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的,,其值為“111111111”,當它輸出數據時,,首先輸出9個引導位,,然后是10組由4個數據位和1個行偶校驗位組成的數據串,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。“D20~D93”是8組32位的芯片信息,,即卡號,。  

  每當EM4100將64個信息位傳輸完畢后,只要ID卡仍處于讀卡器的工作區(qū)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(qū)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”對應著電平下跳,位數據“0”對應著電平上跳,。在一串數據傳送的數據序列中,,兩個相鄰的位數據傳送跳變時間間隔應為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*調制方式下,,M4100每傳送一位數據的時間是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的計數器TCNTl中的計數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,,每位數據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(xù)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。再根據曼碼特點獲得ID卡的有效數據(“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組bit[256]用來存放接收到的數據;定義一個變量flag用來標記256位數據接收完成,;定義一個變量error用來標記校驗有錯誤產生,。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用來對接收到的數據個數進行計數,,由于無符號字符型數據的取值范圍為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 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據傳送的場合,可以通過加入RS 485電路以提高傳輸距離,,從而實現遠距離數據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)可成功實現對EM4100 ID卡的讀取,,經過微調天線,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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