基于STC12C2052單片機的串口ID讀卡器設計

梁 飛 張紅雨

引言

射頻識別技術RFID是從20世紀80年代發(fā)展起來的一項自動識別技術。它是利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標并獲取數(shù)據(jù)。不同于傳統(tǒng)的磁卡和IC卡。RFID技術解決了無源和無接觸兩大問題，同時它可實現(xiàn)運動目標識別，多目標識別，在交通運輸、門禁安全、身份識別、貨物管理、自動控制、防盜防偽等方面廣泛應用。

低頻射頻識別系統(tǒng)

根據(jù)天線理論，無源電子標簽與讀卡器之間的作用距離屬于天線近區(qū)場(r<<λ，λ為載波波長)，因此，電子標簽天線與識讀終端天線之間的作用是基于電磁感應原理。由讀卡器產(chǎn)生恒定125kHz左右的載波信號。標簽進入讀卡器的工作區(qū)域后，由標簽中的電感線圈和電容組成的諧振回路接收讀卡器發(fā)射的載波信號，卡中芯片的射頻接口模塊由此信號產(chǎn)生出電源電壓、復位信號及系統(tǒng)時鐘，使芯片工作；芯片將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)經(jīng)曼徹斯特編碼后控制調(diào)制器上的開關電流調(diào)制到載波上，通過卡上天線回送給讀卡器，讀卡器對接收到的卡回送信號進行ASK解調(diào)、解碼后送至后臺計算機輸出。

ID卡內(nèi)存中存有不可改寫的64位數(shù)據(jù)，它包含9個開始位(其值均為‘1)、40個數(shù)據(jù)位(8個廠商信息位+32個數(shù)據(jù)位)、14個行列校驗位(10位行校驗、4個列校驗)和1個結束停止位。其數(shù)據(jù)格式見圖1。

當電子標簽向讀卡器回傳信息時，首先傳送9個開始位，由于數(shù)據(jù)和偶校驗的格式的原因，在后面的數(shù)據(jù)串中不會出現(xiàn)9個1，保證了數(shù)據(jù)頭的唯一性；再傳送8位芯片廠商信息，然后再傳送32個數(shù)據(jù)位。其中15個校驗以及結束位用以跟蹤包含廠商信息在內(nèi)的40位數(shù)據(jù)。傳送卡號時，這64位數(shù)據(jù)通過載波在天線上首尾相

系統(tǒng)硬件設計

圖2給出了基于單片機的低頻ID讀卡器的系統(tǒng)結構。該系統(tǒng)由單片機組成主控模塊，結合載波電路和解調(diào)電路對標簽回傳信號進行解碼并向PC傳送數(shù)據(jù)，同時進行閃燈和響蜂鳴器來提示正確讀取卡號。該系統(tǒng)設計的天線電感值是345μH。天線采用銅制漆包線繞制，漆包線直徑為0.29mm。圓形(內(nèi)徑)直徑為2cm，115圈。

射頻接口電路

射頻接口電路發(fā)射射頻載波信號以啟動電子標簽工作，對標簽返回的信號進行解調(diào)。采74HC4060的分頻范圍分別為8～1024、4096～32768：采用74HC4060對4MHz信號進行32分頻得到125KHz載波信號。分頻出來的載波信號通過天線對ID卡提供能量。

接收回路首先采用一個二極管檢波電路進行包絡檢波。選擇適當?shù)腞C和二極管可使傳輸系數(shù)接近為1，防止隋性失真的產(chǎn)生，包絡檢波器的輸出波形與調(diào)幅波包絡線基本一致。再通過運算放大器對信號進行放大，以便通過比較器使模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，最終完成ASK的解調(diào)輸出。

主控模塊

主控模塊主要實現(xiàn)對解調(diào)信號進行解碼，同時將得到的卡號數(shù)據(jù)通過UART向PC機傳輸。本設計采用STC12C2052單片機作為主控芯片，該單片機成本低，同時兼容8051單片機內(nèi)核，具有運算速度高，功耗低，內(nèi)部具有UART模塊，可直接與PC通信，滿足本設計要求。MCU部分電路圖見圖3。

解調(diào)電路輸出的已調(diào)數(shù)字信號從單片機P3.2引腳輸入，P3.2是外部中斷INTO輸入引腳，設置INTO為下降沿中斷。當接收到已調(diào)信號時，觸發(fā)中斷，同時打開定時器進行計數(shù)，在下一中斷到來時，統(tǒng)計計數(shù)值進行判斷。采用外部16MHz晶振，R15與C17構成了復位電路：p3.0和p3.1作為UART的RX和TX引腳，構成人機交互接口。P1.4、P1.3分別作為指示燈、蜂鳴器的輸出引腳，平時燈一直為亮，在剛通電與讀到卡時，會閃一下，同時蜂鳴器也會響一下作為警不。

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后首先進行一系列設置，包括UART波特率、定時器計數(shù)方式和計數(shù)時鐘選擇、外部下降沿中斷觸發(fā)式的設置等，設置完成后會響一聲作為提示。然后進行曼徹斯特解碼和奇偶校驗，當奇偶校驗正確之后，將收到的32位卡號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10位ASCII碼。單片機會將這10位ASCII碼送人串口數(shù)據(jù)寄存器中，通過TXD引腳送給PC。通過設置單片機內(nèi)部寄存器TMOD可以得到需要的波特率。

結語

本讀卡器設計具有電路簡單，成本低，靈敏度高，讀取效率高的特點；在軟件上對曼徹斯特碼進行同步解碼，讀卡速度比較快，由于對載波頻率的變化不敏感，故讀卡成功率非常高：同時可以實現(xiàn)波特率從1200～115200的設置。實際應用表明讀取距離可達到7 cm左右。