無線射頻識別卡讀卡器設計

王軍艦

摘 要 本文介紹了一種采用分立元件構成的125kHz RFID閱讀器。系統介紹了射頻識別技術原理、讀卡器硬件框圖、主程序流程圖，并對硬件工作原理、EM4100數據存儲格式、EM4100數據編碼方式、軟件解碼過程進行詳細闡述。本讀卡器電路結構簡單，成本較低，人機界面友好，可用于讀取EM4100型ID卡。

關鍵詞 射頻識別 曼徹斯特編碼 載波 硬件 軟件

中圖分類號：TN409；TP368.12 文獻標識碼：A

1射頻識別技術原理

讀卡器和射頻識別卡兩部分構成了射頻識別的應用系統。讀卡器作為終端實現對RFID卡的數據讀取。首先是當射頻卡進入到讀卡器的工作范圍內的時候，由讀卡器內的天線向外發射125KHz的載波信號，此時卡中的電感線圈和電容組成的諧振回路將收到讀卡器發射來的信號，射頻卡中的芯片因此會獲得能量，為其內部各功能部件提供工作電壓，其內部功能部件就開始工作，時序發生器部件控制存儲器陣列和數據編碼單元將其內部的64位信息調制后按順序發送給讀卡器；讀卡器將接收的信號進行檢波、放大、濾波、整形、送單片機解碼，根據需要可以送后臺計算機做相應處理。讀卡器硬件框圖如圖1所示。

2硬件電路設計

本設計以AT89S52作為微控制器，以LM393、CD4060、LM358等元件為外圍器件構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CD4060 128分頻從Q7產生標準125 kHz載波信號，經過限流電阻R50后經T51放大后送入推挽式連接的三極管功率放大電路，放大后的載波信號通過天線發射出去。天線L1與電容C17和C18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較大的電流，從而產生最大的磁通量，獲得更大的讀卡距離。

C52和D50構成基本包絡檢波電路，檢波電路用來去除125 kHz載波信號，還原出有用數據信號。R60、C56、R63、C57為帶通濾波器，輸出接到射隨U51B同向端。經射隨緩沖輸出送到R67、C58、R65、U51A構成的有源低通濾波器，濾波器輸出信號送LM393比較器從7腳輸出曼徹斯特編碼信號，從單片機P1.6腳送入，單片機對接收到的信號進行解碼，從而得到ID卡的卡號。

3軟件設計

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及曼徹斯特編碼原理，然后再編寫相應的解碼程序獲取ID卡號。

3.1 EM4100數據存儲格式

EM4100全部的數據位為64bit，它包含9個開始位（其值均為“1”）、40個數據位（8個廠商信息位+32個數據位）、14個行列校驗位（10個行校驗+4個列校驗）和1個結束停止位。EM4100在向讀卡機或PC機傳送信息時，首先傳送9個開始位，接著傳送8個芯片廠商信息或版本代碼，然后再傳送32個數據位。其中15個校驗以及結束位用以跟蹤包含廠商信息在內的40位數據，如圖3所示。

檢查數據傳輸中是否發生錯誤，射頻識別卡對每個字節都增加兩個校驗位，其中高半字節一個，低半字節一個，這樣每個字節增加到10位二進制數，5個字節共有50位。為了校驗數據的整體性錯誤，射頻ID卡還增加了一個4位的縱向冗余檢驗，這樣整個ID卡數據增加到54位。當進入射頻場時，如果卡片直接回送這5個字節，那么讀寫器很難確定起始位和結束位，所以射頻識別卡又增加了9個二進制“1”在前面作起始位，增加了一個二進制“0”在后面作結束位，這樣ID卡就有了64位數據，正好8個字節。

3.2 EM4100數據編碼方式

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停止位、9個二進制“1”的起始碼和隨后的5個碼元構成的一串曼徹斯特編碼（后繼碼元省略），對此串編碼碼進行深入分析有助于解碼程序的編寫。圖4中系統時鐘位為從CD4060的Q7腳實測發射時125 kHz載波信號，曼徹斯特編碼為LM393比較器7腳實測解調后的曼徹斯特編碼信號，數據為軟件解碼后的實際數據，位數據“1”對應著電平上跳，位數據“0”對應著電平下跳。在接收到的一串數據序列中，兩個相鄰的位數據傳送跳變時間間隔應為一個數據周期T。在曼徹斯特碼調制方式下，EM4100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，即數據周期T為：T=64/125 kHz=512€%es，則半個周期的時間為256€%es。

3.3 解碼軟件設計

曼徹斯特解碼過程要比編碼復雜，一般的，解碼過程有三個步驟：第一，獲取數據流的波特率（或者已知數據流的波特率）；第二，同步數據流的時鐘信號（實質是區分位幀邊沿和半位幀邊沿）；第三，根據上面兩步對數據流進行解碼。

具體的實現步驟如下，

（1）獲取圖4中系統時鐘上升沿，在連續兩個系統時鐘高電平時刻檢測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”， 連續兩個系統時鐘高電平期間如果沒有電平跳變則無卡，進行下一個檢測周期。

（2）連續檢測到一個“0”碼和9個“1”碼繼續接收后繼碼元，否則返回步驟1繼續檢測起始碼。經過此過程就能正確獲取曼徹斯特編碼的原始數據，然后按EM4100數據存儲格式進行數據校驗，看是否為讀取的正確編碼，如果編碼正確，去掉相應的校驗位，對數據進行重新整合，就能獲取ID卡中的ID號，至此解碼工作完成。

4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，無需讀卡集成芯片，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RS232的傳輸距離最大只有15m，因此對于需要較遠距離數據傳送的場合，可以通過無線數傳模塊，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來提高功放的效率，從而增大發射功率，增大讀卡距離。通測試，系統可成功實現對EM4100 ID卡的讀取，經過微調天線，最大讀取距離可達10cm，且讀卡穩定、成功率高，可將其應用于門禁、公交等系統。

參考文獻

[1] 樊昌信.通信原理[M].國防工業出版社，2006（9）.

[2] 單承贛.射頻識別（RFID）原理與應用[M].電子工業出版社，2015（1）.