梁 飛 張紅雨

引言

射頻識(shí)別技術(shù)RFID是從20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)并獲取數(shù)據(jù)。不同于傳統(tǒng)的磁卡和IC卡。RFID技術(shù)解決了無(wú)源和無(wú)接觸兩大問(wèn)題，同時(shí)它可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，多目標(biāo)識(shí)別，在交通運(yùn)輸、門(mén)禁安全、身份識(shí)別、貨物管理、自動(dòng)控制、防盜防偽等方面廣泛應(yīng)用。

低頻射頻識(shí)別系統(tǒng)

根據(jù)天線理論，無(wú)源電子標(biāo)簽與讀卡器之間的作用距離屬于天線近區(qū)場(chǎng)(r<<λ，λ為載波波長(zhǎng))，因此，電子標(biāo)簽天線與識(shí)讀終端天線之間的作用是基于電磁感應(yīng)原理。由讀卡器產(chǎn)生恒定125kHz左右的載波信號(hào)。標(biāo)簽進(jìn)入讀卡器的工作區(qū)域后，由標(biāo)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(hào)，卡中芯片的射頻接口模塊由此信號(hào)產(chǎn)生出電源電壓、復(fù)位信號(hào)及系統(tǒng)時(shí)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(kāi)關(guān)電流調(diào)制到載波上，通過(guò)卡上天線回送給讀卡器，讀卡器對(duì)接收到的卡回送信號(hào)進(jìn)行ASK解調(diào)、解碼后送至后臺(tái)計(jì)算機(jī)輸出。

ID卡內(nèi)存中存有不可改寫(xiě)的64位數(shù)據(jù)，它包含9個(gè)開(kāi)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位行校驗(yàn)、4個(gè)列校驗(yàn))和1個(gè)結(jié)束停止位。其數(shù)據(jù)格式見(jiàn)圖1。

當(dāng)電子標(biāo)簽向讀卡器回傳信息時(shí)，首先傳送9個(gè)開(kāi)始位，由于數(shù)據(jù)和偶校驗(yàn)的格式的原因，在后面的數(shù)據(jù)串中不會(huì)出現(xiàn)9個(gè)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(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)。傳送卡號(hào)時(shí)，這64位數(shù)據(jù)通過(guò)載波在天線上首尾相

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2給出了基于單片機(jī)的低頻ID讀卡器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由單片機(jī)組成主控模塊，結(jié)合載波電路和解調(diào)電路對(duì)標(biāo)簽回傳信號(hào)進(jìn)行解碼并向PC傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行閃燈和響蜂鳴器來(lái)提示正確讀取卡號(hào)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)以啟動(dòng)電子標(biāo)簽工作，對(duì)標(biāo)簽返回的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。采74HC4060的分頻范圍分別為8～1024、4096～32768：采用74HC4060對(duì)4MHz信號(hào)進(jìn)行32分頻得到125KHz載波信號(hào)。分頻出來(lái)的載波信號(hào)通過(guò)天線對(duì)ID卡提供能量。

接收回路首先采用一個(gè)二極管檢波電路進(jìn)行包絡(luò)檢波。選擇適當(dāng)?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(luò)檢波器的輸出波形與調(diào)幅波包絡(luò)線基本一致。再通過(guò)運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，以便通過(guò)比較器使模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，最終完成ASK的解調(diào)輸出。

主控模塊

主控模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行解碼，同時(shí)將得到的卡號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)UART向PC機(jī)傳輸。本設(shè)計(jì)采用STC12C2052單片機(jī)作為主控芯片，該單片機(jī)成本低，同時(shí)兼容8051單片機(jī)內(nèi)核，具有運(yùn)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(shè)計(jì)要求。MCU部分電路圖見(jiàn)圖3。

解調(diào)電路輸出的已調(diào)數(shù)字信號(hào)從單片機(jī)P3.2引腳輸入，P3.2是外部中斷INTO輸入引腳，設(shè)置INTO為下降沿中斷。當(dāng)接收到已調(diào)信號(hào)時(shí)，觸發(fā)中斷，同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，在下一中斷到來(lái)時(shí)，統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行判斷。采用外部16MHz晶振，R15與C17構(gòu)成了復(fù)位電路：p3.0和p3.1作為UART的RX和TX引腳，構(gòu)成人機(jī)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(shí)燈一直為亮，在剛通電與讀到卡時(shí)，會(huì)閃一下，同時(shí)蜂鳴器也會(huì)響一下作為警不。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行一系列設(shè)置，包括UART波特率、定時(shí)器計(jì)數(shù)方式和計(jì)數(shù)時(shí)鐘選擇、外部下降沿中斷觸發(fā)式的設(shè)置等，設(shè)置完成后會(huì)響一聲作為提示。然后進(jìn)行曼徹斯特解碼和奇偶校驗(yàn)，當(dāng)奇偶校驗(yàn)正確之后，將收到的32位卡號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10位ASCII碼。單片機(jī)會(huì)將這10位ASCII碼送人串口數(shù)據(jù)寄存器中，通過(guò)TXD引腳送給PC。通過(guò)設(shè)置單片機(jī)內(nèi)部寄存器TMOD可以得到需要的波特率。

結(jié)語(yǔ)

本讀卡器設(shè)計(jì)具有電路簡(jiǎn)單，成本低，靈敏度高，讀取效率高的特點(diǎn)；在軟件上對(duì)曼徹斯特碼進(jìn)行同步解碼，讀卡速度比較快，由于對(duì)載波頻率的變化不敏感，故讀卡成功率非常高：同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)波特率從1200～115200的設(shè)置。實(shí)際應(yīng)用表明讀取距離可達(dá)到7 cm左右。