基于过采样技术的远距离读卡系统的实现

     摘  要: 针对目前125 kH z读卡器的曼彻斯特解码的波形为矩形波、读卡距离较近(一般只有数十毫米) 、抗干扰能力较差的状况，提出了一种基于AD过采样技术的三角波解码方式。此方式大大的提高了读卡距离，配合大尺寸的振荡线圈读卡距离超过了1 000 mm。

　　0、引言

　　目前125 kH z读卡器的技术相对成熟，系统价格便宜,在各个行业得到了广泛应用，例如: 人员的身份识别，物品的信息管理，液化气的管理，动物的识别，酒店的门禁管理等用唯一识别号可以标识物体属性的地方都有应用。在一些应用场合10多毫米的读卡距离不能满足远距离读卡的要求,为此本文提出了一种基于AD过采样技术的曼彻斯特解码方式，较现有的方波解码方式读卡距离有了大的提高，配合大尺寸的振动线圈，读卡距离超过了1 000 mm。

　　1、系统的构成

　　系统的组成结构如图1所示，125 kH z的振荡电路，检波放大电路，自动调谐电路，低通滤波电路，这几部分构成了整个读卡器的射频通信控制，m cu部分，AD采样部分构成了系统的核心，这两个部分完成了振荡系统的自动调谐，卡片数据的解码，数据的发送、显示等功能。

　　2、曼彻斯特编码原理

　　曼彻斯特编码(M ancheSTer Encod ing)，也叫做相位编码( PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码被用在以太网媒介、无线链路等系统中。曼彻斯特编码提供一个简单的方式给编码简单的二进制序列，而没有长的周期，没有转换级别，因而防止时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。在这个技术下，实际上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为一个序列的逻辑1 或0 来发送的( 技术上叫做反向不归零制( NRZ) )。相反地，这些位被转换为一个稍微不同的格式，它通过使用直接的二进制编码有很多的优点。

　　在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号; 曼彻斯特编码从高到低的跳变是0 从低到高的跳变是1。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示0 或1 ，有跳变为0 ，无跳变为1 。

　　两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变, 不存在直流分量, 因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1 /2。

　　3、过采样技术原理

　　采样频率超出信号带宽的两倍, 用数字滤波器替换性能不好的模拟抗混叠滤波器, 这个过程称为过采样。AD 转换的过采样技术一般分三步: ( 1) 高速(相对于输入信号频谱)采样模拟信号; ( 2) 数字低通滤波; ( 3) 抽取数字序列。

　　采用这项技术, 既保留了输入信号的较完整信息, 降低了对输入信号频谱的要求, 又可以提高采样子系统的精度。

　　3. 1 奈奎斯特采样定理

　　根据奈奎斯特采样定理, 需要数字化的模拟信号的带宽必须被限制在采样频率fs的一半以下, 否则将会产生混叠效应, 信号将不能被完全恢复。这就从理论上要求一个理想的截频为fs/2的低通滤波器。实际中采用的通频带为0 ~fs/2的低通滤波器不可能既完全滤掉高于fs /2 的分量又不衰减接近于fs/2的有用分量。因此实际的采样结果也必然与理论上的有差别。如果采用高于fs的采样频率, 如2fs, 则可以很容易用模拟滤波器先滤掉高于1. 5fs的分量, 同时完整保留有用分量。采样后混入的界于0. 5fs~ 1. 5fs之间的分量可以很容易用数字滤波器来滤掉。这样输入模拟滤波器的设计将比抗混叠滤波器简单的多。

　　3. 2 量化与信噪比

　　模拟信号的量化带来了量化误差, 理想的最大量化误差为+ /- 0. 5LSB。AD转换器的输入范围和位数代表了最大的绝对量化误差。量化误差也可以在频域进行分析, AD转换的位数决定了信噪比SNR; 反过来说提高信噪比可以提高AD转换的精度。

　　假设输入信号不断变化, 量化误差可以看作能量均匀分布在0~ fs /2上的白噪声。但是对于理想的AD转换器和幅度缓慢变化的输入信号, 量化误差不能看作是白噪声。为了利用白噪声理论, 可以在输入信号上叠加一连续变化的信号, 叫做?? 抖动信号 , 它的幅值至少应为1LSB。

　　3. 3 叠加白噪声提高信噪比

　　由于量化噪声功率平均分配在0~ fs/2, 而量化噪声能量是不随采样频率变化的, 采用越高的采样频率时, 量化噪声功率密度将越小, 这时分布在输入信号的有用频谱上的噪声功率也越小, 即提高了信噪比。只要数字低通滤波器将大于fs/2的频率分量滤掉, 采样精度将会提高。

　　采用叠加白噪声进行的过采样在每提高一倍采样频率的情况下可以将信噪比提高3 dB 或者说增加半位的分辨率, 对于精度要求不太高的系统是不错的选择。这种方式需要通过某种方法产生白噪声, 有时AD转换器内部的噪声已经足够, 也就不用外加噪声源了。该方式对于输入原始波形没有限制, 尤其适合于过采样倍数可以做的较高的系统。

　　4、过采样解码原理

　　只读型125 kH z ID卡编码规则: 芯片采用曼彻斯特编码规则, RF周期与数据位周期的比率是RF /64, 卡片的全部数据位为64位, 包含9个开始位(全为1) 40个数据位( 8 个厂商码+ 32个数据位)、14个行列校验位( 10个行校验+ 4个列校验)、1个停止位。卡片在向读卡器传送数据时先传送9个开始位, 然后传送8个厂商码, 然后传送32个数据位。其中15个校验和结束位用以跟踪包含厂商码在内的40位数据。

　　　由图2可知, 解码的关键是要正确识别文件头和其余的数据, 即正确的识别逻辑1和逻辑0, 当ID卡由远到近接近读卡器时, ID卡从读卡器的电磁波辐射场获得能量, 对电磁场进行负载调制, 发回自己携带的信息; 当距离比较远时, 读卡器接收回的信号较弱, 放大之后不能达到MC?? 可以识别的数字信号, 显示为三角波, 而且幅值较小, 这样必须通过AD转换才能转换为MCM 可以识别的数字信号。由曼彻斯特的编码规则可知从高到低的跳变是0从低到高的跳变是1, 当信号通过低通滤波电路输入AD转换端时, 信号为三角波, 三角波的上升沿代表了曼彻斯特编码的低到高的跳变,即逻辑1, 下降沿代表了曼彻斯特编码的高到低的跳变, 即逻辑0, 上升沿和下降沿持续的时间即代表了逻辑1和逻辑0持续的时间, 有了这几个参数后MCM 就可正确的识别ID卡的信息, 进行曼彻斯特编码的解码了。

　　5、实例应用

　　识别卡采用曼彻斯特编码方式, RF周期与数据位周期的比率是RF /64, 即512 s就会有一个上跳沿或是下跳沿,从接收到的波形上看高电平或是低电平的最长持续时间为512 s(理想值), 最短持续时间为256 s(理想值)。因此通过判断高低电平的时间, 即可还原出时钟信号和数据。

　　在实际的应用中, 采用了AD 采样速度较高, 转换精度较高, 运算速度较高的ARM 作为主处理器, 型号为STM32F103X, 此款芯片的AD 转换速度可到1M, 精度达到12位, 运算速度最高达到72MH z, 通过1M 速度的AD转换,当前值和原来的值相比较即可判断是上升沿高电平还是下降沿低电平, 通过对转换次数的计数可以得到高电平或低电平持续的时间, 对这些数据进行数字滤波, 抗干扰处理, 得到了曼彻斯特编码的的数字数据, 对这些数据进行处理即可正确识别还原曼彻斯特编码波形, 然后根据曼彻斯特的编码规则和ID卡的编码规则即可还原ID卡所包含的信息。在理想状态下, 电平的最短持续时间为256 s, 最长持续时间为512 s, 但由于射频场信号的强弱和外界的影响, 最短持续时间和最长持续时间不是一个稳定的值, 因此在实际应用中, 应是一个取值范围。例如: 最短持续时间为170 s ~360 s, 最长持续时间为400 s~ 600 s(这些取值范围并不是固定的, 也没有太严格的要求。在实际应用中, 最好对所使用的ID卡进行测量一下, 然后参考测量的结果来选取。

　　具体的解码过程好多文章都有介绍, 本文就不在重复叙述。

　　图3为AD转换的程序流程图。

　　6、总结

　　通过过采样技术和自动调谐技术的应用, 本文所设计的读卡器成功的将读取距离扩展到1 000 mm 以上, 读卡稳定,探头间不相互影响, 在实际中得到了广泛的应用, 得到了客户的好*。