基于AVR单片机的125 kHz简易RFID阅读器设计

0 引言
    无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感应、电磁场或电磁波为传输手段，完成非接触式双向通信、获取相关数据的一种自动识别技术。该技术完成识别工作时无须人工干预，易于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便，已经得到了广泛的应用。
    目前存在的一些读卡器，都需要读卡芯片作为基站，成本较高。本文介绍了一种采用分立元件构成的125 kHz RFID阅读器，电路结构简单，成本极低，用于读取EM4100型ID卡。

1 RFID系统的分类
    RFID系统的分类方法有很多，在通常应用中都是根据频率来分，根据不同的工作频率，可将其分为以下四种：
    (1)低频(120～135 kHz)。该频段具有很强的场穿透性，使用不受限制，性能不受环境影响，价格低廉，最大识别距离一般小于60 cm，主要应用于门禁、“一卡通”消费管理、车辆管理等系统；
    (2)高频(10～15 MHz)。该频段与低频相比，具有防冲撞、能同时识别多个标签的优点，但其性能受环境影响，识别距离一般小于100 cm，主要应用于图书管理、物流等系统；
    (3)超高频(850～960 MHz)。该频段较高频相比，具有可实现长距离识别的的优点，最大识别距离可达10 m，但其性能受环境影响较大，价格也较贵，主要应用于铁路车辆识别、集装箱识别等系统；
    (4)微波(2．45～5．8 GHz)。该频段可实现远距离识别，识别距离可达100 m，但其价格也最贵，主要应用于智能交通系统中。

2 RFID系统的组成
    射频识别系统一般由阅读器、电子标签、天线三部分组成。
    (1)阅读器：读取或读／写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的标识信息进行解码，将标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，许多阅读器还有附加的接口(RS 232，RS 485等)，以便将所获得的数据传输给另外的系统(如个人计算机)，其系统结构框图如图1所示。

    (2)电子标签(应答器)：由芯片及内置天线组成，芯片内保存有一定格式的电子数据，放在被识别物体上，作为待识别物品的标识性信息，它是射频识别系统真正的数据载体，内置天线用于和射频天线间进行通信。通常，应答器没有自己的供电电源，只有在阅读器的响应范围以内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，是通过耦合单元(非接触的)传输给应答器的。
    (3)天线：标签与阅读器之间数据传输的载体。

3 硬件电路设计
    本设计以AVR系列单片机ATmega8作为微控制器。Atmel公司的AVR是8位单片机中第一个真正采用RSIC结构的单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1 MLPS／MHz的高速运行处理能力。

    硬件电路如图2所示，在图2中①为载波产生及功率放大电路，由单片机的T／C2工作于CTC模式，产生标准125 kHz载波信号，经过限流电阻R1后送入推挽式连接的三极管功率放大电路，放大后的载波信号通过天线发射出去。天线L1与电容C1构成串联谐振电路，谐振频率为125 kHz，谐振电路的作用是使天线上获得最大的电流，从而产生最大的磁通量，获得更大的读卡距离。②为检波电路，检波电路用来去除125 kHz载波信号，还原出有用数据信号。R2，D1，R3，C2构成基本包络检波电路，C3为耦合电容，R4，C4为低通滤波电路，D2，D3为保护二极管，输出接到滤波放大电路。③为滤波放大电路，滤波放大电路采用集成运放LM358对检波后的信号进行滤波整形放大，放大后的信号送入单片机的定时／计数器T1的输入捕捉引脚ICPl，由单片机对接收到的信号进行解码，从而得到ID卡的卡号。

4 软件设计
    本系统的软件设计包括两部分：125 kHz载波的产生和ID卡解码。载波信号产生相对简单，可利用单片机的T／C2，使其工作于CTC模式，比较匹配时使输出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解码软件设计相对较复杂，要对ID卡进行解码，首先应掌握ID卡的存储格式和数据编码方式。
4．1 EM4100数据存储格式
    图3是EM4100的64位数据信息，它由5个区组成：9个引导位、10个行偶校验位“PO～P9'’、4个列偶校验位“PC0～PC3”、40个数据位“D00～D93”和1个停止位S0。9个引导位是出厂时就已掩膜在芯片内的，其值为“111111111”，当它输出数据时，首先输出9个引导位，然后是10组由4个数据位和1个行偶校验位组成的数据串，其次是4个列偶校验位，最后是停止位“0”。“D00～D13”是一个8位的晶体版本号或ID识别码。“D20～D93”是8组32位的芯片信息，即卡号。

    每当EM4100将64个信息位传输完毕后，只要ID卡仍处于读卡器的工作区域内，它将再次按照图3顺序发送64位信息，如此重复，直至ID卡退出读卡器的有效工作区域。
4．2 EM4100数据编码方式
    EM4100采用曼彻斯特编码，如图4所示：位数据“1”对应着电平下跳，位数据“0”对应着电平上跳。在一串数据传送的数据序列中，两个相邻的位数据传送跳变时间间隔应为1P。若相邻的位数据极性相同(相邻两位均为“O”或“1”)，则在两次位数据传送的电平跳变之间，有一次非数据传送的、预备性的(电平)“空跳”。电平的上跳、下跳和空跳是确定位数据传送特征的判据。在曼彻斯特码调制方式下，M4100每传送一位数据的时间是64个振荡周期，其值由RF／n决定。若载波频率为125 kHz，则每传送一位的时间为振荡周期的64分频，即位传送时间为：1P=64／125 kHz=512μs，则半个周期的时间为256μs。
4．3 解码软件设计
    ATmega8单片机T／C1的输入捕捉功能是AVR定时／计数器的一个非常有特点的功能，T／C1的输入捕捉单元可用于精确捕捉一个外部事件的发生，记录事件发生的时间印记。当一个输入捕捉事件发生时，T／C1的计数器TCNTl中的计数值被写入输入捕捉寄存器ICRl中，并置位输入捕获标志位ICFl，产生中断申请。可通过设置寄存器TCCRlB的第6位ICESl来设定输入捕捉信号触发方式。本系统利用单片机的输入捕捉功能进行解码。
    由曼彻斯特编码特点可知，每位数据都由半个周期的高电平和半个周期的低电平组成，因此可将一个位数据拆分为两位，即位数据“1”可视为“10”，位数据“O”可视为“01”，则64位数据可视为由128位组成。为了获得完整且连续存放的64位ID信息，在此接收两轮完整的64位数据，即接收256位。则上一轮接收到的停止位后紧跟着的必然是本轮接收到的起始位，据此找出起始同步头。再根据曼码特点获得ID卡的有效数据(“10”解码为“1”；“01”解码为“O”)并进行LCR校验，若校验无误，则将ID卡号输出至PC机，并准备下一次的解码；否则，直接准备下一次解码。另外，在程序中首先定义一个数组bit[256]用来存放接收到的数据；定义一个变量flag用来标记256位数据接收完成；定义一个变量error用来标记校验有错误产生。由于无ID卡靠近读卡器的有效工作区时，单片机输入捕捉引脚输入的是高电平，因此在主程序中先设定为下降沿触发，清零计数器TCNTl，打开T／C1的输入捕捉功能。主程序流程图如图5所示。

    在输入捕捉中断程序中定义一个触发沿标志tr=1(用于表示由下降沿引起的触发)，同时定义一个无符号字符型变量i用来对接收到的数据个数进行计数，由于无符号字符型数据的取值范围为O～255，所以当接收完256位时，i的值再次变为0。接着判断是否为合法跳变，由以上分析可知，电平跳变的时间为256μs或512μs为合法跳变。本系统使用8 MHz时钟，T／C1设置为无预分频，则系统周期为O．125μs，则256μs对应计数值应为2 048，512μs对应计数值应为4 096。取计数值TCNTl小于5 000为合法跳变依据，若TC-NTl大于5 000，则认为是由干扰信号产生的非法跳变，并将其忽略，取TCNTl介于3 000～5 000之间为512μs跳变依据。若为合法跳变，由于是下降沿触发的中断，则认为接收到一位数据“1”；若为合法跳变且3 000<TCNTl<5 000，则认为接收到两位数据“1”。
    再将输入捕捉触发方式改为上升沿触发，设定触发沿标志tr=0(用于表示由上升沿引起的触发)。当中断是由上升沿触发时，执行类似操作。图6为中断处理程序流程图。

5 结语
    本设计硬件电路中功放和检波部分采用分立元件构成，无需读卡基站芯片，电路结构简单，成本极低；软件部分采用C语言进行编写，提出了一种曼彻斯特编码的解码方法。由于RS 232的传输距离最大只有15 m，因此对于需要远距离数据传送的场合，可以通过加入RS 485电路以提高传输距离，从而实现远距离数据采集以及实行有关控制。在一些需要较远读卡距离的应用中，可通过改进功率放大电路(例如采用D类功率放大电路)来提高功放的效率，从而增大发射功率，增大读卡距离。通测试，系统可成功实现对EM4100 ID卡的读取，经过微调天线，最大读取距离可达15 cm，且读卡稳定、成功率高，可将其应用于门禁、公交等系统。