引言

無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感應、電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信、獲取相關數據的一種自動識別技術。該技術完成識別工作時無須人工干預，易于實現自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便，已經得到了廣泛的應用。

目前存在的一些讀卡器，都需要讀卡芯片作為基站，成本較高。本文介紹了一種采用分立元件構成的125 kHz RFID閱讀器，電路結構簡單，成本極低，用于讀取EM4100型ID卡。 

1 RFID系統的分類

RFID系統的分類方法有很多，在通常應用中都是根據頻率來分，根據不同的工作頻率，可將其分為以下四種：

(1)低頻(120～135 kHz)。該頻段具有很強的場穿透性，使用不受限制，性能不受環境影響，價格低廉，最大識別距離一般小于60 cm，主要應用于門禁、“一卡通”消費管理、車輛管理等系統；
(2)高頻(10～15 MHz)。該頻段與低頻相比，具有防沖撞、能同時識別多個標簽的優點，但其性能受環境影響，識別距離一般小于100 cm，主要應用于圖書管理、物流等系統；
(3)超高頻(850～960 MHz)。該頻段較高頻相比，具有可實現長距離識別的的優點，最大識別距離可達10 m，但其性能受環境影響較大，價格也較貴，主要應用于鐵路車輛識別、集裝箱識別等系統；
(4)微波(2．45～5．8 GHz)。該頻段可實現遠距離識別，識別距離可達100 m，但其價格也最貴，主要應用于智能交通系統中。

2 RFID系統的組成

射頻識別系統一般由閱讀器、電子標簽、天線三部分組成。

(1)閱讀器：讀取或讀／寫電子標簽信息的設備，主要任務是控制射頻模塊向標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的標識信息進行解碼，將標識信息連帶標簽上其他相關信息傳輸到主機以供處理。一臺典型的閱讀器包含有高頻模塊(發送器和接收器)、控制單元以及與應答器連接的耦合元件。此外，許多閱讀器還有附加的接口(RS 232，RS 485等)，以便將所獲得的數據傳輸給另外的系統(如個人計算機)，其系統結構框圖如圖1所示。 

(2)電子標簽(應答器)：由芯片及內置天線組成，芯片內保存有一定格式的電子數據，放在被識別物體上，作為待識別物品的標識性信息，它是射頻識別系統真正的數據載體，內置天線用于和射頻天線間進行通信。通常，應答器沒有自己的供電電源，只有在閱讀器的響應范圍以內，應答器才是有源的。應答器工作所需的能量，是通過耦合單元(非接觸的)傳輸給應答器的。

(3)天線：標簽與閱讀器之間數據傳輸的載體。

3 硬件電路設計 

本設計以AVR系列單片機ATmega8作為微控制器。Atmel公司的AVR是8位單片機中第一個真正采用RSIC結構的單片機，它采用了大型快速存取寄存器組、快速單周期指令系統以及單級流水線等先進技術，使得AVR單片機具有高達1 MLPS／MHz的高速運行處理能力。 

硬件電路如圖2所示，在圖2中：
①為載波產生及功率放大電路，由單片機的T／C2工作于CTC模式，產生標準125 kHz載波信號，經過限流電阻R1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C1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最大的電流，從而產生最大的磁通量，獲得更大的讀卡距離。
②為檢波電路，檢波電路用來去除125 kHz載波信號，還原出有用數據信號。R2，D1，R3，C2構成基本包絡檢波電路，C3為耦合電容，R4，C4為低通濾波電路，D2，D3為保護二極管，輸出接到濾波放大電路。
③為濾波放大電路，濾波放大電路采用集成運放LM358對檢波后的信號進行濾波整形放大，放大后的信號送入單片機的定時／計數器T1的輸入捕捉引腳ICPl，由單片機對接收到的信號進行解碼，從而得到ID卡的卡號。 

4 軟件設計 

本系統的軟件設計包括兩部分：125 kHz載波的產生和ID卡解碼。載波信號產生相對簡單，可利用單片機的T／C2，使其工作于CTC模式，比較匹配時使輸出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解碼軟件設計相對較復雜，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。 

4．1 EM4100數據存儲格式 

圖3是EM4100的64位數據信息，它由5個區組成：9個引導位、10個行偶校驗位“PO～P9'’、4個列偶校驗位“PC0～PC3”、40個數據位“D00～D93”和1個停止位S0。9個引導位是出廠時就已掩膜在芯片內的，其值為“111111111”，當它輸出數據時，首先輸出9個引導位，然后是10組由4個數據位和1個行偶校驗位組成的數據串，其次是4個列偶校驗位，最后是停止位“0”。“D00～D13”是一個8位的晶體版本號或ID識別碼。“D20～D93”是8組32位的芯片信息，即卡號。 

每當EM4100將64個信息位傳輸完畢后，只要ID卡仍處于讀卡器的工作區域內，它將再次按照圖3順序發送64位信息，如此重復，直至ID卡退出讀卡器的有效工作區域。 

4．2 EM4100數據編碼方式 

EM4100采用曼徹斯特編碼，如圖4所示：位數據“1”對應著電平下跳，位數據“0”對應著電平上跳。在一串數據傳送的數據序列中，兩個相鄰的位數據傳送跳變時間間隔應為1P。若相鄰的位數據極性相同(相鄰兩位均為“O”或“1”)，則在兩次位數據傳送的電平跳變之間，有一次非數據傳送的、預備性的(電平)“空跳”。電平的上跳、下跳和空跳是確定位數據傳送特征的判據。在曼徹斯特碼調制方式下，M4100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，即位傳送時間為：1P=64／125 kHz=512μs，則半個周期的時間為256μs。 

4．3 解碼軟件設計 

ATmega8單片機T／C1的輸入捕捉功能是AVR定時／計數器的一個非常有特點的功能，T／C1的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個外部事件的發生，記錄事件發生的時間印記。當一個輸入捕捉事件發生時，T／C1的計數器TCNTl中的計數值被寫入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標志位ICFl，產生中斷申請。可通過設置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來設定輸入捕捉信號觸發方式。本系統利用單片機的輸入捕捉功能進行解碼。

由曼徹斯特編碼特點可知，每位數據都由半個周期的高電平和半個周期的低電平組成，因此可將一個位數據拆分為兩位，即位數據“1”可視為“10”，位數據“O”可視為“01”，則64位數據可視為由128位組成。為了獲得完整且連續存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數據，即接收256位。則上一輪接收到的停止位后緊跟著的必然是本輪接收到的起始位，據此找出起始同步頭。再根據曼碼特點獲得ID卡的有效數據(“10”解碼為“1”；“01”解碼為“O”)并進行LCR校驗，若校驗無誤，則將ID卡號輸出至PC機，并準備下一次的解碼；否則，直接準備下一次解碼。另外，在程序中首先定義一個數組bit[256]用來存放接收到的數據；定義一個變量flag用來標記256位數據接收完成；定義一個變量error用來標記校驗有錯誤產生。由于無ID卡靠近讀卡器的有效工作區時，單片機輸入捕捉引腳輸入的是高電平，因此在主程序中先設定為下降沿觸發，清零計數器TCNTl，打開T／C1的輸入捕捉功能。主程序流程圖如圖5所示。 

在輸入捕捉中斷程序中定義一個觸發沿標志tr=1(用于表示由下降沿引起的觸發)，同時定義一個無符號字符型變量i用來對接收到的數據個數進行計數，由于無符號字符型數據的取值范圍為O～255，所以當接收完256位時，i的值再次變為0。接著判斷是否為合法跳變，由以上分析可知，電平跳變的時間為256μs或512μs為合法跳變。本系統使用8 MHz時鐘，T／C1設置為無預分頻，則系統周期為O．125μs，則256μs對應計數值應為2 048，512μs對應計數值應為4 096。取計數值TCNTl小于5 000為合法跳變依據，若TC-NTl大于5 000，則認為是由干擾信號產生的非法跳變，并將其忽略，取TCNTl介于3 000～5 000之間為512μs跳變依據。若為合法跳變，由于是下降沿觸發的中斷，則認為接收到一位數據“1”；若為合法跳變且3 000<TCNTl<5 000，則認為接收到兩位數據“1”。

再將輸入捕捉觸發方式改為上升沿觸發，設定觸發沿標志tr=0(用于表示由上升沿引起的觸發)。當中斷是由上升沿觸發時，執行類似操作。圖6為中斷處理程序流程圖。

5 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，無需讀卡基站芯片，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RS 232的傳輸距離最大只有15 m，因此對于需要遠距離數據傳送的場合，可以通過加入RS 485電路以提高傳輸距離，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(例如采用D類功率放大電路)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15 cm，且讀卡穩定、成功率高，可將其應用于門禁、公交等系統。