基于AVR單片機(jī)的125 kHz簡易RFID閱讀器設(shè)計(jì)

0 引言
無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感應(yīng)、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(guān)數(shù)據(jù)的一種自動識別技術(shù)。該技術(shù)完成識別工作時(shí)無須人工干預(yù)，易于實(shí)現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運(yùn)動物體并可同時(shí)識別多個(gè)射頻卡，操作快捷方便，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)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(gòu)成的125 kHz RFID閱讀器，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本極低，用于讀取EM4100型ID卡。

1 RFID系統(tǒng)的分類
RFID系統(tǒng)的分類方法有很多，在通常應(yīng)用中都是根據(jù)頻率來分，根據(jù)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(qiáng)的場穿透性，使用不受限制，性能不受環(huán)境影響，價(jià)格低廉，最大識別距離一般小于60 cm，主要應(yīng)用于門禁、“一卡通”消費(fèi)管理、車輛管理等系統(tǒng)；
(2)高頻(10～15 MHz)。該頻段與低頻相比，具有防沖撞、能同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)，但其性能受環(huán)境影響，識別距離一般小于100 cm，主要應(yīng)用于圖書管理、物流等系統(tǒng)；
(3)超高頻(850～960 MHz)。該頻段較高頻相比，具有可實(shí)現(xiàn)長距離識別的的優(yōu)點(diǎn)，最大識別距離可達(dá)10 m，但其性能受環(huán)境影響較大，價(jià)格也較貴，主要應(yīng)用于鐵路車輛識別、集裝箱識別等系統(tǒng)；
(4)微波(2．45～5．8 GHz)。該頻段可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識別，識別距離可達(dá)100 m，但其價(jià)格也最貴，主要應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中。

2 RFID系統(tǒng)的組成
射頻識別系統(tǒng)一般由閱讀器、電子標(biāo)簽、天線三部分組成。
(1)閱讀器：讀取或讀／寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，將標(biāo)識信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。一臺典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及與應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸給另外的系統(tǒng)(如個(gè)人計(jì)算機(jī))，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

(2)電子標(biāo)簽(應(yīng)答器)：由芯片及內(nèi)置天線組成，芯片內(nèi)保存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，放在被識別物體上，作為待識別物品的標(biāo)識性信息，它是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，內(nèi)置天線用于和射頻天線間進(jìn)行通信。通常，應(yīng)答器沒有自己的供電電源，只有在閱讀器的響應(yīng)范圍以內(nèi)，應(yīng)答器才是有源的。應(yīng)答器工作所需的能量，是通過耦合單元(非接觸的)傳輸給應(yīng)答器的。
(3)天線：標(biāo)簽與閱讀器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)以AVR系列單片機(jī)ATmega8作為微控制器。Atmel公司的AVR是8位單片機(jī)中第一個(gè)真正采用RSIC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，它采用了大型快速存取寄存器組、快速單周期指令系統(tǒng)以及單級流水線等先進(jìn)技術(shù)，使得AVR單片機(jī)具有高達(dá)1 MLPS／MHz的高速運(yùn)行處理能力。

硬件電路如圖2所示，在圖2中①為載波產(chǎn)生及功率放大電路，由單片機(jī)的T／C2工作于CTC模式，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)125 kHz載波信號，經(jīng)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(fā)射出去。天線L1與電容C1構(gòu)成串聯(lián)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(chǎn)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(shù)據(jù)信號。R2，D1，R3，C2構(gòu)成基本包絡(luò)檢波電路，C3為耦合電容，R4，C4為低通濾波電路，D2，D3為保護(hù)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(yùn)放LM358對檢波后的信號進(jìn)行濾波整形放大，放大后的信號送入單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1的輸入捕捉引腳ICPl，由單片機(jī)對接收到的信號進(jìn)行解碼，從而得到ID卡的卡號。

4 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：125 kHz載波的產(chǎn)生和ID卡解碼。載波信號產(chǎn)生相對簡單，可利用單片機(jī)的T／C2，使其工作于CTC模式，比較匹配時(shí)使輸出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解碼軟件設(shè)計(jì)相對較復(fù)雜，要對ID卡進(jìn)行解碼，首先應(yīng)掌握ID卡的存儲格式和數(shù)據(jù)編碼方式。
4．1 EM4100數(shù)據(jù)存儲格式
圖3是EM4100的64位數(shù)據(jù)信息，它由5個(gè)區(qū)組成：9個(gè)引導(dǎo)位、10個(gè)行偶校驗(yàn)位“PO～P9'’、4個(gè)列偶校驗(yàn)位“PC0～PC3”、40個(gè)數(shù)據(jù)位“D00～D93”和1個(gè)停止位S0。9個(gè)引導(dǎo)位是出廠時(shí)就已掩膜在芯片內(nèi)的，其值為“111111111”，當(dāng)它輸出數(shù)據(jù)時(shí)，首先輸出9個(gè)引導(dǎo)位，然后是10組由4個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)行偶校驗(yàn)位組成的數(shù)據(jù)串，其次是4個(gè)列偶校驗(yàn)位，最后是停止位“0”?！癉00～D13”是一個(gè)8位的晶體版本號或ID識別碼?！癉20～D93”是8組32位的芯片信息，即卡號。