125K非接觸ID卡讀卡器設(shè)計(jì)完整版

125K非接觸IC卡讀卡頭125K讀卡頭的工作電壓為12V/5v,電流為30——40MA讀卡距離最遠(yuǎn)15CM。如要低功耗最有效是讀卡頭工作時(shí)供電，不工作時(shí)斷電。讀卡距離與卡和天線有關(guān)，可以讀各種125K曼徹斯特編碼的只讀ID卡（4001,EM4100等等）和含E2PROM的RF卡。如E5550。讀卡頭（OUT）輸出信號(hào)為原卡的曼徹斯特碼，（用示波器接讀卡頭輸出可以觀測(cè)ID卡的輸出波形）它和其它公司的125K讀卡頭（輸出信號(hào)為原卡的曼徹斯特碼）是兼容的，可以相互替換，不用修改程序。讀卡頭也可以讀可擦寫的125k非接觸IC卡，如當(dāng)讀E5550時(shí)，卡的用來(lái)控制是否啟動(dòng)AOR位應(yīng)置0，（當(dāng)置1時(shí)IC卡不主動(dòng)發(fā)射數(shù)據(jù)，需讀卡頭先發(fā)送口令。我的讀卡頭是只讀，不能發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)AOR位置1時(shí)不能讀IC卡的數(shù)據(jù)）。天線的設(shè)計(jì)：天線電感值=345Uh線徑（p0.29mm圓形（內(nèi)徑）：直徑6CM58圈直徑8CM40圈直徑3CM83圈直徑2CM115圈長(zhǎng)方形：9.5*7CM38圈4.7*6.3CM50圈非接觸式IC卡簡(jiǎn)介：非接觸式智能卡以其高度安全保密性，通信高速性，使用方便性，成本日漸低廉等而受到廣泛使用，給我們的生活質(zhì)量帶來(lái)了很大的提高。非接觸式IC卡簡(jiǎn)介又稱射頻卡，成功地解決了無(wú)源（卡中無(wú)電源）和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。主要用于智能門禁控制器，智能門鎖，考勤機(jī)，自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)等.射頻卡與接觸式IC卡,TM卡相比有以下優(yōu)點(diǎn)：1可靠性高，無(wú)機(jī)械接觸，從而避免了各種故障;2操作方便，快捷，使用時(shí)沒(méi)有方向性，個(gè)方向操作;3安全和保密性能好，采用雙向驗(yàn)證機(jī)制。讀寫器驗(yàn)證IC卡的合法性，同時(shí)IC卡驗(yàn)證讀寫器的合法性。每張卡均有唯一的序列號(hào)。制造廠家在產(chǎn)品出長(zhǎng)前已將此序列號(hào)固化，不可再更改，因此可以說(shuō)世界上沒(méi)有兩張相同的非接觸IC卡;只讀ID卡的資料11111ii111ID00DOID02D03POi□10DllDt2DBPlD20D21D22D23P2D3QD31D32D33P3moD41D42￡>43P4DSOD51D52D53P5MOD6ID62D63P6D70D71D72D73P7D8OD81D82D83P8IiEWOD91D92D93P9PCOPCIPC2PC30圖164位激光可編程ROM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非接觸ID卡主要有臺(tái)灣4001卡和瑞士H4001卡,EM4100。它們都采用125kHz的典型工作頻率，有64位激光可編程ROM，調(diào)制方式為曼徹斯特碼(Manchester)調(diào)制，位數(shù)據(jù)傳送周期為512〃s其64位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。連續(xù)9位“1”作為頭數(shù)據(jù)，是讀取數(shù)據(jù)時(shí)的同步標(biāo)識(shí)；D00?D93位是用戶定義數(shù)據(jù)位；P0?P9是行奇校驗(yàn)位，PC0?PC3是列奇校驗(yàn)位，最后位“0”是結(jié)束標(biāo)志。非接觸ID卡的這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常有利于判斷讀出數(shù)據(jù)的正確性。根據(jù)曼徹斯特碼的編碼原則非接觸ID卡采用上升沿對(duì)應(yīng)著位數(shù)據(jù)“0”，下降沿對(duì)應(yīng)著位數(shù)據(jù)“1”，微控制器通過(guò)檢測(cè)125k非接觸IC卡讀卡器輸出數(shù)據(jù)位的跳變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)曼徹斯特碼的譯碼。數(shù)據(jù)讀以后，根據(jù)前面所提到的非接觸ID卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)比較奇校驗(yàn)算法與讀出數(shù)據(jù)中的奇校驗(yàn)位來(lái)驗(yàn)證出數(shù)據(jù)的正確性。在工作狀態(tài)下，只要125K讀卡頭電路不斷電，非接觸ID卡在讀卡區(qū)內(nèi)，非接觸ID卡將循環(huán)發(fā)送64位數(shù)據(jù)，而125K讀卡頭的OUT腳也循環(huán)發(fā)送64位數(shù)據(jù)。曼碼調(diào)制的數(shù)據(jù)表達(dá)方式由圖可知，位數(shù)據(jù)的傳送周期（1P）規(guī)定了每傳送1位數(shù)據(jù)的時(shí)間是固定的，E5550系列它由RF/n決定其物理實(shí)質(zhì)是微控制器通過(guò)基站與應(yīng)答器中的存儲(chǔ)器（EEPROM）進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。而ID4001載波頻率fOSC=125kHz，位數(shù)據(jù)傳送率RF/64是固定的，則每傳送一位的時(shí)間（周期）為振蕩周期的64分頻，故位傳送周期為:1P=1/（125kHzX64）=512仇s數(shù)據(jù)時(shí)鉀L_r_LrLFLnLnLFLnLn讀如據(jù)J~i~|曰|~ii~|口|~i_|「空跳景啊―1nof―根據(jù)我們得到的器件，采用曼碼調(diào)制的數(shù)據(jù)，位數(shù)據(jù)"1"對(duì)應(yīng)著電平下跳，位數(shù)據(jù)"0"對(duì)應(yīng)著電平上跳在一串傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個(gè)相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時(shí)間間隔應(yīng)為1P。若相鄰的位數(shù)據(jù)極性相同，則在該兩次位數(shù)據(jù)傳送的電平跳變之間，有一次非數(shù)據(jù)傳送的、預(yù)備性的(電平)”空跳”。電平上跳、電平下跳和兩個(gè)相鄰的同極性位數(shù)據(jù)之間的預(yù)備性空跳是確定位數(shù)據(jù)傳送特征的判據(jù)。0引言無(wú)線射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification，RFID)是利用感應(yīng)、電磁場(chǎng)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(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)完成識(shí)別工作時(shí)無(wú)須人工干預(yù)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且不易損壞，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)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125kHzRFID閱讀器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本極低，用于讀取EM4100型ID卡。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(lái)分，根據(jù)不同的工作頻率，可將其分為以下四種：低頻(120?135kHz)。該頻段具有很強(qiáng)的場(chǎng)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(shí)別距離一般小于60cm，主要應(yīng)用于門禁、''一卡通〃消費(fèi)管理、車輛管理等系統(tǒng)；高頻(10?15MHz)。該頻段與低頻相比，具有防沖撞、能同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)，但其性能受環(huán)境影響，識(shí)別距離一般小于100cm，主要應(yīng)用于圖書管理、物流等系統(tǒng)；超高頻(850?960MHz)。該頻段較高頻相比，具有可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離識(shí)別的的優(yōu)點(diǎn)，最大識(shí)別距離可達(dá)10m，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(shí)別、集裝箱識(shí)別等系統(tǒng)；微波(2.45?5.8GHz)。該頻段可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別，識(shí)別距離可達(dá)100m，但其價(jià)格也最貴，主要應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中。RFID系統(tǒng)的組成射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由閱讀器、電子標(biāo)簽、天線三部分組成。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(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將標(biāo)識(shí)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(tái)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(RS232,RS485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。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(shí)別物體上，作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息，它是射頻識(shí)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(méi)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(guò)耦合單元非接觸的)傳輸給應(yīng)答器的。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(jí)流水線等先進(jìn)技術(shù)，使得AVR單片機(jī)具有高達(dá)1MLPS/MHz的高速運(yùn)行處理能力。IN4US-2四楫波電建■T；125kHziliiftI產(chǎn)a及功率成人|醉UEJTF5川04122UkQ」加PDWRXDPDl/TXDPIJCKPIAlm已哄PB3>Or2困2讀卡器硬件電路硬件電路如圖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)125kHz載波信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(hào)通過(guò)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125kHz，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(lái)去除125kHz載波信號(hào)，還原出有用數(shù)據(jù)信號(hào)。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(duì)檢波后的信號(hào)進(jìn)行濾波整形放大，放大后的信號(hào)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(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，從而得到ID卡的4軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：125kHz載波的產(chǎn)生和ID卡解碼。載波信號(hào)產(chǎn)生相對(duì)簡(jiǎn)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125kHz的方波。解碼軟件設(shè)計(jì)相對(duì)較復(fù)雜，要對(duì)ID卡進(jìn)行解碼，首先應(yīng)掌握ID卡的存儲(chǔ)格式和數(shù)據(jù)編碼方式。4.1EM4100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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)位叩。?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?。13〃是一個(gè)8位的晶體版本號(hào)或ID識(shí)別碼?！癉20?。93〃是8組32位的芯片信息，即卡號(hào)。1i31L1L|1導(dǎo)hciwkrbitt目biij氓,ciiiiCHiidIDDMDOIcueMJP?DLUOHDUPID2LD22D23葉叫￡340gEMgDJI網(wǎng)E>5JP5DWD6ID&2M3%D7OD71D72D7JRD8PDS1MJPSDWD9JD9J網(wǎng)PCDPCIKJPC?I-H（位網(wǎng)建陽(yáng)堆1球時(shí)仲n_j~I_I_I_I―lj―lj01■001J國(guó).■!斐韌斯特媽料每當(dāng)EM4100將64個(gè)信息位傳輸完畢后，只要ID卡仍處于讀卡器的工作區(qū)域內(nèi)，它將再次按照?qǐng)D3順序發(fā)送64位信息，如此重復(fù)，直至ID卡退出讀卡器的有效工作區(qū)域。4.2EM4100數(shù)據(jù)編碼方式EM4100采用曼徹斯特編碼，如圖4所示：位數(shù)據(jù)''1〃對(duì)應(yīng)著電平下跳，位數(shù)據(jù)''0〃對(duì)應(yīng)著電平上跳。在一串?dāng)?shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個(gè)相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時(shí)間間隔應(yīng)為1P。若相鄰的位數(shù)據(jù)極性相同（相鄰兩位均為“O〃或''1〃），則在兩次位數(shù)據(jù)傳送的電平跳變之間，有一次非數(shù)據(jù)傳送的、預(yù)備性的（電平）''空跳〃。電平的上跳、下跳和空跳是確定位數(shù)據(jù)傳送特征的判據(jù)。在曼徹斯特碼調(diào)制方式下，M4100每傳送一位數(shù)據(jù)的時(shí)間是64個(gè)振蕩周期，其值由RF/n決定。若載波頻率為125kHz，則每傳送一位的時(shí)間為振蕩周期的64分頻，即位傳送時(shí)間為：1P=64/125kHz=512ps，則半個(gè)周期的時(shí)間為256ps。4.3解碼軟件設(shè)計(jì)ATmega8單片機(jī)T/C1的輸入捕捉功能是AVR定時(shí)/計(jì)數(shù)器的一個(gè)非常有特點(diǎn)的功能，T/C1的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個(gè)外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時(shí)間印記。當(dāng)一個(gè)輸入捕捉事件發(fā)生時(shí)，T/C1的計(jì)數(shù)器TCNTl中的計(jì)數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標(biāo)志位ICFl，產(chǎn)生中斷申請(qǐng)?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來(lái)設(shè)定輸入捕捉信號(hào)觸發(fā)方式。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的輸入捕捉功能進(jìn)行解碼。由曼徹斯特編碼特點(diǎn)可知，每位數(shù)據(jù)都由半個(gè)周期的高電平和半個(gè)周期的低電平組成，因此可將一個(gè)位數(shù)據(jù)拆分為兩位，即位數(shù)據(jù)''1〃可視為、'10〃，位數(shù)據(jù)、'0〃可視為、'01〃，則64位數(shù)據(jù)可視為由128位組成。為了獲得完整且連續(xù)存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數(shù)據(jù)，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(jù)此找出起始同步頭。再根據(jù)曼碼特點(diǎn)獲得ID卡的有效數(shù)據(jù)（、'10〃解碼為、'1〃；、'01〃解碼為''0”）并進(jìn)行LCR校驗(yàn)，若校驗(yàn)無(wú)誤，則將ID卡號(hào)輸出至PC機(jī)，并準(zhǔn)備下一次的解碼;否則，直接準(zhǔn)備下一次解碼。另外，在程序中首先定義一個(gè)數(shù)組bit[256]用來(lái)存放接收到的數(shù)據(jù)；定義一個(gè)變量flag用來(lái)標(biāo)記256位數(shù)據(jù)接收完成；定義一個(gè)變量error用來(lái)標(biāo)記校驗(yàn)有錯(cuò)誤產(chǎn)生。由于無(wú)ID卡靠近讀卡器的有效工作區(qū)時(shí)，單片機(jī)輸入捕捉引腳輸入的是高電平，因此在主程序中先設(shè)定為下降沿觸發(fā)，清零計(jì)數(shù)器TCNTl，打開T/C1的輸入捕捉功能。主程序流程圖如圖5所示。圖5主程序流程圖在輸入捕捉中斷程序中定義一個(gè)觸發(fā)沿標(biāo)志tr=1（用于表示由下降沿引起的觸發(fā)），同時(shí)定義一個(gè)無(wú)符號(hào)字符型變量i用來(lái)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于無(wú)符號(hào)字符型數(shù)據(jù)的取值范圍為。?255,所以當(dāng)接收完256位時(shí)，i的值再次變?yōu)?。接著判斷是否為合法跳變，由以上分析可知，電平跳變的時(shí)間為256|js或512|js為合法跳變。本系統(tǒng)使用8MHz時(shí)鐘，T/C1設(shè)置為無(wú)預(yù)分頻，則系統(tǒng)周期為O.125卜，則256*對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值應(yīng)為2048,512ps對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值應(yīng)為4096。取計(jì)數(shù)值TCNTl小于5000為合法跳變依據(jù)，若TC-NTl大于5000，則認(rèn)為是由干擾信號(hào)產(chǎn)生的非法跳變，并將其忽略，取TCNTl介于3000?5000之間為512ps跳變依據(jù)。若為合法跳變，由于是下降沿觸發(fā)的中斷，則認(rèn)為接收到一位數(shù)據(jù)'1〃；若為合法跳變且3000<TCNTl<5000，則認(rèn)為接收到兩位數(shù)據(jù)''1〃。再將輸入捕捉觸發(fā)方式改為上升沿觸發(fā)，設(shè)定觸發(fā)沿標(biāo)志tr=0（用于表示由上升沿引起的觸發(fā)）。當(dāng)中斷是由上升沿觸發(fā)時(shí)，執(zhí)行類似操作。圖6為中斷處理程序流程圖。F■審i和的憤函6[7C1輸入制捉中新租序鹿