《RFID開發(fā)技術(shù)及實踐》課件第4章

第4章低頻RFID閱讀器設(shè)計

4.1低頻ID卡4.2EM40954.3低頻RFID閱讀器程序設(shè)計

4.1低頻ID卡

低頻RFID由于頻率較低，帶寬有限，所以不適合傳輸大量數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)寫入。因此低頻RFID標簽通常是以ID卡的形式出現(xiàn)，即在標簽中固化一串ID號，閱讀器僅可以閱讀，不能寫入和更改。

ID卡僅提供一個ID卡號，通常用作身份識別，更多的功能需要依賴于閱讀器。閱讀器讀取ID號進行比對后，執(zhí)行相關(guān)處理或者傳入上位機或網(wǎng)絡(luò)進行處理。4.1.1常見低頻ID卡

低頻ID卡通常采用無源設(shè)計，將ID芯片和天線封裝在一起，做成卡片或標簽的樣式，其結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。

常見的ID芯片有EM公司的EM4100及其兼容的TK4001系列、HID系列和摩托羅拉的產(chǎn)品等。目前，市場上使用較多的為前兩種，其讀取方法不盡相同：

EM4100系列ID卡芯片可使用同一個公司配套的EM4095讀卡芯片，方便讀取其ID號。

HID系列卡有自己的加密協(xié)議和讀取方法，并且不公開，所以EM4095讀卡芯片無法讀取其ID號，只能使用專用HID類讀卡器。因此本書中不詳細講解此系列卡。圖4-1ID卡結(jié)構(gòu)4.1.2EM4100

EM4100是EM公司生產(chǎn)的只讀型非接觸ID卡芯片，典型頻率為125kHz，內(nèi)部固化64bit數(shù)據(jù)，一旦進入閱讀器范圍內(nèi)，并與閱讀器天線發(fā)出的載波耦合后，將64?bit的數(shù)據(jù)不斷發(fā)回閱讀器。EM4100內(nèi)部64?bit相關(guān)定義如圖4-2所示。圖4-2EM4100內(nèi)部64bit相關(guān)定義

64bit數(shù)據(jù)共分為五部分，其含義如下：

同步頭：共由9個1組成，用于識別數(shù)據(jù)開始傳送。

版本信息和客戶ID：共由D00～D13中的8bit組成，分別記錄版本信息和客戶ID號。

數(shù)據(jù)：共由D20～D93中的32bit組成，用于存儲ID卡號。

校驗位。P為每一行數(shù)據(jù)的偶校驗，例如，P0為0行校驗，即D00～D034?bit的偶校驗。PC為每一列數(shù)據(jù)的偶校驗，例如，PC0為D00～D9010bit的偶校驗。

停止位。S0為停止位，即單bit0。4.1.3EM4100解碼

對EM4100進行解碼時，判斷一幀完整數(shù)據(jù)的開始，需要判斷同步頭，因為數(shù)據(jù)中的行列校驗會保證數(shù)據(jù)中不會連續(xù)出現(xiàn)9個1。由于只要在閱讀器范圍內(nèi)，EM4100就會循環(huán)送出內(nèi)部的64bit數(shù)據(jù)，并且最后一個停止位為數(shù)據(jù)0。因此判斷同步頭的方法是當?shù)谝淮巫x取數(shù)據(jù)時，遇到0至1的跳變開始計數(shù)，如果讀到連續(xù)9個1，則為同步頭，從同步頭往后可依次讀取剩余的bit位。

EM4100內(nèi)部的64bit數(shù)據(jù)采用時鐘(典型頻率為125kHz)64分頻的速率進行發(fā)送，每位bit的傳送時間為：

(1s/125000)?×?64?=?512μs

數(shù)據(jù)采用曼徹斯特碼編碼，即每個bit被分為兩位傳輸，每兩個曼徹斯特碼寬度為512μs，如表4-1所示。表4-1曼徹斯特碼

4.2EM4095

EM4095是EM微電子公司生產(chǎn)的一款低頻AM調(diào)制解調(diào)芯片，常用作低頻RFID閱讀器的模擬前端。

4.2.1功能概述

EM4095是一款CMOS芯片，與MCU的接口簡單，在RFID閱讀器中可用于天線驅(qū)動和調(diào)制解調(diào)。除此之外，還有如下其他特性：

內(nèi)置的PLL鎖相環(huán)可自適應(yīng)天線諧振載波。

無需外部振蕩器。

100～150kHz載波頻率范圍。數(shù)據(jù)發(fā)送采用OOK(100%AM調(diào)幅)方式，使用橋路激勵器。

數(shù)據(jù)發(fā)送通過調(diào)幅方式，可使用單芯片通過外部調(diào)節(jié)。

睡眠模式電流1μA。

兼容USB供電范圍。

40℃～85℃溫度范圍。

SO16封裝。

EM4095共有16個引腳，其芯片引腳圖如圖4-3所示。

EM4095芯片的引腳定義如表4-2所示。圖4-3EM4095引腳圖表4-2EM4095芯片的引腳定義

4.2.2原理圖

EM4095內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單，其原理圖如圖4-4所示。

1.?SHD

EM4095的引腳SHD和MOD用來操作設(shè)備，SHD的功能如下：

當SHD為高電平時，EM4095為睡眠模式，電流消耗最小。在上電時，SHD輸入必須是高電平，用來使能正確的初始化操作。

當SHD為低電平時，回路允許發(fā)射射頻信號，并開始對天線上的振幅調(diào)制信號進行解調(diào)。圖4-4原理圖

2.?MOD

引腳MOD是用來對125kHz射頻信號進行調(diào)制的，其功能如下：

在MOD引腳上施加高電平時，會阻塞天線驅(qū)動，并關(guān)掉電磁場。

在MOD引腳上施加低電平時，會使片上VCO進入自由運行模式，天線上將出現(xiàn)沒有經(jīng)過調(diào)制的125kHz的載波。

EM4095用作只讀模式，引腳MOD沒有使用，推薦將它連接至VSS。

3.鎖相環(huán)

鎖相環(huán)由環(huán)路濾波、采樣器和比較模塊等組成。通過使用外部電容分壓，DEMOD_IN引腳上得到天線上真實的高電壓。這個信號的相位和驅(qū)動天線驅(qū)動器信號的相位進行比較。所以鎖相環(huán)可以將載波頻率鎖定在天線的諧振頻率上。

根據(jù)天線種類的不同，系統(tǒng)的諧振頻率可以在100～150kHz的范圍內(nèi)。當諧振頻率在這一范圍內(nèi)的時候，它就會被鎖相環(huán)鎖定。

4.?DEMOD_IN

DEMOD_IN引腳作接收鏈路的輸入信號。接收模塊解調(diào)的輸入信號是天線上的電壓信號。DEMOD_IN輸入信號的級別應(yīng)該低于VDD-0.5V，高于VSS?+?0.5?V。通過外部電容分壓可以調(diào)節(jié)輸入信號的級別。分壓器增加的電容必須通過相對較小的諧振電容來補償。

5.?RDY/CLK

RDY/CLK為外部微處理器提供ANT1上信號的同步時鐘以及EM4095內(nèi)部狀態(tài)的信息。ANT1上的同步時鐘表示PLL被鎖定并且接收鏈路操作點被設(shè)置，其狀態(tài)受到SHD和MOD的影響如下：

當SHD為高電平時，RDY/CLK引腳被強制為低電平。

當SHD上的電平由高轉(zhuǎn)低時，PLL為鎖定狀態(tài)，接收鏈路工作。經(jīng)過時間Tset后，PLL被鎖定，接收鏈路操作點已經(jīng)建立。這時候，傳送到ANT1上的信號同時也傳送至RDY/CLK，提示微處理器可以開始觀察DEMOD_OUT上的信號和與此同時的時鐘信號。

當MOD為高電平時，ANT驅(qū)動器關(guān)閉，但此時RDY/CLK引腳上的時鐘信號仍然在繼續(xù)。

當SHD引腳上的電平從高到低，經(jīng)過時間Tset后，RDY/CLK引腳上的信號被100kΩ的下拉電阻拉低。這樣做是為了能在標簽的AM調(diào)制低于100%情況下，從RDY/CLK引腳提供一個指示信號。

6.?DVDD和DVSS

DVDD和DVSS管腳應(yīng)該分別與VDD以及VSS連接。為了使通過管腳DVDD和DVSS的驅(qū)動器電流所造成的電壓降不會引起VDD和VSS上的電壓降，在DVSS和DVDD管腳之間應(yīng)該加一個100nF的電容，并使其盡量靠近芯片。這將防止由于天線驅(qū)動器引起的電源尖峰。此外，對管腳VSS和VDD進行隔離也是有用的。

所有和管腳DC2/AGND/DMOD_IN相關(guān)的電容都應(yīng)該連接到相同的VSS線上。這條線應(yīng)該直接和芯片上的管腳VSS相連。該線不能再連接其他元件或者成為DVSS供電線路的一部分。

AGND管腳上的電容值可以從220nF上升到1μF。電容越大，接收噪聲越小。AGND的電壓可以通過外部電容和內(nèi)部的2kΩ電阻進行濾波。

7.?ANT

EM4095不限制ANT驅(qū)動器發(fā)出的電流值。這兩個輸出的最大絕對值是300mA。對天線諧振回路的設(shè)計應(yīng)該使最大的尖峰電流不超過250mA。如果天線的品質(zhì)因數(shù)很高，這個值就可能超過，因此必須通過串聯(lián)電阻加以限制。

增加Cdc2電容值，將增加接收帶寬，進而增加斜坡信號的接收增益。Cdc2的推薦范圍是6.8～22nF；Cdec的推薦范圍為33～220nF。電容值越高，開始上升時間越長。

8.?FCAP

FCAP引腳上的為偏置電壓，它補償了外部天線驅(qū)動器引起的相位偏移。4.2.3與MCU接口

EM4095管腳較少，結(jié)構(gòu)簡單，與MCU的接口如圖4-5所示。

EM4095通過跳線分別與ATmega16A的相關(guān)引腳相連，其跳線如圖4-6所示。

ATmega16A的相關(guān)引腳如圖4-7所示。

分析電路圖可知，EM4095管腳與ATmega16A管腳的對應(yīng)關(guān)系如表4-3所示。圖4-5EM4095與MCU接口圖4-6跳線圖4-7ATmega16A的相關(guān)引腳表4-3EM4095管腳與Atmega16A管腳的對應(yīng)關(guān)系

4.3低頻RFID閱讀器程序設(shè)計

低頻RFID閱讀器程序的主要工作是正確地讀取標簽的ID號碼，一般分為三部分：初始化程序、驅(qū)動程序和主程序。

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)任務(wù)描述4.D.1，即使用AVR通過EM4095讀取一個EM4100卡的卡號，并通過串口輸出。

4.3.1初始化程序

初始化程序用于各種管腳和器件的初始化，以便能夠正常進行解碼。

基于模塊化和移植的考慮，可將本例中GPIO設(shè)置子程序單獨封裝成子函數(shù)gpio_?config()，具體源碼如下：

【描述4.D.1】gpio_config()

//gpio配置

voidgpio_config(void)

{

//PD7、PC7和PD2管腳配置

DDRD|=(1<<PD7);

PORTD|=(1<<PD7);

DDRC|=(1<<PC7);

PORTC|=(1<<PC7);

DDRD&=~(1<<PD2);

}

EM4095相關(guān)管腳設(shè)置子程序單獨封裝成子函數(shù)EM_config()，具體源碼如下：

【描述4.D.1】EM_config()

//em4095配置

voidEM_config(void)

{

//em4095相關(guān)管腳配置

DDRB|=EM_SHD|EM_MOD;

DDRB&=~EM_DM_OUT;

EM_PORT|=EM_SHD;

//定時器1配置，實現(xiàn)精確定時

TCCR1B&=~((1<<CS10)|(1<<CS12));

TCCR1B|=(1<<CS11);

//TCNT1=600;

OCR1A=64600;

TCCR1A&=~((1<<WGM11)|(1<<WGM10));

TCCR1B&=~(1<<WGM13);

TCCR1B|=(1<<WGM12);

TIMSK|=(1<<OCIE1A);

SREG|=(1<<7);

}串口設(shè)置子程序單獨封裝成子函數(shù)uart_config()，具體源碼如下：

【描述4.D.1】uart_config()

//串口設(shè)置

voiduart_config(void)

{

//串口相關(guān)寄存器配置

UCSRA|=(1<<U2X);

UCSRB|=(1<<RXCIE);

UCSRC|=((1<<URSEL)|(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0));

UCSRC&=~((1<<UMSEL)|(1<<UPM1)|(1<<UPM0)|(1<<USBS));

UBRRH&=~(1<<URSEL);

//波特率115200

UBRRH=0;

UBRRL=7;

UCSRB|=((1<<RXEN)|(1<<TXEN));

}4.3.2驅(qū)動程序

驅(qū)動程序是EM4095能夠正確解碼的相關(guān)演示程序和解碼子程序。因本例中曼徹斯特碼有嚴格的碼元間隙，所以需要512μs的延時子函數(shù)。該函數(shù)單獨封裝成子函數(shù)delay_512μs()，具體源碼如下：

【描述4.D.1】delay_512μs()

//512μs延時子函數(shù)

voiddelay_512μs(intx)

{

//使用定時器實現(xiàn)定時

TIFR|=(1<<OCF1A);

TCNT1=0;

while(TCNT1<x);

}讀取ID卡號需要曼徹斯特碼解碼，其解碼首先需要判斷同步頭，此部分功能單獨封裝成子函數(shù)read_id_start()，具體源碼如下：

【描述4.D.1】read_id_start()

//判斷同步頭

charread_id_start(void)

{

charcode_st=1;

chari;

charc_l; while(!(PINB&EM_DM_OUT));

TCNT1=0;

while(PINB&EM_DM_OUT);

//512μs存在誤差，505～520毫秒范圍內(nèi)即可

if(TCNT1>505&&TCNT1<520)

{

//判斷隨后是否連續(xù)8個1

for(i=0;i<8;i++)

{

//以512μs四分之三的位置判斷邏輯電平

delay_512μs(380);

c_l=PINB&EM_DM_OUT;

if(c_l!=0)

{

code[i]=1;

}

else

{

code[i]=0;

code_st=0;

}

while(PINB&EM_DM_OUT);

}

} else

code_st=0;

//返回判斷同步頭情況

if(code_st==1)

return1;

else

return0;

}本例中，曼徹斯特解碼功能單獨封裝成子函數(shù)read_id()，具體源碼如下：

【描述4.D.1】read_id()

//曼徹斯特解碼

charread_id(void)

{

charst=0;

chari=0;

charc_L;

EM_PORT&=~EM_SHD; st=read_id_start();

//如果讀到同步頭

if(st==1)

{

//順序讀取剩余bit

for(i=8;i<63;i++)

{

//以512μs四分之三的位置判斷邏輯電平

delay_512μs(384);

if(PINB&EM_DM_OUT)

{

code[i]=1;

while(PINB&EM_DM_OUT);

} else

{

code[i]=0;

while(!(PINB&EM_DM_OUT));

}

}

return1;

}

else

return0;

}4.3.3主程序

主函數(shù)main()存放在main.c文件中，除了相關(guān)初始化函數(shù)和主循環(huán)外，還要定義一些必需的宏定義和頭文件等，詳細代碼清單如下：

【描述4.D.1】main.c

/********************宏定義********************/

//開啟比特定義

#defineENABLE_BIT_DEFINITIONS1

#defineEM_SHD(1<<PB5)

#defineEM_DM_OUT(1<<PB6)

#defineEM_MOD(1<<PB3)

#defineEM_PORTPORTBcharcode[64]={0};

c