寵物管理系統中RFID讀卡器設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：陳文浩，朱義勝，張廣璐   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月14日

    1 引 言 

    射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是利用無(wú)線(xiàn)電波對記錄媒體進(jìn)行讀寫(xiě)。射頻識別的距離可達幾十厘米至幾米。根據讀寫(xiě)的方式，可以輸入數千字節的信息，同時(shí)，還具有極高的保密性。RFID系統的卡片與讀寫(xiě)器之間，無(wú)需物理接觸即可完成識別，因此，可實(shí)現多目標識別和運動(dòng)目標識別。低頻系統有讀寫(xiě)短距離、成本低的特點(diǎn)，主要有125 kHz和134．2 kHz兩種頻率，可用于門(mén)禁控制、校園卡、動(dòng)物監管、貨物跟蹤等。本文設計的讀卡器屬于低頻系統，使用EM4095構成讀寫(xiě)電路，利用單片機完成Biphase解碼，在寵物管理系統中用來(lái)對動(dòng)物標簽進(jìn)行識別。 

    2 工作原理及電路設計 

    2．1 工作原理 

    讀卡器采用射頻讀寫(xiě)芯片EM4095。EM4095的工作模式是由弓I腳SHD和MOD的邏輯電平來(lái)控制。當SHD引腳為高電平時(shí)，EM4095處于休眠模式。芯片上電時(shí)SHD引腳必須為高電平，以便芯片初始化。SHD為低電平時(shí)，電路發(fā)射射頻載波，開(kāi)始解調天線(xiàn)接收到的AM 信號，解調的數字信號通過(guò)DEMOD— OUT引腳送到微控制器，以便進(jìn)行解碼和處理。MOD引腳為高電平時(shí)電路處于三態(tài)，MOD接地使芯片進(jìn)入只讀狀態(tài)。  

    EM4095內部集成了鎖相環(huán)系統，該系統可自適應調整天線(xiàn)諧振頻率，發(fā)射1OO～150 kHz的載波，完成讀取射頻卡信息的工作。射頻卡本身不帶電源，是通過(guò)負載調制的方式耦合到應用終端的天線(xiàn)上，需要從EM4O95發(fā)送的射頻信號中提取能量，所以在讀取射頻卡數據時(shí)，EM4095要連續發(fā)射射頻載波信號。射頻卡內有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其諧振頻率與射頻載波頻率一致，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應電勢，當電量累積到一定數量時(shí)，就可以作為電源為電路提供工作電壓，將卡內信息發(fā)送出去。EM4095通過(guò)天線(xiàn)接收射頻卡發(fā)回的信號，并對接收的信號解調，從而得到射頻卡中的信息。然后把信息發(fā)送給單片機，由單片機按照射頻卡的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議對數據解碼、保存或者通過(guò)串口傳給上位機進(jìn)行處理。 

    2．2 電路設計 

    本文設計的讀卡器用于寵物管理系統的手持終端設備中，工作頻率為134．2 kHz。圖1是讀卡器的電路原理圖。 

圖1 讀寫(xiě)器電路原理圖 

    單片機ATmega88負責接收上位機的指令，驅動(dòng)EM4095以及對EM4095發(fā)回的數據進(jìn)行Biphase解碼、校驗，向上位機發(fā)送卡號。單片機ATmega88的PC2，PD7引腳控制EM4095的工作模式，EM4095解調后的數據輸出給單片機的PB0引腳，此引腳具有輸入捕獲功能?；咎炀€(xiàn)是用銅制漆包線(xiàn)繞制的，天線(xiàn)線(xiàn)圈的直徑遠大于漆包線(xiàn)的直徑?？梢圆捎孟旅娴墓綄μ炀€(xiàn)參數進(jìn)行計算： 

    其中：L為線(xiàn)圈的電感；N 為天線(xiàn)線(xiàn)圈的匝數；U。為磁導率，表征磁介質(zhì)磁性的物理量， 其值為1．257×10 ^-6 V·s／(A·m)；R為天線(xiàn)線(xiàn)圈的半徑；d為漆包線(xiàn)的直徑。本文所用的線(xiàn)圈匝數為120匝，電感為1．54 mH。天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感確定后，將天線(xiàn)、電阻(R₁)、電容(C₂₁ ，C₂₂ ，C₂₃ )串聯(lián)構成諧振電路，可以通過(guò)下式來(lái)確定總電容值，以保證天線(xiàn)的頻率與EM4095頻率相同。 

    其中：F₀為諧振頻率；動(dòng)物標簽頻率為134．2 kHz；L為天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感；C為電容并聯(lián)的總電容值，通過(guò)計算可以得到電容值為912．65 pF。  

    在調試過(guò)程中，采用3個(gè)電容并聯(lián)代替1個(gè)電容串聯(lián)到電路中的做法，可以起到高頻濾波、消除脈沖干擾的作用。另外通過(guò)調節C₂₆ 的電容值使EM4095的第8引腳DEM0D_IN上的電壓峰峰值比ANT1，ANT2引腳上的電壓峰峰值小，以便消除無(wú)卡時(shí)EM4095的雜波輸出，便于單片機對數據進(jìn)行解碼。 

    3 軟件設計 

    ISO11784／11785協(xié)議是國際標準化組織對動(dòng)物RFID做出的技術(shù)規定。其中對全雙工模式做了如下規定：1個(gè)11位(00000000001)的數據頭用于識別數據流的開(kāi)始；8個(gè)8位的碼組組成64位ID號；2個(gè)8位的CRC一16校驗碼碼組；3個(gè)8位的包含尾碼的碼組；每個(gè)碼組的后面都加上一個(gè)控制碼“1”，防止數據頭重復出現。動(dòng)物標簽采用只讀芯片EM4105，采用RF／32的傳輸波特率，數據編碼方式為Biphase編碼，存儲了128位數據信息。 

圖2為Biphase編碼波形圖

    Biphase編碼的特點(diǎn)是二進(jìn)制碼“0”在半位周期時(shí)跳變，“1”在半位周期時(shí)無(wú)跳變，并且“0”和“1”在位周期時(shí)都跳變，正好可以利用這一特點(diǎn)解碼。通過(guò)計算可以得知位周期為238．5 μs，半位周期為119 μs。圖3為讀卡流程圖。 

圖3 讀卡流程圖

    讀卡過(guò)程先對系統進(jìn)行初始化，單片機ATmega88的T／C1內部有輸入捕獲單元，可應用于精確捕獲一個(gè)外部事件的發(fā)生以及事件發(fā)生的時(shí)間印記。EM4095解調輸出的波形輸入到單片機的ICP1引腳，單片機進(jìn)行跳變沿捕獲，定時(shí)器捕捉中斷的觸發(fā)方式必須采用上升沿和下降沿交替進(jìn)行。也就是說(shuō)，在下降沿捕捉中斷處理程序中設置下次捕捉中斷的觸發(fā)方式為上升沿，在上升沿捕捉中斷處理程序中設置下次捕捉中斷的觸發(fā)方式為下降沿。算出兩次跳變的時(shí)間間隔，根據時(shí)間間隔是否在一定的容差范圍內判斷是半位周期還是位周期，判定碼元的“0”，“1”值。解碼之后去掉用來(lái)防止數據頭重復出現的尾碼，數據保存后查找ll位的數據頭，找到數據頭后對對64位ID號進(jìn)行CRC校驗，校驗通過(guò)后便可獲得動(dòng)物標簽ID號。 

    4 結語(yǔ) 

    本文介紹射頻基站芯片EM4095的結構及功能，并利用EM4095設計用于寵物管理系統的讀卡器，給出了軟硬件的設計方法。通過(guò)實(shí)際測試，本文設計的讀卡器可以穩定地工作，讀取距離約為3 cm，讀取速度也能達到要求。在原有軟件基礎上稍微改動(dòng)就可以讀取曼徹斯特編碼的標簽，具有很強的通用性。

    (大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院 陳文浩，朱義勝，張廣璐)