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1、基于AVR单片机的125kHz简易RFID阅读器设计0引言无线射频识别(RadioFrequencyIdentifICation，RFID)是利用感应、电磁场或电磁波为传输手段，完成非接触式双向通信、获取相关数据的一种自动识别技术。该技术完成识别工作时无须人工干预，易于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便，已经得到了广泛的应用。目前存在的一些读卡器，都需要读卡芯片作为基站，成本较高。本文介绍了一种采用分立元件构成的125kHzRFID阅读器，电路结构简单，成本极低，用于读取EM4100型ID卡。1RFID系统的分类RFID系统的分类方法有很多，在通常应用
2、中都是根据频率来分，根据不同的工作频率，可将其分为以下四种：(1)低频(120135kHz)。该频段具有很强的场穿透性，使用不受限制，性能不受环境影响，价格低廉，最大识别距离一般小于60cm，主要应用于门禁、“一卡通消费管理、车辆管理等系统;(2)高频(1015MHz)。该频段与低频相比，具有防冲撞、能同时识别多个标签的优点，但其性能受环境影响，识别距离一般小于100cm，主要应用于图书管理、物流等系统;(3)超高频(850960MHz)。该频段较高频相比，具有可实现长距离识别的的优点，最大识别距离可达10m，但其性能受环境影响较大，价格也较贵，主要应用于铁路车辆识别、集装箱识别等系统;(4)
3、微波(2.455.8GHz)。该频段可实现远距离识别，识别距离可达100m，但其价格也最贵，主要应用于智能交通系统中。2RFID系统的组成射频识别系统一般由阅读器、电子标签、天线三部分组成。(1)阅读器：读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的标识信息进行解码，将标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，许多阅读器还有附加的接口(RS232，RS485等)，以便将所获得的数据传输给另外的系统(如个人计算机)，其系统结构框图如图1所示。6
4、20)this.style.width=620;border=0alt=基于AVR单片机的125kHz简易RFID阅读器设计src=技术2021/bjpdaocolli2021.jpg(2)电子标签(应答器)：由芯片及内置天线组成，芯片内保存有一定格式的电子数据，放在被识别物体上，作为待识别物品的标识性信息，它是射频识别系统真正的数据载体，内置天线用于和射频天线间进行通信。通常，应答器没有自己的供电电源，只有在阅读器的响应范围以内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，是通过耦合单元(非接触的)传输给应答器的。(3)天线：标签与阅读器之间数据传输的载体。3硬件电路设计本设计以AVR系列单片机
5、ATmega8作为微控制器。Atmel公司的AVR是8位单片机中第一个真正采用RSIC结构的单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1MLPS/MHz的高速运行处理能力。620)this.style.width=620;border=0alt=基于AVR单片机的125kHz简易RFID阅读器设计src=技术2021/t0g2ya22vzb2021.jpg硬件电路如图2所示，在图2中为载波产生及功率放大电路，由单片机的T/C2工作于CTC模式，产生标准125kHz载波信号，经过限流电阻R1后送入推挽式连接的三极管功率放大电路，放大
6、后的载波信号通过天线发射出去。天线L1与电容C1构成串联谐振电路，谐振频率为125kHz，谐振电路的作用是使天线上获得最大的电流，从而产生最大的磁通量，获得更大的读卡距离。为检波电路，检波电路用来去除125kHz载波信号，还原出有用数据信号。R2，D1，R3，C2构成基本包络检波电路，C3为耦合电容，R4，C4为低通滤波电路，D2，D3为保护二极管，输出接到滤波放大电路。为滤波放大电路，滤波放大电路采用集成运放LM358对检波后的信号进行滤波整形放大，放大后的信号送入单片机的定时/计数器T1的输入捕捉引脚ICPl，由单片机对接收到的信号进行解码，从而得到ID卡的卡号。4软件设计本系统的软件设计
7、包括两部分：125kHz载波的产生和ID卡解码。载波信号产生相对简单，可利用单片机的T/C2，使其工作于CTC模式，比较匹配时使输出OC2取反便可得到125kHz的方波。解码软件设计相对较复杂，要对ID卡进行解码，首先应掌握ID卡的存储格式和数据编码方式。4.1EM4100数据存储格式图3是EM4100的64位数据信息，它由5个区组成：9个引导位、10个行偶校验位“POP9、4个列偶校验位“PC0PC3、40个数据位“D00D93和1个停止位S0。9个引导位是出厂时就已掩膜在芯片内的，其值为“111111111，当它输出数据时，首先输出9个引导位，然后是10组由4个数据位和1个行偶校验位组成的
8、数据串，其次是4个列偶校验位，最后是停止位“0。“D00D13是一个8位的晶体版本号或ID识别码。“D20D93是8组32位的芯片信息，即卡号。620)this.style.width=620;border=0alt=基于AVR单片机的125kHz简易RFID阅读器设计src=技术2021/mat5jqqr5bl2021.jpgTAG:RFID阅读器AVR单片机每当EM4100将64个信息位传输完毕后，只要ID卡仍处于读卡器的工作区域内，它将再次按照图3顺序发送64位信息，如此重复，直至ID卡退出读卡器的有效工作区域。4.2EM4100数据编码方式EM4100采用曼彻斯特编码，如图4所示：位数
9、据“1对应着电平下跳，位数据“0对应着电平上跳。在一串数据传送的数据序列中，两个相邻的位数据传送跳变时间间隔应为1P。若相邻的位数据极性相同(相邻两位均为“O或“1)，则在两次位数据传送的电平跳变之间，有一次非数据传送的、预备性的(电平)“空跳。电平的上跳、下跳和空跳是确定位数据传送特征的判据。在曼彻斯特码调制方式下，M4100每传送一位数据的时间是64个振荡周期，其值由RF/n决定。若载波频率为125kHz，则每传送一位的时间为振荡周期的64分频，即位传送时间为：1P=64/125kHz=512s，则半个周期的时间为256s。、4.3解码软件设计ATmega8单片机T/C1的输入捕捉功能是A
10、VR定时/计数器的一个非常有特点的功能，T/C1的输入捕捉单元可用于精确捕捉一个外部事件的发生，记录事件发生的时间印记。当一个输入捕捉事件发生时，T/C1的计数器TCNTl中的计数值被写入输入捕捉寄存器ICRl中，并置位输入捕获标志位ICFl，产生中断申请。可通过设置寄存器TCCRlB的第6位ICESl来设定输入捕捉信号触发方式。本系统利用单片机的输入捕捉功能进行解码。由曼彻斯特编码特点可知，每位数据都由半个周期的高电平和半个周期的低电平组成，因此可将一个位数据拆分为两位，即位数据“1可视为“10，位数据“O可视为“01，则64位数据可视为由128位组成。为了获得完整且连续存放的64位ID信息
11、，在此接收两轮完整的64位数据，即接收256位。则上一轮接收到的停止位后紧跟着的必然是本轮接收到的起始位，据此找出起始同步头。再根据曼码特点获得ID卡的有效数据(“10解码为“1;“01解码为“O)并进行LCR校验，若校验无误，则将ID卡号输出至PC机，并准备下一次的解码;否则，直接准备下一次解码。另外，在程序中首先定义一个数组bit256用来存放接收到的数据;定义一个变量flag用来标记256位数据接收完成;定义一个变量error用来标记校验有错误产生。由于无ID卡靠近读卡器的有效工作区时，单片机输入捕捉引脚输入的是高电平，因此在主程序中先设定为下降沿触发，清零计数器TCNTl，打开T/C1
12、的输入捕捉功能。主程序流程图如图5所示。620)this.style.width=620;border=0alt=基于AVR单片机的125kHz简易RFID阅读器设计src=技术2021/ivr4ezem3pt2021.jpg在输入捕捉中断程序中定义一个触发沿标志tr=1(用于表示由下降沿引起的触发)，同时定义一个无符号字符型变量i用来对接收到的数据个数进行计数，由于无符号字符型数据的取值范围为O255，所以当接收完256位时，i的值再次变为0。接着判断是否为合法跳变，由以上分析可知，电平跳变的时间为256s或512s为合法跳变。本系统使用8MHz时钟，T/C1设置为无预分频，则系统周期为O.
13、125s，则256s对应计数值应为2048，512s对应计数值应为4096。取计数值TCNTl小于5000为合法跳变依据，若TC-NTl大于5000，则认为是由干扰信号产生的非法跳变，并将其忽略，取TCNTl介于30005000之间为512s跳变依据。若为合法跳变，由于是下降沿触发的中断，则认为接收到一位数据“1;若为合法跳变且3000再将输入捕捉触发方式改为上升沿触发，设定触发沿标志tr=0(用于表示由上升沿引起的触发)。当中断是由上升沿触发时，执行类似操作。图6为中断处理程序流程图。620)this.style.width=620;border=0alt=基于AVR单片机的125kHz简易
14、RFID阅读器设计src=技术2021/svo0gj5qnlm2021.jpg5结语本设计硬件电路中功放和检波部分采用分立元件构成，无需读卡基站芯片，电路结构简单，成本极低;软件部分采用C语言进行编写，提出了一种曼彻斯特编码的解码方法。由于RS232的传输距离最大只有15m，因此对于需要远距离数据传送的场合，可以通过加入RS485电路以提高传输距离，从而实现远距离数据采集以及实行有关控制。在一些需要较远读卡距离的应用中，可通过改进功率放大电路(例如采用D类功率放大电路)来提高功放的效率，从而增大发射功率，增大读卡距离。通测试，系统可成功实现对EM4100ID卡的读取，经过微调天线，最大读取距离可达15cm，且读卡稳定、成功率高，可将其应用于门禁、公交等系统。1