基于AVR單片機的125 kHz簡易RFID閱讀器設計

0 引言
無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感應、電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信、獲取相關數(shù)據的一種自動識別技術。該技術完成識別工作時無須人工干預，易于實現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便，已經得到了廣泛的應用。
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成的125 kHz RFID閱讀器，電路結構簡單，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，在通常應用中都是根據頻率來分，根據不同的工作頻率，可將其分為以下四種：
(1)低頻(120～135 kHz)。該頻段具有很強的場穿透性，使用不受限制，性能不受環(huán)境影響，價格低廉，最大識別距離一般小于60 cm，主要應用于門禁、“一卡通”消費管理、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、能同時識別多個標簽的優(yōu)點，但其性能受環(huán)境影響，識別距離一般小于100 cm，主要應用于圖書管理、物流等系統(tǒng)；
(3)超高頻(850～960 MHz)。該頻段較高頻相比，具有可實現(xiàn)長距離識別的的優(yōu)點，最大識別距離可達10 m，但其性能受環(huán)境影響較大，價格也較貴，主要應用于鐵路車輛識別、集裝箱識別等系統(tǒng)；
(4)微波(2．45～5．8 GHz)。該頻段可實現(xiàn)遠距離識別，識別距離可達100 m，但其價格也最貴，主要應用于智能交通系統(tǒng)中。

2 RFID系統(tǒng)的組成
射頻識別系統(tǒng)一般由閱讀器、電子標簽、天線三部分組成。
(1)閱讀器：讀取或讀／寫電子標簽信息的設備，主要任務是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的標識信息進行解碼，將標識信息連帶標簽上其他相關信息傳輸?shù)街鳈C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)據傳輸給另外的系統(tǒng)(如個人計算機)，其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

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

3 硬件電路設計
本設計以AVR系列單片機ATmega8作為微控制器。Atmel公司的AVR是8位單片機中第一個真正采用RSIC結構的單片機，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技術，使得AVR單片機具有高達1 MLPS／MHz的高速運行處理能力。

硬件電路如圖2所示，在圖2中①為載波產生及功率放大電路，由單片機的T／C2工作于CTC模式，產生標準125 kHz載波信號，經過限流電阻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)據信號。R2，D1，R3，C2構成基本包絡檢波電路，C3為耦合電容，R4，C4為低通濾波電路，D2，D3為保護二極管，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放LM358對檢波后的信號進行濾波整形放大，放大后的信號送入單片機的定時／計數(shù)器T1的輸入捕捉引腳ICPl，由單片機對接收到的信號進行解碼，從而得到ID卡的卡號。

4 軟件設計
本系統(tǒng)的軟件設計包括兩部分：125 kHz載波的產生和ID卡解碼。載波信號產生相對簡單，可利用單片機的T／C2，使其工作于CTC模式，比較匹配時使輸出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解碼軟件設計相對較復雜，要對ID卡進行解碼，首先應掌握ID卡的存儲格式和數(shù)據編碼方式。
4．1 EM4100數(shù)據存儲格式
圖3是EM4100的64位數(shù)據信息，它由5個區(qū)組成：9個引導位、10個行偶校驗位“PO～P9'’、4個列偶校驗位“PC0～PC3”、40個數(shù)據位“D00～D93”和1個停止位S0。9個引導位是出廠時就已掩膜在芯片內的，其值為“111111111”，當它輸出數(shù)據時，首先輸出9個引導位，然后是10組由4個數(shù)據位和1個行偶校驗位組成的數(shù)據串，其次是4個列偶校驗位，最后是停止位“0”。“D00～D13”是一個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。