寵物管理系統(tǒng)中RFID讀卡器設(shè)計(jì)

1 引 言 

    射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是利用無線電波對記錄媒體進(jìn)行讀寫。射頻識別的距離可達(dá)幾十厘米至幾米。根據(jù)讀寫的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息，同時，還具有極高的保密性。RFID系統(tǒng)的卡片與讀寫器之間，無需物理接觸即可完成識別，因此，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識別和運(yùn)動目標(biāo)識別。低頻系統(tǒng)有讀寫短距離、成本低的特點(diǎn)，主要有125 kHz和134．2 kHz兩種頻率，可用于門禁控制、校園卡、動物監(jiān)管、貨物跟蹤等。本文設(shè)計(jì)的讀卡器屬于低頻系統(tǒng)，使用EM4095構(gòu)成讀寫電路，利用單片機(jī)完成Biphase解碼，在寵物管理系統(tǒng)中用來對動物標(biāo)簽進(jìn)行識別。 

    2 工作原理及電路設(shè)計(jì) 

    2．1 工作原理 

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

    EM4095內(nèi)部集成了鎖相環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自適應(yīng)調(diào)整天線諧振頻率，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，是通過負(fù)載調(diào)制的方式耦合到應(yīng)用終端的天線上，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(shù)據(jù)時，EM4095要連續(xù)發(fā)射射頻載波信號。射頻卡內(nèi)有一個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(yīng)電勢，當(dāng)電量累積到一定數(shù)量時，就可以作為電源為電路提供工作電壓，將卡內(nèi)信息發(fā)送出去。EM4095通過天線接收射頻卡發(fā)回的信號，并對接收的信號解調(diào)，從而得到射頻卡中的信息。然后把信息發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)按照射頻卡的無線通信協(xié)議對數(shù)據(jù)解碼、保存或者通過串口傳給上位機(jī)進(jìn)行處理。 

    2．2 電路設(shè)計(jì) 

    本文設(shè)計(jì)的讀卡器用于寵物管理系統(tǒng)的手持終端設(shè)備中，工作頻率為134．2 kHz。圖1是讀卡器的電路原理圖。 

圖1 讀寫器電路原理圖 

    單片機(jī)ATmega88負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的指令，驅(qū)動EM4095以及對EM4095發(fā)回的數(shù)據(jù)進(jìn)行Biphase解碼、校驗(yàn)，向上位機(jī)發(fā)送卡號。單片機(jī)ATmega88的PC2，PD7引腳控制EM4095的工作模式，EM4095解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸出給單片機(jī)的PB0引腳，此引腳具有輸入捕獲功能。基站天線是用銅制漆包線繞制的，天線線圈的直徑遠(yuǎn)大于漆包線的直徑?？梢圆捎孟旅娴墓綄μ炀€參數(shù)進(jìn)行計(jì)算： 

    其中：L為線圈的電感；N 為天線線圈的匝數(shù)；U。為磁導(dǎo)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為天線線圈的半徑；d為漆包線的直徑。本文所用的線圈匝數(shù)為120匝，電感為1．54 mH。天線線圈的電感確定后，將天線、電阻(R₁)、電容(C₂₁ ，C₂₂ ，C₂₃ )串聯(lián)構(gòu)成諧振電路，可以通過下式來確定總電容值，以保證天線的頻率與EM4095頻率相同。 

    其中：F₀為諧振頻率；動物標(biāo)簽頻率為134．2 kHz；L為天線線圈的電感；C為電容并聯(lián)的總電容值，通過計(jì)算可以得到電容值為912．65 pF。  

    在調(diào)試過程中，采用3個電容并聯(lián)代替1個電容串聯(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。另外通過調(diào)節(jié)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，以便消除無卡時EM4095的雜波輸出，便于單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。 

    3 軟件設(shè)計(jì) 

    ISO11784／11785協(xié)議是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對動物RFID做出的技術(shù)規(guī)定。其中對全雙工模式做了如下規(guī)定：1個11位(00000000001)的數(shù)據(jù)頭用于識別數(shù)據(jù)流的開始；8個8位的碼組組成64位ID號；2個8位的CRC一16校驗(yàn)碼碼組；3個8位的包含尾碼的碼組；每個碼組的后面都加上一個控制碼“1”，防止數(shù)據(jù)頭重復(fù)出現(xiàn)。動物標(biāo)簽采用只讀芯片EM4105，采用RF／32的傳輸波特率，數(shù)據(jù)編碼方式為Biphase編碼，存儲了128位數(shù)據(jù)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”在半位周期時跳變，“1”在半位周期時無跳變，并且“0”和“1”在位周期時都跳變，正好可以利用這一特點(diǎn)解碼。通過計(jì)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

    讀卡過程先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，單片機(jī)ATmega88的T／C1內(nèi)部有輸入捕獲單元，可應(yīng)用于精確捕獲一個外部事件的發(fā)生以及事件發(fā)生的時間印記。EM4095解調(diào)輸出的波形輸入到單片機(jī)的ICP1引腳，單片機(jī)進(jìn)行跳變沿捕獲，定時器捕捉中斷的觸發(fā)方式必須采用上升沿和下降沿交替進(jìn)行。也就是說，在下降沿捕捉中斷處理程序中設(shè)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(shè)置下次捕捉中斷的觸發(fā)方式為下降沿。算出兩次跳變的時間間隔，根據(jù)時間間隔是否在一定的容差范圍內(nèi)判斷是半位周期還是位周期，判定碼元的“0”，“1”值。解碼之后去掉用來防止數(shù)據(jù)頭重復(fù)出現(xiàn)的尾碼，數(shù)據(jù)保存后查找ll位的數(shù)據(jù)頭，找到數(shù)據(jù)頭后對對64位ID號進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后便可獲得動物標(biāo)簽ID號。 

    4 結(jié)語 

    本文介紹射頻基站芯片EM4095的結(jié)構(gòu)及功能，并利用EM4095設(shè)計(jì)用于寵物管理系統(tǒng)的讀卡器，給出了軟硬件的設(shè)計(jì)方法。通過實(shí)際測試，本文設(shè)計(jì)的讀卡器可以穩(wěn)定地工作，讀取距離約為3 cm，讀取速度也能達(dá)到要求。在原有軟件基礎(chǔ)上稍微改動就可以讀取曼徹斯特編碼的標(biāo)簽，具有很強(qiáng)的通用性。