寵物管理系統中RFID讀卡器設計

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：陳文浩，朱義勝，張廣璐   人氣： 發表時間：2011年10月14日

    1 引 言 

    射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)是利用無線電波對記錄媒體進行讀寫。射頻識別的距離可達幾十厘米至幾米。根據讀寫的方式，可以輸入數千字節的信息，同時，還具有極高的保密性。RFID系統的卡片與讀寫器之間，無需物理接觸即可完成識別，因此，可實現多目標識別和運動目標識別。低頻系統有讀寫短距離、成本低的特點，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構成讀寫電路，利用單片機完成Biphase解碼，在寵物管理系統中用來對動物標簽進行識別。 

    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，電路發射射頻載波，開始解調天線接收到的AM 信號，解調的數字信號通過DEMOD— OUT引腳送到微控制器，以便進行解碼和處理。MOD引腳為高電平時電路處于三態，MOD接地使芯片進入只讀狀態。  

    EM4095內部集成了鎖相環系統，該系統可自適應調整天線諧振頻率，發射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，是通過負載調制的方式耦合到應用終端的天線上，需要從EM4O95發送的射頻信號中提取能量，所以在讀取射頻卡數據時，EM4095要連續發射射頻載波信號。射頻卡內有一個LC串聯諧振電路，其諧振頻率與射頻載波頻率一致，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而產生感應電勢，當電量累積到一定數量時，就可以作為電源為電路提供工作電壓，將卡內信息發送出去。EM4095通過天線接收射頻卡發回的信號，并對接收的信號解調，從而得到射頻卡中的信息。然后把信息發送給單片機，由單片機按照射頻卡的無線通信協議對數據解碼、保存或者通過串口傳給上位機進行處理。 

    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 讀寫器電路原理圖 

    單片機ATmega88負責接收上位機的指令，驅動EM4095以及對EM4095發回的數據進行Biphase解碼、校驗，向上位機發送卡號。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。基站天線是用銅制漆包線繞制的，天線線圈的直徑遠大于漆包線的直徑。可以采用下面的公式對天線參數進行計算： 

    其中：L為線圈的電感；N 為天線線圈的匝數；U。為磁導率，表征磁介質磁性的物理量， 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 )串聯構成諧振電路，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；動物標簽頻率為134．2 kHz；L為天線線圈的電感；C為電容并聯的總電容值，通過計算可以得到電容值為912．65 pF。  

    在調試過程中，采用3個電容并聯代替1個電容串聯到電路中的做法，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，以便消除無卡時EM4095的雜波輸出，便于單片機對數據進行解碼。 

    3 軟件設計 

    ISO11784／11785協議是國際標準化組織對動物RFID做出的技術規定。其中對全雙工模式做了如下規定：1個11位(00000000001)的數據頭用于識別數據流的開始；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”，防止數據頭重復出現。動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編碼的特點是二進制碼“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解碼。通過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

    讀卡過程先對系統進行初始化，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外部事件的發生以及事件發生的時間印記。EM4095解調輸出的波形輸入到單片機的ICP1引腳，單片機進行跳變沿捕獲，定時器捕捉中斷的觸發方式必須采用上升沿和下降沿交替進行。也就是說，在下降沿捕捉中斷處理程序中設置下次捕捉中斷的觸發方式為上升沿，在上升沿捕捉中斷處理程序中設置下次捕捉中斷的觸發方式為下降沿。算出兩次跳變的時間間隔，根據時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號進行CRC校驗，校驗通過后便可獲得動物標簽ID號。 

    4 結語 

    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。通過實際測試，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。

    (大連海事大學信息工程學院 陳文浩，朱義勝，張廣璐)