125kHz射频识别阅读器模块的设计与实现

作者：刘瑶

来源：《科技资讯》 2012年第22期

刘瑶

(陕西省理工学校 陕西西安 7100)

摘 要:设计了一个工作频率为125kHz低频射频识别阅读器的通用模块。设计方案中采用Atmel公司的基站芯片U2270b与Silion Laboratory公司的C8051微控制芯片配合工作,完成了射频载波信号的产生、放大、调制、解调与解码功能。文中介绍了硬件的工作原理、模块组成、解码程序的设计方法,并给出了相关设计文档与实物结果。通过软硬件调试与测试,获得了准确的解码时序,最终实现了对EM4100各类型兼容ID卡的正确识别。

关键词:射频识别 曼彻斯特解码 射频模块C8051 U2270B

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)08(a)-0018-02

Design and Realization of 125KHz Radio Frequency Identification Module

Liu Yao

(Shaanxi Technological School,7100)

Abstract:A radio frequency identification module operating at 125kHz is designed.The U2270B IC of Atmel Corporation and C8051 microcontroller unit are wording together,realizing the carrier arising,signal amplify,data

modulation,demodulation and decoding.The circuit operation principle,system

configuration,decoding program are introduced and relative results are showed.The module testing and measured results demonstrate that the encoding sequence is corrected,realizing the reading of EM4100 compatible tag.

Key Words:Radio frequency identification(RFID);Manchester encoding;Radio module;C8051;U2270B

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种利用电磁波散射或者负载调制原理实现双向数据传输的方法。射频识别技术相对于传统的磁卡及IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等优点,还具有同时识别多张卡片的防冲突功能[1]。

RFID系统按其工作频率可分为低频125kHz、高频13.56MHz、超高频915MHz以及微波频段2.45GHz等多种制式协议。每一种系统在工作方式以及应用场合上存在较大的差异,但是所有阅读器工作原理与模块组成上都很类似,都可分解为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器,完成产生高频发射功率,对发射信号进行调制以及对接收信号解调和基带信号再生。本文针对低频的125kHz阅读器模块进行设计。

自20世纪90年代以来,射频识别技术在全世界范围内得到了很快的发展。随着射频识别技术的不断成熟,射频技术在各个行业,尤其是在电子信息行业得到了广泛的应用。未来,射频识别

系统所应用的领域不断地拓展,系统架构的复杂程度也在不断增加,而模块化的设计思想是设计复杂系统的基本方法。

1 射频识别阅读器模块工作原理

1.1 功能框图

射频识别模块的组成部分包括:供电模块,发射与接收模块,微控制器,天线,接口模块。天线的作用是在空间中建立与载波信号大小成正比的磁场,以及将空间中的变化的磁场转化成感应电动势,关于天线的设计可参考文献[2]。发射与接收模块主要完成125kHz载波信号的生成与放大,信号的调制与解调,基带信号的放大与整形功能。射频识别模块中选择Atmel公司的读写基站芯片U2270B来完成发射与接收模块的所有功能。该芯片可调工作频率范围为100kHz～150kHz,最大传输速率为5K波特率,支持曼切斯特以及二相调制和自动调谐功能[3]。微处理芯片可以根据外部命令控制载波信号的使能和完成基带信号的解码。在该模块中我们选择C5051F020微控制器,其丰富的接口功能以及外设资源保证了模块的扩展功能。其他接口模块完成程序的下载与在线调试,测试信号的输出,外设的控制,数据的传输。供电模块功能则是将5V标准电压输入转换成模块上各个芯片的稳定工作电压。

1.2 工作流程

射频识别模块工作流程是:首先,系统上电正常后,MCU复位并检测系统时钟稳定后开始向发射模块发送载波使能信号,内部振荡器在产生125kHz载波信号并放大后送到天线两端。然后,天线在周围空间中建立交变的磁场,待有标签卡进入工作区域后,标签芯片获得能量启动后将卡号和用户数据经过负载调制方式返回给阅读器。最后,阅读器解调标签返回信号,并整形放大后送给微处理器做解码处理,微处理器解码后将数据存储在内存中。

2 电路设计与软件设计

根据模块的功能框图,我们使用Altium Designer软件完成了模块原理图与PCB版图的绘制,最后制作了实物如图2所示。模块PCB板使用FR4材料,厚度为1.6mm,大小尺寸为5mm×5mm。

在射频识别模块的软件设计中,主要解决的是曼彻斯的解码。现今大部分的低频射频识别标签芯片默认采用的编码方式为曼彻斯,数据帧格式为开头的9个“1”,后面紧跟位的数据与校验码,其中第5N(N=1,2,3……10)为行校验位、51～位为列校验位,最后一位为停止位“0” 【4,5】。根据曼彻斯的变化特点,实现正确解码的两个前提是完成在数据前半个周期的准确定时采样和排除“空跳”信号的影响。在捕获阶段,MCU要不断查询OUTPUT输出信号的跳变,一旦跳变出现,马上通过定时器计算该脉宽持续时间。若该脉宽为一个码率周期,可

确定适当延时使得在该脉宽的后半周期开始采样,采样周期设定为码率周期,即启动“跟踪”过程。如果脉宽宽度为半个周期,则需要返回查询输出数据过程,等待下一次信号的跳变。

3 调试过程与测试结果

接下来,我们将解码程序通过仿真器烧写入MCU并通过在线调试方式,对射频识别模块软硬件系统进行联合调试与测试。图3给出了实测定时采样信号与OUTPUT输出的曼彻斯特数据时序,其中Signal1表示采样定时信号,Signal2表示数据。从图中可以看出,在每个上升沿与下降沿,采样点都位于码元的前半周期,总共采样值达到位以后,Signal1保持高电平不变,表示不再进行数据的采样。

标签ID卡号经过解码后的结果存储在连续的数据内存中,可从调试环境中的内存变量窗口中读取。已知对应图3的标签的十进制格式的卡号为0011153466,读取的连续十六进制原始数据为4a1806a03fe58801,经过转化后两者完全吻合。对实际的测试结果来看,该模块可以准确快速的识别各种薄卡、厚卡以及钥匙扣卡,s识别距离约为3～5cm。

4 结语

基于模块化的系统设计思想,本文设计了一个工作频率为125kHz的阅读器射频识别模块。它由射频模块、微控制器模块、电源以及接口模块组成,完成了载波信号的产生放大、信号的调制解调以及数据的解码功能。通过对电路实物的测试以及控制器软件的设计与调试,实现了对EM4100系列芯片兼容标签卡的卡号正确识别与存储功能。

参考文献

[1]游战清.无线射频识别技术RFID理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

[2]Atmel Corporation.U2270B Antenna Design Hints,USA:http://www.atmel.com,1999.

[3] Atmel Corporation. U2270B Datesheet, USA:http://www.atmel.com,1999.

[4] 段争云,屈菲,李书涛.基于C8051F300的曼彻斯特译码的软件实现[J].电子技术,141-143.

[5] 康文广,王辉映.一种RFID的曼彻斯特解码技术[J].单片机及嵌入式系统应用,2010,(12):20-22.