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寵物管理系統(tǒng)中RFID讀卡器設(shè)計(jì)

文章出處:http://botanicstilllife.com 作者:陳文浩,朱義勝,張廣璐   人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年10月14日

[文章內(nèi)容簡(jiǎn)介]:在寵物管理系統(tǒng)中RFID讀卡器是用來(lái)讀取動(dòng)物標(biāo)簽信息的,并將信息傳輸給上住機(jī)。RFID讀卡器系統(tǒng)主要是由EM4095基站芯片和ATmega88單片機(jī)構(gòu)成的,EM4095基站芯片發(fā)射載波并接收、解調(diào)標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)波形。根據(jù)ATmega88單片機(jī)具有的捕獲功能,提出一種結(jié)合ISO11 784/11785協(xié)議進(jìn)行Biphase軟件解碼的方法,獲得標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。讀卡器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定,有很好的通用性。

    1 引 言 

    射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)是利用無(wú)線電波對(duì)記錄媒體進(jìn)行讀寫。射頻識(shí)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(shí),還具有極高的保密性。RFID系統(tǒng)的卡片與讀寫器之間,無(wú)需物理接觸即可完成識(shí)別,因此,可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)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(dòng)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(lái)對(duì)動(dòng)物標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)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(lái)控制。當(dāng)SHD引腳為高電平時(shí),EM4095處于休眠模式。芯片上電時(shí)SHD引腳必須為高電平,以便芯片初始化。SHD為低電平時(shí),電路發(fā)射射頻載波,開始解調(diào)天線接收到的AM 信號(hào),解調(diào)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(shí)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(guò)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(hào)中提取能量,所以在讀取射頻卡數(shù)據(jù)時(shí),EM4095要連續(xù)發(fā)射射頻載波信號(hào)。射頻卡內(nèi)有一個(gè)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(lì)下,LC諧振電路產(chǎn)生共振,從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),當(dāng)電量累積到一定數(shù)量時(shí),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(guò)天線接收射頻卡發(fā)回的信號(hào),并對(duì)接收的信號(hào)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(wú)線通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)解碼、保存或者通過(guò)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。 

讀寫器電路原理圖

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(dòng)EM4095以及對(duì)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(hào)。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?;咎炀€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?duì)天線參數(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(guò)下式來(lái)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(dòng)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(guò)計(jì)算可以得到電容值為912.65 pF。  

    在調(diào)試過(guò)程中,采用3個(gè)電容并聯(lián)代替1個(gè)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(guò)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(wú)卡時(shí)EM4095的雜波輸出,便于單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。 

    3 軟件設(shè)計(jì) 

    ISO11784/11785協(xié)議是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)動(dòng)物RFID做出的技術(shù)規(guī)定。其中對(duì)全雙工模式做了如下規(guī)定:1個(gè)11位(00000000001)的數(shù)據(jù)頭用于識(shí)別數(shù)據(jù)流的開始;8個(gè)8位的碼組組成64位ID號(hào);2個(gè)8位的CRC一16校驗(yàn)碼碼組;3個(gè)8位的包含尾碼的碼組;每個(gè)碼組的后面都加上一個(gè)控制碼“1”,防止數(shù)據(jù)頭重復(fù)出現(xiàn)。動(dòng)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(chǔ)了128位數(shù)據(jù)信息。 

Biphase編碼波形圖

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(shí)跳變,“1”在半位周期時(shí)無(wú)跳變,并且“0”和“1”在位周期時(shí)都跳變,正好可以利用這一特點(diǎn)解碼。通過(guò)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。 

讀卡流程圖

圖3 讀卡流程圖

    讀卡過(guò)程先對(duì)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(gè)外部事件的發(fā)生以及事件發(fā)生的時(shí)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(shí)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(shuō),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(shí)間間隔,根據(jù)時(shí)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(lái)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(duì)對(duì)64位ID號(hào)進(jìn)行CRC校驗(yàn),校驗(yàn)通過(guò)后便可獲得動(dòng)物標(biāo)簽ID號(hào)。 

    4 結(jié)語(yǔ) 

    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(guò)實(shí)際測(cè)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(dòng)就可以讀取曼徹斯特編碼的標(biāo)簽,具有很強(qiáng)的通用性。

    (大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院 陳文浩,朱義勝,張廣璐)

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