康文廣,王輝映

(珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司,珠海519070)

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)應(yīng)用是目前發(fā)展最為迅速、潛力最大的新興技術(shù)之一,其利用射頻信號(hào)和空間耦合(電磁耦合或電磁傳播)傳輸特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID技術(shù)正在逐步應(yīng)用于物流管理、產(chǎn)品生產(chǎn)線、零售業(yè)、安保等諸多領(lǐng)域[1]。

本文以EM 4095和EM 4100芯片為例闡述曼徹斯特解碼方法。

1 RFID讀卡系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示,系統(tǒng)由讀卡器和非接觸式智能卡(下文簡(jiǎn)稱(chēng)RFID卡)組成。讀卡器主要由微控制器、芯片EM 4095和天線組成;智能卡由芯片EM 4100和天線組成。

圖1 RFID讀卡系統(tǒng)的構(gòu)成

讀卡器不斷向周?chē)l(fā)射固定頻率為125 kHz的電磁波,RFID卡內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路,其工作頻率與EM 4095相對(duì)應(yīng),也為125 kH z,這樣當(dāng)RFID卡進(jìn)入該磁場(chǎng)空間時(shí),在電磁激勵(lì)下LC諧振電路產(chǎn)生共振。通過(guò)共振為RFID卡(EM 4100)提供了能量,于是RFID卡通過(guò)電磁耦合將自身的ID信息調(diào)制后按順序發(fā)送到EM 4095,芯片EM 4095獲得此信息后通過(guò)解調(diào)從引腳DEMOD_OUT輸出曼徹斯特碼到微控制器。

SHD為休眠控制引腳,高電平時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際應(yīng)用中不需要進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí),可以把EM4095芯片的下拉到低電平,從而節(jié)省微控制器的一個(gè)I/O引腳。

2 EM4100芯片介紹及編碼機(jī)制

如圖2所示,EM 4100包含64位信息,此信息分為5組:9位同步頭,10個(gè)行校驗(yàn)位(P0～P9),4個(gè)列校驗(yàn)位(PC0～PC3),40個(gè)數(shù)據(jù)位(D00～D93)和1個(gè)停止位(S0)。

同步頭由9個(gè)“1”組成,接著是10組4位數(shù)據(jù)和1位偶校驗(yàn)位,然后是一組4列偶校驗(yàn)位(不包含行校驗(yàn)位)數(shù)據(jù)。S0是一個(gè)邏輯為0的停止位。

位“D00～D03”和“D10～D13”為用戶特殊標(biāo)識(shí)(即用戶ID)。

這64位信息被順序輸出,當(dāng)這64位信息輸出后將不斷循環(huán)輸出直到失去能量[2]。

圖2 EM4100信息編碼組成

曼徹斯特編碼如圖3所示,每一個(gè)比特位的中間總有一個(gè)跳變,由“0”跳變到“1”代表數(shù)據(jù)“1”,由“1”跳變到“0”代表數(shù)據(jù)“0”。調(diào)制控制低電平表示大電流。

圖3 曼徹斯特編碼

3 EM4095芯片介紹

EM 4095芯片是一個(gè)CMOS集成收發(fā)器電路,用作RFID基站。它不需外部晶振,載波頻率為100～150 kHz,數(shù)據(jù)傳輸采用調(diào)幅方式(AM),兼容多種RFID卡傳輸協(xié)議(如EM 400X、EM4150、EM 4070等)。

如圖1所示,EM 4095芯片在使用時(shí)需要外接天線電路。該芯片的操作由SHD和MOD控制:當(dāng)SHD為高電平時(shí)EM 4095處于休眠模式;當(dāng)SHD為低電平時(shí)EM 4095被使能并產(chǎn)生射頻電磁場(chǎng),開(kāi)始解調(diào)天線上的任何調(diào)幅(AM)信號(hào),數(shù)字信號(hào)通過(guò)DEMOD_OUT引腳輸出到微控制器以進(jìn)行解碼和進(jìn)一步處理[3]。其中,DEMOD_OUT引腳信號(hào)輸出為曼徹斯特碼。

4 曼徹斯特解碼方法

4.1 DEMOD_OUT信號(hào)的特點(diǎn)

對(duì)曼徹斯特碼進(jìn)行解碼,主要是對(duì)DEMOD_OUT信號(hào)進(jìn)行解碼。

①如圖4所示,根據(jù)天線上的信號(hào)[2],可知DEMOD_OUT信號(hào)與圖3所示的編碼正好相反。即由“1”跳變到“0”代表數(shù)據(jù)“1”,由“0”跳變到“1”代表數(shù)據(jù)“0”。

圖4 天線(線圈)上的信號(hào)

②由于RFID卡進(jìn)入射頻場(chǎng)時(shí),RFID卡將循環(huán)輸出自己的64位ID信息直到離開(kāi)此射頻場(chǎng),又由于曼徹斯特編碼表示一位數(shù)據(jù)由0或1兩個(gè)“半位”組成,于是DEMOD_OUT信號(hào)是一個(gè)以128個(gè)“半位”數(shù)據(jù)為周期的有限長(zhǎng)度序列。

③由于載波頻率的變化為100～150 kHz,所以“一位”數(shù)據(jù)的脈寬為640～427μs,“半位”數(shù)據(jù)的脈寬為320～213.5μs。

4.2 曼徹斯特解碼算法

原始數(shù)據(jù)與曼徹斯特編碼關(guān)系如圖5所示,所有的數(shù)據(jù)都可以分為這4種情況。可以用“前半位”的值來(lái)表示一位原始數(shù)據(jù),只有當(dāng)遇到連續(xù)相同的兩個(gè)“半位”數(shù)據(jù)(Case1和Case2)時(shí)才能判斷出“前半位”所在的位置,是“1”還是“0”等于這兩個(gè)連續(xù)相同半位值的相反值。

圖5 原始數(shù)據(jù)與曼徹斯特編碼關(guān)系

如果DEMOD_OUT信號(hào)與微控制器的普通I/O口相連接通過(guò)軟件延時(shí)的方法進(jìn)行解碼,誤差較大且識(shí)別效率比較低。本文采用微控制器的捕獲中斷功能引腳與DEMOD_OUT引腳相連接。設(shè)置為邊沿方式觸發(fā)中斷,根據(jù)脈沖寬度的范圍,通過(guò)中斷捕獲得到128個(gè)“半位”數(shù)據(jù),中斷捕獲流程如圖6所示。

圖6 捕獲中斷的處理流程

在處理這128個(gè)數(shù)據(jù)后,邏輯上把這128個(gè)“半位”數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū),通過(guò)判斷兩個(gè)連續(xù)相同半位值來(lái)判斷“前半位”位置,即這128個(gè)數(shù)據(jù)是奇數(shù)項(xiàng)還是偶數(shù)項(xiàng)有效。這個(gè)有效序列就是原始的64位數(shù)據(jù),再把這64位數(shù)據(jù)邏輯上作為一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū),進(jìn)行解碼。解碼流程如圖7所示。

圖7 解碼任務(wù)處理流程

在實(shí)際應(yīng)用中,也可以在捕獲中斷中完成128位數(shù)據(jù)的采集后關(guān)閉中斷,而在解碼任務(wù)中采取每100m s查詢一次并打開(kāi)中斷。采用這種解碼任務(wù)查詢方式可以有效避免由于讀卡器工況變化而導(dǎo)致的誤碼。

5 結(jié) 論

本文的解碼方法僅用微控制器的1個(gè)或2個(gè)引腳就可完成解碼,硬件接口電路簡(jiǎn)單;算法全部采用C語(yǔ)言編寫(xiě),可移植性高,可以廣泛應(yīng)用于門(mén)禁、考勤等多種系統(tǒng)中。

應(yīng)用中可以采用中斷發(fā)消息通知解碼任務(wù)的方式,也可以采用解碼任務(wù)查詢的方式。采用解碼任務(wù)查詢的方式,經(jīng)過(guò)多年的工程應(yīng)用,證明此算法穩(wěn)定可靠。

[1]王子奇.射頻識(shí)別技術(shù)基本工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展?fàn)顩r:第二十二界中國(guó)(天津)2008 IT、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、電子、儀器儀表創(chuàng)新學(xué)術(shù)會(huì)議[C]:89.

[2]EM Microelectronic.EM 4100 datasheet,2010.

[3]EM Microelectronic.EM 4095 datasheet,2010.

[4]丁明軍,等.射頻卡應(yīng)用中的曼徹斯特解碼技術(shù)[J].通信技術(shù),2007(12):65.

[5]周元芳.H 4001非接觸式ID卡讀卡過(guò)程的研究[J].浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)習(xí)學(xué)報(bào),2003,15(1):5.