【精品】rfid 开发技术及实践 （西电版第4章低频rfid阅读器设计精品ppt课件.ppt

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1、RFID 开发技术及实践（西电版）第4章 低频RFID阅读器设计第4章 低频RFID阅读器设计 2 24.1 低频低频ID卡卡低频RFID由于频率较低，带宽有限，所以不适合传输大量数据以及数据写入。因此低频RFID标签通常是以ID卡的形式出现，即在标签中固化一串ID号，阅读器仅可以阅读，不能写入和更改。ID卡仅提供一个ID卡号，通常用作身份识别，更多的功能需要依赖于阅读器。阅读器读取ID号进行比对后，执行相关处理或者传入上位机或网络进行处理。第4章 低频RFID阅读器设计 3 34.1.1 常见低频常见低频ID卡卡低频ID卡通常采用无源设计，将ID芯片和天线封装在一起，做成卡片或标签的样式，其

2、结构如图4-1所示。常见的ID芯片有EM公司的EM4100及其兼容的TK4001系列、HID系列和摩托罗拉的产品等。目前，市场上使用较多的为前两种，其读取方法不尽相同：EM4100系列ID卡芯片可使用同一个公司配套的EM4095读卡芯片，方便读取其ID号。HID系列卡有自己的加密协议和读取方法，并且不公开，所以EM4095读卡芯片无法读取其ID号，只能使用专用HID类读卡器。因此本书中不详细讲解此系列卡。第4章 低频RFID阅读器设计 4 4图4-1 ID卡结构第4章 低频RFID阅读器设计 5 54.1.2 EM4100EM4100是EM公司生产的只读型非接触ID卡芯片，典型频率为125 k

3、Hz，内部固化64 bit数据，一旦进入阅读器范围内，并与阅读器天线发出的载波耦合后，将64bit的数据不断发回阅读器。EM4100内部64bit相关定义如图4-2所示。第4章 低频RFID阅读器设计 6 6第4章 低频RFID阅读器设计 7 7第4章 低频RFID阅读器设计 8 84.1.3 EM4100解码解码对EM4100进行解码时，判断一帧完整数据的开始，需要判断同步头，因为数据中的行列校验会保证数据中不会连续出现9个1。由于只要在阅读器范围内，EM4100就会循环送出内部的64bit数据，并且最后一个停止位为数据0。因此判断同步头的方法是当第一次读取数据时，遇到0至1的跳变开始计数，

4、如果读到连续9个1，则为同步头，从同步头往后可依次读取剩余的bit位。第4章 低频RFID阅读器设计 9 9EM4100内部的64 bit数据采用时钟(典型频率为125 kHz)64分频的速率进行发送，每位bit的传送时间为：(1s/125000)64=512 s数据采用曼彻斯特码编码，即每个bit被分为两位传输，每两个曼彻斯特码宽度为512 s，如表4-1所示。第4章 低频RFID阅读器设计 10 10表表4-1 曼彻斯特码曼彻斯特码 第4章 低频RFID阅读器设计 11 114.2 EM4095EM4095是EM微电子公司生产的一款低频AM调制解调芯片，常用作低频RFID阅读器的模拟前端。

5、4.2.1 功能概述功能概述EM4095是一款CMOS芯片，与MCU的接口简单，在RFID阅读器中可用于天线驱动和调制解调。除此之外，还有如下其他特性：内置的PLL锁相环可自适应天线谐振载波。无需外部振荡器。100150 kHz载波频率范围。第4章 低频RFID阅读器设计 12 12数据发送采用OOK(100%AM调幅)方式，使用桥路激励器。数据发送通过调幅方式，可使用单芯片通过外部调节。睡眠模式电流1 A。兼容USB供电范围。4085温度范围。SO16封装。EM4095共有16个引脚，其芯片引脚图如图4-3所示。EM4095芯片的引脚定义如表4-2所示。第4章 低频RFID阅读器设计 13

6、13图4-3 EM4095引脚图 第4章 低频RFID阅读器设计 14 14表表4-2 EM4095芯片的引脚定义芯片的引脚定义 第4章 低频RFID阅读器设计 15 154.2.2 原理图原理图EM4095内部结构比较简单，其原理图如图4-4所示。1.SHDEM4095的引脚SHD和MOD用来操作设备，SHD的功能如下：当SHD为高电平时，EM4095为睡眠模式，电流消耗最小。在上电时，SHD输入必须是高电平，用来使能正确的初始化操作。当SHD为低电平时，回路允许发射射频信号，并开始对天线上的振幅调制信号进行解调。第4章 低频RFID阅读器设计 16 16图4-4 原理图第4章 低频RFID

7、阅读器设计 17 172.MOD引脚MOD是用来对125 kHz射频信号进行调制的，其功能如下：在MOD引脚上施加高电平时，会阻塞天线驱动，并关掉电磁场。在MOD引脚上施加低电平时，会使片上VCO进入自由运行模式，天线上将出现没有经过调制的125 kHz的载波。EM4095用作只读模式，引脚MOD没有使用，推荐将它连接至VSS。第4章 低频RFID阅读器设计 18 183.锁相环锁相环锁相环由环路滤波、采样器和比较模块等组成。通过使用外部电容分压，DEMOD_IN引脚上得到天线上真实的高电压。这个信号的相位和驱动天线驱动器信号的相位进行比较。所以锁相环可以将载波频率锁定在天线的谐振频率上。根据

8、天线种类的不同，系统的谐振频率可以在100150 kHz的范围内。当谐振频率在这一范围内的时候，它就会被锁相环锁定。第4章 低频RFID阅读器设计 19 194.DEMOD_INDEMOD_IN引脚作接收链路的输入信号。接收模块解调的输入信号是天线上的电压信号。DEMOD_IN输入信号的级别应该低于VDD-0.5 V，高于VSS+0.5V。通过外部电容分压可以调节输入信号的级别。分压器增加的电容必须通过相对较小的谐振电容来补偿。5.RDY/CLKRDY/CLK为外部微处理器提供ANT1上信号的同步时钟以及EM4095内部状态的信息。ANT1上的同步时钟表示PLL被锁定并且接收链路操作点被设置，

9、其状态受到SHD和MOD的影响如下：第4章 低频RFID阅读器设计 2020 当SHD为高电平时，RDY/CLK引脚被强制为低电平。当SHD上的电平由高转低时，PLL为锁定状态，接收链路工作。经过时间Tset后，PLL被锁定，接收链路操作点已经建立。这时候，传送到ANT1上的信号同时也传送至RDY/CLK，提示微处理器可以开始观察DEMOD_OUT上的信号和与此同时的时钟信号。当MOD为高电平时，ANT驱动器关闭，但此时RDY/CLK引脚上的时钟信号仍然在继续。当SHD引脚上的电平从高到低，经过时间Tset后，RDY/CLK引脚上的信号被100 k的下拉电阻拉低。这样做是为了能在标签的AM调制

10、低于100%情况下，从RDY/CLK引脚提供一个指示信号。第4章 低频RFID阅读器设计 21 216.DVDD和和DVSSDVDD和DVSS管脚应该分别与VDD以及VSS连接。为了使通过管脚DVDD和DVSS的驱动器电流所造成的电压降不会引起VDD和VSS上的电压降，在DVSS和DVDD管脚之间应该加一个100 nF的电容，并使其尽量靠近芯片。这将防止由于天线驱动器引起的电源尖峰。此外，对管脚VSS和VDD进行隔离也是有用的。所有和管脚DC2/AGND/DMOD_IN相关的电容都应该连接到相同的VSS线上。这条线应该直接和芯片上的管脚VSS相连。该线不能再连接其他元件或者成为DVSS供电线路

11、的一部分。AGND管脚上的电容值可以从220 nF上升到1 F。电容越大，接收噪声越小。AGND的电压可以通过外部电容和内部的2 k电阻进行滤波。第4章 低频RFID阅读器设计 22227.ANTEM4095不限制ANT驱动器发出的电流值。这两个输出的最大绝对值是300mA。对天线谐振回路的设计应该使最大的尖峰电流不超过250 mA。如果天线的品质因数很高，这个值就可能超过，因此必须通过串联电阻加以限制。增加Cdc2电容值，将增加接收带宽，进而增加斜坡信号的接收增益。Cdc2的推荐范围是6.822 nF；Cdec的推荐范围为33220 nF。电容值越高，开始上升时间越长。8.FCAPFCAP引

12、脚上的为偏置电压，它补偿了外部天线驱动器引起的相位偏移。第4章 低频RFID阅读器设计 23234.2.3 与与MCU接口接口EM4095管脚较少，结构简单，与MCU的接口如图4-5所示。EM4095通过跳线分别与ATmega16A的相关引脚相连，其跳线如图4-6所示。ATmega16A的相关引脚如图4-7所示。分析电路图可知，EM4095管脚与ATmega16A管脚的对应关系如表4-3所示。第4章 低频RFID阅读器设计 2424图4-5 EM4095与MCU接口 第4章 低频RFID阅读器设计 2525图4-6 跳线 第4章 低频RFID阅读器设计 2626图4-7 ATmega16A的相

13、关引脚 第4章 低频RFID阅读器设计 2727表表4-3 EM4095管脚与管脚与Atmega16A管脚的对应关系管脚的对应关系 第4章 低频RFID阅读器设计 28284.3 低频低频RFID阅读器程序设计阅读器程序设计低频RFID阅读器程序的主要工作是正确地读取标签的ID号码，一般分为三部分：初始化程序、驱动程序和主程序。下述内容用于实现任务描述4.D.1，即使用AVR通过EM4095读取一个EM4100卡的卡号，并通过串口输出。4.3.1 初始化程序初始化程序初始化程序用于各种管脚和器件的初始化，以便能够正常进行解码。基于模块化和移植的考虑，可将本例中GPIO设置子程序单独封装成子函数

14、gpio_config()，具体源码如下：第4章 低频RFID阅读器设计 2929【描述4.D.1】gpio_config()/gpio配置void gpio_config(void)/PD7、PC7和PD2管脚配置DDRD|=(1PD7);PORTD|=(1PD7);DDRC|=(1PC7);PORTC|=(1PC7);DDRD&=(1PD2);第4章 低频RFID阅读器设计 3030EM4095相关管脚设置子程序单独封装成子函数EM_config()，具体源码如下：【描述4.D.1】EM_config()/em4095配置void EM_config(void)/em4095相关管脚配置D

15、DRB|=EM_SHD|EM_MOD;DDRB&=EM_DM_OUT;EM_PORT|=EM_SHD;第4章 低频RFID阅读器设计 31 31/定时器1配置，实现精确定时TCCR1B&=(1CS10)|(1CS12);TCCR1B|=(1CS11);/TCNT1=600;OCR1A=64600;TCCR1A&=(1WGM11)|(1WGM10);TCCR1B&=(1WGM13);TCCR1B|=(1WGM12);TIMSK|=(1OCIE1A);SREG|=(1 7);第4章 低频RFID阅读器设计 3232串口设置子程序单独封装成子函数uart_config()，具体源码如下：【描述4.D

16、.1】uart_config()/串口设置void uart_config(void)/串口相关寄存器配置UCSRA|=(1U2X);UCSRB|=(1RXCIE);第4章 低频RFID阅读器设计 3333UCSRC|=(1URSEL)|(1UCSZ1)|(1UCSZ0);UCSRC&=(1UMSEL)|(1UPM1)|(1UPM0)|(1USBS);UBRRH&=(1URSEL);/波特率115200UBRRH=0;UBRRL=7;UCSRB|=(1RXEN)|(1TXEN);第4章 低频RFID阅读器设计 34344.3.2 驱动程序驱动程序驱动程序是EM4095能够正确解码的相关演示程序

17、和解码子程序。因本例中曼彻斯特码有严格的码元间隙，所以需要512 s的延时子函数。该函数单独封装成子函数delay_512 s()，具体源码如下：【描述4.D.1】delay_512 s()/512 s延时子函数void delay_512 s(int x)/使用定时器实现定时TIFR|=(1OCF1A);TCNT1=0;while(TCNT1505&TCNT1520)/判断随后是否连续8个1for(i=0;i8;i+)/以512 s四分之三的位置判断逻辑电平delay_512 s(380);c_l=PINB&EM_DM_OUT;第4章 低频RFID阅读器设计 3737if(c_l!=0)co

18、dei=1;elsecodei=0;code_st=0;while(PINB&EM_DM_OUT);第4章 低频RFID阅读器设计 3838elsecode_st=0;/返回判断同步头情况if(code_st=1)return 1;elsereturn 0;第4章 低频RFID阅读器设计 3939本例中，曼彻斯特解码功能单独封装成子函数read_id()，具体源码如下：【描述4.D.1】read_id()/曼彻斯特解码char read_id(void)char st=0;char i=0;char c_L;EM_PORT&=EM_SHD;第4章 低频RFID阅读器设计 4040st=read

19、_id_start();/如果读到同步头if(st=1)/顺序读取剩余bitfor(i=8;i63;i+)/以512 s四分之三的位置判断逻辑电平delay_512 s(384);if(PINB&EM_DM_OUT)codei=1;while(PINB&EM_DM_OUT);第4章 低频RFID阅读器设计 41 41elsecodei=0;while(!(PINB&EM_DM_OUT);return 1;elsereturn 0;第4章 低频RFID阅读器设计 42424.3.3 主程序主程序主函数main()存放在main.c文件中，除了相关初始化函数和主循环外，还要定义一些必需的宏定义和头

20、文件等，详细代码清单如下：【描述4.D.1】main.c/*宏定义*/开启比特定义#define ENABLE_BIT_DEFINITIONS 1#define EM_SHD (1PB5)#define EM_DM_OUT (1PB6)#define EM_MOD (1PB3)#define EM_PORT PORTB第4章 低频RFID阅读器设计 4343char code64=0;char*p;/*头文件*/#include/*子函数*/void gpio_config(void);void EM_config(void);char read_id(void);void uart_conf

21、ig(void);void delay_512 s(int x);char read_id_start(void);第4章 低频RFID阅读器设计 4444/*主函数 */main()char st=0;gpio_config();EM_config();uart_config();p=code;/主循环while(1)st=read_id();if(st)第4章 低频RFID阅读器设计 4545/如果完成解码，则蜂鸣器将鸣响一声PORTD&=(1PD7);delay_512 s(5000);delay_512 s(5000);delay_512 s(5000);delay_512 s(5000);delay_512 s(5000);delay_512 s(5000);delay_512 s(5000);delay_512 s(5000);delay_512 s(5000);第4章 低频RFID阅读器设计 4646delay_512 s(5000);PORTD|=(1PD7);在本书配套的低频RFID开发板上执行程序后，如果在天线范围内有ID卡，则蜂鸣器会鸣叫一声。