实现以RFID卡仿真磁卡的模块设计

    2O世纪8O年代，以磁卡和条形码作为信息载体，各种身份识别逐渐广泛应用于我国服务领域、物流与企业管理领域．射频识别(radio frequency identification，RFID)卡具有非接触、操作方便、可靠、识别率高、寿命长等突出优点，2O世纪9O年代起大规模应用于众多领域．目前仍有大量基于磁卡和条码的应用系统正在或即将投入使用，这些系统在设计时不少是把磁卡或条码解码部分作为独立的模块加以考虑．基于此，提出以下设想：若能够采用廉价只读RFID卡取代磁卡或条码，而让RFID卡阅读模块直接替换原来的磁卡机芯或条码解码模块，那么，整个系统不需做什么改动，即可投入运行或继续使用．这样，不论改造旧系统或过渡到采用RFID卡的新系统，都可提高效率，减少浪费，在当前仍有市场和积极的意义．本文介绍的模块只考虑以只读的RFID卡替代不需修改信息的磁卡(其他情况读写卡程序有所不同)．

1 模块组成和工作原理 

   本仿真模块的功能就是解码读取只读RFID卡的信息(通常就是简单的序列号，并仿真磁卡机芯输出美国银行家协会(American banker S association，ABA)磁卡格式数据，其组成框图见图1． 

图1 仿真模块的组成框图

    模块的关键部分是天线、ATMEL的射频卡读写基站芯片U2270B和单片机AT89C2051．工作时，基站芯片U2270B通过天线(一般使用铜制漆包线绕制直径3 cm、线圈100圈即可，电感值为1．35 mH)以约125 kHz的调制射频信号为RFID卡提供能量(电源)，同时能接收来自H4001的信息，并以曼彻斯特编码(Manchester)输出．而AT89C2051则是从U2270B得到H4001卡的64位信息，根据曼彻斯特编码规则进行解码，对数据加以校验，获取其中代表1O位十进制序列号的32位二进制数，并转换成对应的ABA磁卡格式数据，再从／CLD、CLK、DATA 3根信号线仿真磁卡机芯输出数据．

2 RFID卡H4001及曼彻斯特编码 

    图1所示模块中，配套使用的RFID卡是EM Microelectronic公司的H4001，该卡属于无源的低频RFID卡，典型工作频率为125 kHz，工作所需要的能量是通过电磁耦合单元或天线，以非接触的方式传送．当获得足够能量后，H4001便不断循环地往外部发送其自身的序列号等64位信息．

    发送时要对数据进行曼彻斯特编码和信号调制．规则如下：在每个时钟周期(对应1位数据)的中间位置，当数据位为“0”时电平由高向低跳变，而数据位为“1”时电平由低向高跳变；本模块的另一种表示方法则恰好相反，其波形如图2所示．

图2 一个典型数据序列的Manchester编码波形图

    对于采用曼彻斯特编码的H4001，其数据速率为RF／64．假设基站工作时的射频频率是125 kHz，则对应1位的时钟(CLOCK)的周期( T)µs．

3 基站芯片U2270B与模块电路 

    射频卡的读写需要由射频卡基站芯片来完成数据的调制、发射和射频的接收以及数据的解调任务．ATMEL公司生产的U2270B是一种低成本、性能完善的低频(100—150 kHz)射频卡基站芯片，采用Man—chester编码和双相编码，可用于读取H4001 RFID卡．参照文献[3]和[5]，针对H4001 RFID卡，采用U2270B设计的射频识别卡读取模块的电路见图3．

图3 基于U2270B的REID卡读取模块电路图

    通过调整U2270B的第15脚(RF端)所接电阻的大小，可将内部振荡频率固定在125 kHz．计算公式如下：

    读卡时，RFID卡发射来的经过125 kHz载波调制后的信号由基站天线接收后，馈送到U2270B的第4 脚(Input)处，在第2脚(Output)输出解调后的Manchester编码的数据信号，送给微处理器．应当说明，射频卡H4001返回的是采用Manchester编码的数据流，基站U2270B负责信号的接收、整流和解调工作，而解码工作由单片机AT89C2051完成．