宠物管理系统中RFID读卡器设计

    1 引 言 

    射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是利用无线电波对记录媒体进行读写。射频识别的距离可达几十厘米至几米。根据读写的方式，可以输入数千字节的信息，同时，还具有极高的保密性。RFID系统的卡片与读写器之间，无需物理接触即可完成识别，因此，可实现多目标识别和运动目标识别。低频系统有读写短距离、成本低的特点，主要有125 kHz和134．2 kHz两种频率，可用于门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。本文设计的读卡器属于低频系统，使用EM4095构成读写电路，利用单片机完成Biphase解码，在宠物管理系统中用来对动物标签进行识别。 

    2 工作原理及电路设计 

    2．1 工作原理 

    读卡器采用射频读写芯片EM4095。EM4095的工作模式是由弓I脚SHD和MOD的逻辑电平来控制。当SHD引脚为高电平时，EM4095处于休眠模式。芯片上电时SHD引脚必须为高电平，以便芯片初始化。SHD为低电平时，电路发射射频载波，开始解调天线接收到的AM 信号，解调的数字信号通过DEMOD— OUT引脚送到微控制器，以便进行解码和处理。MOD引脚为高电平时电路处于三态，MOD接地使芯片进入只读状态。  

    EM4095内部集成了锁相环系统，该系统可自适应调整天线谐振频率，发射1OO～150 kHz的载波，完成读取射频卡信息的工作。射频卡本身不带电源，是通过负载调制的方式耦合到应用终端的天线上，需要从EM4O95发送的射频信号中提取能量，所以在读取射频卡数据时，EM4095要连续发射射频载波信号。射频卡内有一个LC串联谐振电路，其谐振频率与射频载波频率一致，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而产生感应电势，当电量累积到一定数量时，就可以作为电源为电路提供工作电压，将卡内信息发送出去。EM4095通过天线接收射频卡发回的信号，并对接收的信号解调，从而得到射频卡中的信息。然后把信息发送给单片机，由单片机按照射频卡的无线通信协议对数据解码、保存或者通过串口传给上位机进行处理。 

    2．2 电路设计 

    本文设计的读卡器用于宠物管理系统的手持终端设备中，工作频率为134．2 kHz。图1是读卡器的电路原理图。 

图1 读写器电路原理图 

    单片机ATmega88负责接收上位机的指令，驱动EM4095以及对EM4095发回的数据进行Biphase解码、校验，向上位机发送卡号。单片机ATmega88的PC2，PD7引脚控制EM4095的工作模式，EM4095解调后的数据输出给单片机的PB0引脚，此引脚具有输入捕获功能。基站天线是用铜制漆包线绕制的，天线线圈的直径远大于漆包线的直径。可以采用下面的公式对天线参数进行计算： 

    其中：L为线圈的电感；N 为天线线圈的匝数；U。为磁导率，表征磁介质磁性的物理量， 其值为1．257×10 ^-6 V·s／(A·m)；R为天线线圈的半径；d为漆包线的直径。本文所用的线圈匝数为120匝，电感为1．54 mH。天线线圈的电感确定后，将天线、电阻(R₁)、电容(C₂₁ ，C₂₂ ，C₂₃ )串联构成谐振电路，可以通过下式来确定总电容值，以保证天线的频率与EM4095频率相同。 

    其中：F₀为谐振频率；动物标签频率为134．2 kHz；L为天线线圈的电感；C为电容并联的总电容值，通过计算可以得到电容值为912．65 pF。  

    在调试过程中，采用3个电容并联代替1个电容串联到电路中的做法，可以起到高频滤波、消除脉冲干扰的作用。另外通过调节C₂₆ 的电容值使EM4095的第8引脚DEM0D_IN上的电压峰峰值比ANT1，ANT2引脚上的电压峰峰值小，以便消除无卡时EM4095的杂波输出，便于单片机对数据进行解码。 

    3 软件设计 

    ISO11784／11785协议是国际标准化组织对动物RFID做出的技术规定。其中对全双工模式做了如下规定：1个11位(00000000001)的数据头用于识别数据流的开始；8个8位的码组组成64位ID号；2个8位的CRC一16校验码码组；3个8位的包含尾码的码组；每个码组的后面都加上一个控制码“1”，防止数据头重复出现。动物标签采用只读芯片EM4105，采用RF／32的传输波特率，数据编码方式为Biphase编码，存储了128位数据信息。 

图2为Biphase编码波形图

    Biphase编码的特点是二进制码“0”在半位周期时跳变，“1”在半位周期时无跳变，并且“0”和“1”在位周期时都跳变，正好可以利用这一特点解码。通过计算可以得知位周期为238．5 μs，半位周期为119 μs。图3为读卡流程图。 

图3 读卡流程图

    读卡过程先对系统进行初始化，单片机ATmega88的T／C1内部有输入捕获单元，可应用于精确捕获一个外部事件的发生以及事件发生的时间印记。EM4095解调输出的波形输入到单片机的ICP1引脚，单片机进行跳变沿捕获，定时器捕捉中断的触发方式必须采用上升沿和下降沿交替进行。也就是说，在下降沿捕捉中断处理程序中设置下次捕捉中断的触发方式为上升沿，在上升沿捕捉中断处理程序中设置下次捕捉中断的触发方式为下降沿。算出两次跳变的时间间隔，根据时间间隔是否在一定的容差范围内判断是半位周期还是位周期，判定码元的“0”，“1”值。解码之后去掉用来防止数据头重复出现的尾码，数据保存后查找ll位的数据头，找到数据头后对对64位ID号进行CRC校验，校验通过后便可获得动物标签ID号。 

    4 结语 

    本文介绍射频基站芯片EM4095的结构及功能，并利用EM4095设计用于宠物管理系统的读卡器，给出了软硬件的设计方法。通过实际测试，本文设计的读卡器可以稳定地工作，读取距离约为3 cm，读取速度也能达到要求。在原有软件基础上稍微改动就可以读取曼彻斯特编码的标签，具有很强的通用性。

    (大连海事大学信息工程学院 陈文浩，朱义胜，张广璐)