基于AVR单片机的125 kHz简易RFID阅读器设计

0 引言
无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感应、电磁场或电磁波为传输手段，完成非接触式双向通信、获取相关数据的一种自动识别技术。该技术完成识别工作时无须人工干预，易于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便，已经得到了广泛的应用。
目前存在的一些读卡器，都需要读卡芯片作为基站，成本较高。本文介绍了一种采用分立元件构成的125 kHz RFID阅读器，电路结构简单，成本极低，用于读取EM4100型ID卡。

1 RFID系统的分类
RFID系统的分类方法有很多，在通常应用中都是根据频率来分，根据不同的工作频率，可将其分为以下四种：
(1)低频(120～135 kHz)。该频段具有很强的场穿透性，使用不受限制，性能不受环境影响，价格低廉，最大识别距离一般小于60 cm，主要应用于门禁、"一卡通"消费管理、车辆管理等系统；
(2)高频(10～15 MHz)。该频段与低频相比，具有防冲撞、能同时识别多个标签的优点，但其性能受环境影响，识别距离一般小于100 cm，主要应用于图书管理、物流等系统；
(3)超高频(850～960 MHz)。该频段较高频相比，具有可实现长距离识别的的优点，最大识别距离可达10 m，但其性能受环境影响较大，价格也较贵，主要应用于铁路车辆识别、集装箱识别等系统；
(4)微波(2．45～5．8 GHz)。该频段可实现远距离识别，识别距离可达100 m，但其价格也最贵，主要应用于智能交通系统中。

2 RFID系统的组成
射频识别系统一般由阅读器、电子标签、天线三部分组成。
(1)阅读器：读取或读／写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的标识信息进行解码，将标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，许多阅读器还有附加的接口(RS 232，RS 485等)，以便将所获得的数据传输给另外的系统(如个人计算机)，其系统结构框图如图1所示。

(2)电子标签(应答器)：由芯片及内置天线组成，芯片内保存有一定格式的电子数据，放在被识别物体上，作为待识别物品的标识性信息，它是射频识别系统真正的数据载体，内置天线用于和射频天线间进行通信。通常，应答器没有自己的供电电源，只有在阅读器的响应范围以内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，是通过耦合单元(非接触的)传输给应答器的。
(3)天线：标签与阅读器之间数据传输的载体。

3 硬件电路设计
本设计以AVR系列单片机ATmega8作为微控制器。Atmel公司的AVR是8位单片机中第一个真正采用RSIC结构的单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1 MLPS／MHz的高速运行处理能力。

硬件电路如图2所示，在图2中①为载波产生及功率放大电路，由单片机的T／C2工作于CTC模式，产生标准125 kHz载波信号，经过限流电阻R1后送入推挽式连接的三极管功率放大电路，放大后的载波信号通过天线发射出去。天线L1与电容C1构成串联谐振电路，谐振频率为125 kHz，谐振电路的作用是使天线上获得最大的电流，从而产生最大的磁通量，获得更大的读卡距离。②为检波电路，检波电路用来去除125 kHz载波信号，还原出有用数据信号。R2，D1，R3，C2构成基本包络检波电路，C3为耦合电容，R4，C4为低通滤波电路，D2，D3为保护二极管，输出接到滤波放大电路。③为滤波放大电路，滤波放大电路采用集成运放LM358对检波后的信号进行滤波整形放大，放大后的信号送入单片机的定时／计数器T1的输入捕捉引脚ICPl，由单片机对接收到的信号进行解码，从而得到ID卡的卡号。

4 软件设计
本系统的软件设计包括两部分：125 kHz载波的产生和ID卡解码。载波信号产生相对简单，可利用单片机的T／C2，使其工作于CTC模式，比较匹配时使输出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解码软件设计相对较复杂，要对ID卡进行解码，首先应掌握ID卡的存储格式和数据编码方式。
4．1 EM4100数据存储格式
图3是EM4100的64位数据信息，它由5个区组成：9个引导位、10个行偶校验位"PO～P9'’、4个列偶校验位"PC0～PC3"、40个数据位"D00～D93"和1个停止位S0。9个引导位是出厂时就已掩膜在芯片内的，其值为"111111111"，当它输出数据时，首先输出9个引导位，然后是10组由4个数据位和1个行偶校验位组成的数据串，其次是4个列偶校验位，最后是停止位"0"。"D00～D13"是一个8位的晶体版本号或ID识别码。"D20～D93"是8组32位的芯片信息，即卡号。