宠物管理系统中RFID读卡器设计

1引言

射频识别技术(RadioFrequencyIdentification，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125kHz和134．2kHz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～150kHz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134．2kHz。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1．54mH。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134．2kHz；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912．65pF。

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238．5μs，半位周期为119μs。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