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非接觸式e5551讀寫器的開發(fā)
摘要：介紹了非接觸式ｅ５５５１卡工作原理和與單片機的接口，給出了非接觸式ｅ５５５１卡讀寫器的硬件電路和讀卡、寫卡程序流程圖。關(guān)鍵詞：非接觸式卡 射頻識別 讀寫器 RF
射頻識別ＲＦＩＤ?Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ?技術(shù)是二十世紀九十年代興起的一項自動識別技術(shù)，它利用無線射頻方式進行非接觸式雙向通信。ＲＦＩＤ系統(tǒng)中卡片與讀寫器之間無須物理接觸即可完成識別，可實現(xiàn)多目標識別和運動目標識別，應(yīng)用范圍更加廣泛。
根據(jù)工作頻率不同，ＲＦＩＤ系統(tǒng)可分為低頻、中頻、高頻系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)一般工作在１００ｋＨｚ～５００ｋＨｚ，中頻系統(tǒng)工作在１０ＭＨｚ～１５ＭＨｚ，它們主要適用于短距離、低成本識別?高頻系統(tǒng)工作在８５０ＭＨｚ～９５０ＭＨｚ以及２．４ＧＨｚ～５ＧＨｚ的微波段，適用于距離長、讀寫數(shù)據(jù)率高的場合。本文介紹的ｅ５５５１ ＲＦＩＤ系統(tǒng)屬于低頻系統(tǒng)，工作頻率范圍為１００ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ，最大識別距離約為２０ｃｍ。
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１ 非接觸式ｅ５５５１卡工作原理
ｅ５５５１ ＲＦＩＤ系統(tǒng)組成如圖１所示。其中ＰＣ通過ＲＳ４８５通信遠程操作ｅ５５５１讀寫器。讀寫器利用微控制器（ＭＣＵ）與ｅ５５５１卡進行交互讀寫。
通過ｅ５５５１卡內(nèi)線圈在特定交變磁場?１００ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ?中耦合，ｅ５５５１獲得感應(yīng)電流，再通過整流得到直流加到卡內(nèi)電路，ｅ５５５１得到工作電壓和電流。通過讀寫器的線圈感應(yīng)ｅ５５５１卡產(chǎn)生的磁場來讀�。澹担担担卑l(fā)送的數(shù)據(jù)。
１．１ ｅ５５５１卡的存儲結(jié)構(gòu)
ｅ５５５１卡內(nèi)置２６４位ＥＥＰＲＯＭ。這些ＥＥＰＲＯＭ共分為８塊，每塊３３位，其分布如圖２所示。其中ＢＬＯＣＫ０存儲ｅ５５５１卡的參數(shù)設(shè)置信息；ＢＬＯＣＫ７在口令加密功能啟動時存放ｅ５５５１卡的讀寫控制密碼，當加密功能沒有使用時存放用戶數(shù)據(jù)；其它六個存儲塊存放各種數(shù)據(jù)。
１．２ ｅ５５５１卡工作參數(shù)的設(shè)定
ＢＬＯＣＫ０用于設(shè)置ｅ５５５１卡的各種操作特性，如同步信號、數(shù)據(jù)流格式、數(shù)據(jù)流長度、加密、口令喚醒和停止發(fā)射的啟用／關(guān)閉等。
（１）位率（Ｂｉｔｒａｔｅ）設(shè)定：位率可設(shè)置為ＲＦ／８、ＲＦ／１６、ＲＦ／３２、ＲＦ／４０、ＲＦ／５０、ＲＦ／６４、ＲＦ／１００、ＲＦ／１２８，由第１２、１３、１４位確定。其中ＲＦ指載波頻率?Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?。
（２）調(diào)制方式設(shè)定：調(diào)制方式由兩部分組成。第一部分為二進制編碼方式，有直接編碼、曼切斯特編碼和雙相位編碼三種方式，由第１６、１７位確定；第二部分為頻率調(diào)制方式，有相位鍵控、頻率鍵控和直接編碼三種方式，由第１８、１９、２０位確定。
（３）口令加密設(shè)定：由第２８位決定。該位置１啟動口令加密功能，在啟動口令加密功能前應(yīng)該事先在ＢＬＯＣＫ７寫入密碼。啟動口令加密功能后，用戶對ｅ５５５１卡中數(shù)據(jù)進行修改均要求提供密碼驗證，密碼正確時修改有效，否則修改無效。
圖3 e5551芯片上電后線圈兩端的電壓
（４）請求應(yīng)答（Ａｎｓｗｅｒ Ｏｎ Ｒｅｑｕｅｓｔ）設(shè)定：由第２３位決定。該位置１啟動ＡＯＲ功能，這時ｅ５５５１卡進入射頻區(qū)后不主動發(fā)射數(shù)據(jù)，由基站給ｅ５５５１卡發(fā)射喚醒命令后再發(fā)射數(shù)據(jù)。該功能要求首先啟動口令加密功能，即基站喚醒ｅ５５５１卡必須在喚醒命令序列中向ｅ５５５１卡發(fā)射口令密碼，ｅ５５５１卡檢測到合法喚醒命令時才恢復(fù)發(fā)射數(shù)據(jù)。
（５）同步信號設(shè)定：ｅ５５５１卡可以使用兩種不同的同步信號—Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ和Ｂｌｏｃｋ Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ。Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ在每個數(shù)據(jù)循環(huán)開始時出現(xiàn)；Ｂｌｏｃｋ Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ在每個ＢＬＯＣＫ數(shù)據(jù)開始時出現(xiàn)。兩種同步信號分別由第２９、３０位確定，它們既可以獨立使用也可以結(jié)合使用。
（６）發(fā)射最大數(shù)據(jù)塊數(shù)設(shè)定（ＭＡＸＢＬＫ）：由第２５、２６、２７位確定。當ＭＡＸＢＬＫ設(shè)置為０時，ｅ５５５１卡只發(fā)射ＢＬＯＣＫ０的數(shù)據(jù)給基站；當設(shè)置為１時?ｅ５５５１卡只發(fā)射ＢＬＯＣＫ１的數(shù)據(jù)給基站；當設(shè)置為２時，ｅ５５５１卡發(fā)射ＢＬＯＣＫ１和ＢＬＯＣＫ ２的數(shù)據(jù)給基站，余者依次類推。在啟動口令加密功能后ＭＡＸＢＬＫ的值應(yīng)小于７，這樣ｅ５５５１將不發(fā)射ＢＬＯＣＫ７的數(shù)據(jù)。
２ ｅ５５５１卡的讀寫
２．１ ｅ５５５１卡的讀
讀ｅ５５５１卡是指Ｕ２２７０Ｂ通過ＭＣＵ進行讀卡。在ｅ５５５１卡內(nèi)部，有個與ｅ５５５１芯片相連的線圈，該線圈是ｅ５５５１芯片供電與讀卡器的雙向通信接口。ｅ５５５１卡就是利用該線圈產(chǎn)生具有阻尼特性的載頻信號向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)。具體工作原理如圖３所示。
當ｅ５５５１卡接近讀卡器時，由讀卡器振蕩電路產(chǎn)生的磁場感應(yīng)ｅ５５５１卡內(nèi)的ＬＣ調(diào)諧電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過ｅ５５５１芯片內(nèi)的整流器和過壓保護電路得到ｅ５５５１芯片的直流工作電壓，形成上電復(fù)位，對應(yīng)圖３中的第一段；接著讀取ｅ５５５１芯片內(nèi)ＢＬＯＣＫ０的數(shù)據(jù)，即圖３中的第二段；約２ｍｓ后，ｅ５５５１卡按照設(shè)定的工作模式發(fā)送數(shù)據(jù)，首先從ＢＬＯＣＫ１的第一位開始，直到ＭＡＸＢＬＫ所設(shè)定的最大塊的最后一位。
２．２ ｅ５５５１卡的寫
寫ｅ５５５１卡指Ｕ２２７０Ｂ通過ＭＣＵ進行寫卡。讀卡器通過對ｅ５５５１卡內(nèi)流過線圈的電流間隔性中斷實現(xiàn)寫卡，用電流流過ｅ５５５１卡內(nèi)線圈的持續(xù)時間實現(xiàn)對０和１的編碼。詳細過程如圖４所示。
ｅ５５５１卡讀完ＢＬＯＣＫ０數(shù)據(jù)后進入默認的讀卡操作，如圖４左半部分。若檢測到起始電流中斷，則ｅ５５５１卡觸發(fā)寫卡操作，即圖４的右半部分。電流中斷持續(xù)時間一般為５０μｓ～１５０μｓ，但為了便于可靠地檢測起始電流中斷，起始電流中斷一般大于１５０μｓ。一般地，電流持續(xù)２４個磁場脈沖周期編碼為０，電流持續(xù)５６個磁場脈沖周期編碼為１。當電流持續(xù)了６４個磁場脈沖周期后仍未檢測到電流中斷，ｅ５５５１卡自動退出寫卡模式。如果前面寫卡數(shù)據(jù)正確就開始將數(shù)據(jù)編程寫入ｅ５５５１芯片的ＥＥＰＲＯＭ，否則進行讀卡操作。
圖5 讀寫器硬件接口電路
３ 讀寫器
３．１ 硬件接口
Ｕ２２７０Ｂ是與ｅ５５５１卡配套的一種近距離非接觸式讀寫基站芯片，它所產(chǎn)生的載波頻率為１００ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ，工作電壓為５Ｖ或１２Ｖ，適用于曼徹斯特編碼或雙相位編碼，與微控制器有兼容接口。配上小量外圍元件構(gòu)成的讀卡器電路如圖５所示。
圖５中用電阻Ｒ５、電容Ｃ６組成選頻電路，去掉高頻及低頻，讓１００ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ頻率通過，與Ｕ２２７０Ｂ內(nèi)部電路共同構(gòu)成解調(diào)電路；用天線與內(nèi)部驅(qū)動電路形成１２５ｋＨｚ電磁場發(fā)射電路，傳輸能量；用４個二極管形成反饋電路穩(wěn)定頻率；用電阻Ｒ１及Ｒ７調(diào)節(jié)發(fā)射頻率；通過二極管Ｄ５進行信號整形。
３．２ 軟件編程
本文以曼徹斯特編碼、ＲＦ／３２為例介紹ｅ５５５１軟件編程。采用曼徹斯特編碼調(diào)制的數(shù)據(jù)，位數(shù)據(jù)１對應(yīng)著電平上跳，位數(shù)據(jù)０對應(yīng)著電平下跳。設(shè)ＲＦ＝１２５ｋＨｚ，位傳送速率Ｂｉｔｒａｔｅ＝ＲＦ／３２，則每傳送一位數(shù)據(jù)的時間（位傳送周期）為：
１Ｐ＝32/125kHz＝２５６μｓ
圖6 讀卡流程圖
在一串數(shù)據(jù)序列中，兩個相鄰位數(shù)據(jù)傳送跳變時間間隔為１Ｐ。若相鄰位數(shù)據(jù)極性相同，則在該兩次數(shù)據(jù)傳送電平跳變之間，有一次非數(shù)據(jù)傳送的電平空跳。程序開始時先等待一個ＴＳ＝２７０μｓ～３３０μｓ高電平同步信號，然后按上述編碼規(guī)則逐個檢測電平變化并記錄對應(yīng)時間Ｔ１或Ｔ２，Ｔ１＝９０μｓ～１８０μｓ，Ｔ２＝２１０μｓ～３００μｓ。如前一數(shù)據(jù)為１的情況下，測得高電平時間為Ｔ１，對應(yīng)下降沿無效，應(yīng)接著測下一上升沿并得１；若測得高電平時間為Ｔ２，對應(yīng)下降沿有效并得０。如前一數(shù)據(jù)為０的情況下，測得低電平時間為Ｔ１，對應(yīng)上升沿無效，應(yīng)接著測下一下降沿并得０；若測得低電平時間為Ｔ２，對應(yīng)上升沿有效并得１。據(jù)此即可以串行方式讀出卡內(nèi)的數(shù)據(jù)。讀卡程序流程圖如圖６所示。
寫卡時，寫０，ＣＦＥ＝１持續(xù)１９２μｓ，然后ＣＦＥ＝０持續(xù)２８０μｓ；寫１，ＣＦＥ＝１持續(xù)４４８μｓ，然后ＣＦＥ＝０持續(xù)２８０μｓ。寫卡程序流程圖如圖７所示。
ｅ５５５１卡是一種低成本非接觸式卡，雖然容量較小，但也能用于許多場合，如門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等。如果硬件和軟件設(shè)計合理，進一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、讀寫電路簡單，應(yīng)用必然更加廣泛。
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