【導(dǎo)讀】為核心與U2270B射頻卡基站讀寫芯片組成的硬件電路的工作原理，并在此硬件環(huán)境基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)EM4100射頻卡的譯碼軟件。ASCII碼轉(zhuǎn)換和射頻卡離場判斷。要求軟件設(shè)計(jì)完成后應(yīng)達(dá)到仿真器上可演示運(yùn)行程度，譯碼準(zhǔn)確，首讀率高。第1周～第2周：選題、按任務(wù)書要求開題，寫開題報(bào)告。第3周～第4周：查閱資料，RFID相關(guān)知識(shí)和51單片機(jī)學(xué)習(xí)。第9周～第12周：編寫代碼，程序調(diào)試。第13周～第14周：系統(tǒng)完善，撰寫論文。第15周：畢業(yè)答辯。通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID的最大優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸。RFID系統(tǒng)可工作于各種惡劣環(huán)境，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽。重點(diǎn)討論了由標(biāo)簽EM4100和基于U2270B的閱讀器組成的125kHz的低頻RFID. 斯特碼在半個(gè)位周期內(nèi)跳變的方法進(jìn)行譯碼的思路。試驗(yàn)軟件的功能是否達(dá)到預(yù)期的目的。證明，閱讀器讀卡穩(wěn)定可靠，效果好。技術(shù)的發(fā)展，分析了本課題接下來還需要完善的工作和改進(jìn)的地方。

　　

【正文】 路采用 5V直流電源供電，并具有利用二極管反饋的振蕩器控制環(huán)路。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 圖 U2270B5V 電源的射頻卡讀寫電路 （ 1）基本工作原理 振 蕩器頻率 fosc 和閱讀器無線電路的諧振頻率 fres 應(yīng)盡可能保持一致。如果不能保持在一定的容限內(nèi)，多標(biāo)簽的使用及產(chǎn)品的批量化都會(huì)遇到很多困難。此外，失諧時(shí)振蕩器的調(diào)頻噪聲會(huì)轉(zhuǎn)換為解調(diào)電路能檢測到的調(diào)幅噪聲，從而降低了有效工作距離。因而需要采取一些調(diào)節(jié)手段來調(diào)節(jié)振蕩器的頻率 fosc，使其和無線電路的諧振頻率 fres 能保持在一個(gè)誤差允許范圍內(nèi)，這樣，天線電路的設(shè)計(jì)就變得更為容易實(shí)現(xiàn)。 （ 2）環(huán)路調(diào)節(jié)原理 圖 中采用了振蕩器控制環(huán)路，現(xiàn)將這一部分電路單獨(dú)給出，如圖 所示， 圖 振蕩器控制環(huán)路 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 電感 L 和電容 C 構(gòu)成天線諧振回路。 U2270B 芯片驅(qū)動(dòng)器輸出端（ coil1 和 coil2 引腳）的輸出電壓波形如圖 （ a）所示。在圖中 T1 為 coil1 引腳輸出為低的時(shí)間， T2 為引腳 coil2 輸出為低的時(shí)間。 在電阻 R1 和 R2 之間測得的相應(yīng)的天線電路電壓波形如圖 （ b）所示。 T2a 是T2 內(nèi)天線電路電壓為負(fù)的時(shí)間間隔， T2b 是 T2 內(nèi)天線電路電壓為正的時(shí)間間隔。 圖 驅(qū)動(dòng)輸出與天線電路電壓 （ 3）曼徹斯特碼與時(shí)鐘的時(shí)序關(guān)系 U2270B 芯 片接收通道處理后輸出的曼徹斯特碼基帶信號(hào)，經(jīng) output 引腳輸出至微控制器的 I/O 端口，微控制器通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀入。 微控制器程序是通過對基帶信號(hào)電平跳變的檢測來判別輸入的數(shù)據(jù)碼位是 0 還是1，因此根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率來計(jì)算下面的基本時(shí)間參數(shù)，以確保同步和正確的解碼。 數(shù)據(jù)基帶信號(hào)和時(shí)鐘的時(shí)序關(guān)系如圖 所示。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 圖 數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘的關(guān)系 對于曼徹斯特碼，數(shù)據(jù)基帶信號(hào)的跳變出現(xiàn)在時(shí)鐘的上跳沿或（和）下跳沿，因此圖中數(shù)據(jù)輸出的陰影部分可能是不穩(wěn)定區(qū)。為此，定義了圖中的兩個(gè)時(shí) 間參數(shù) Ts1 和 TL1用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)跳變是半時(shí)鐘周期跳變，還是一個(gè)時(shí)鐘周期的跳變。 本課題中 EM4100 的編碼類型設(shè)置為曼徹斯特碼，載波頻率 fosc=125kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率（波特率） fs 是 RF/64。即 fs=125 000/64=1 ，一位數(shù)據(jù)傳輸周期Ts=1/fs=512us。則兩個(gè)時(shí)間參數(shù) Ts1=3/4Ts=384us,TL1=5/4Ts=640us。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 4 譯碼軟件設(shè)計(jì) 總體 設(shè)計(jì) 本課題以 AT89C51 單片機(jī)為核心，采用 U2270B 組成 基站 讀寫電路作為硬件環(huán)境，并以匯編語言為開發(fā)工具，針對 EM4100 只讀式射頻卡，進(jìn)行 譯碼 軟件設(shè)計(jì)。 當(dāng)射頻卡進(jìn)入 基站 讀寫電路所發(fā)射的磁場區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場耦合而獲得能量，從而發(fā)出一組固定頻率的電磁波，當(dāng)基站電路接收到射頻卡發(fā)送的電磁波后，經(jīng)過其內(nèi)部電路的一系列處理，會(huì)在 Output 端輸出與微控制器接口兼容的信號(hào)，該信號(hào)被 微 控制器所采集。我們將采集到的信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，然后根據(jù)曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行譯碼和校驗(yàn)，最后將譯碼出的 ID 碼轉(zhuǎn)換成 ASCII 碼以便系統(tǒng)使用。整個(gè)譯碼軟件由四個(gè)模塊組成：數(shù)據(jù)采集 模塊 、譯碼 模塊 、 ASCII 碼轉(zhuǎn)換 模塊 、下一次讀卡判斷 模塊 。其 程序 流程圖 如圖 所示 。 N Y N Y 圖 譯碼軟件流程圖 開始 數(shù)據(jù)采集 譯碼處理 校驗(yàn)位正確否？ ASCII 碼轉(zhuǎn)換 等待下一次讀卡判斷 下一次讀卡否？ 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 詳細(xì)設(shè)計(jì) 本節(jié)分別介紹 4 個(gè)模塊的工作原理和實(shí)現(xiàn)功能，對關(guān)鍵代碼予以分析，畫出模塊流程圖清晰直觀地展示模塊的工作步驟。 數(shù)據(jù)采集模塊 （ 1） 原理 通過對整個(gè)讀卡系統(tǒng)的分析，數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)該是本軟件的第一模塊，當(dāng)卡進(jìn)入基站讀寫電路的感應(yīng)范圍內(nèi)，程序開始執(zhí)行采集操作。 數(shù)據(jù)從 U2270B 的 Output 引腳傳輸?shù)轿⒖刂破鞯?I/O 口，由數(shù) 據(jù)采集模塊檢測 I/O 口的電平值。 半個(gè)周期內(nèi)， 由 采集到的輸出電平的狀態(tài)給出邏輯值。如果半個(gè)位周期內(nèi)，輸出電平的狀態(tài)為低，則邏輯值為 0；如果半個(gè)周期內(nèi)，輸出電平的狀態(tài)為高，則邏輯值為 1。 （ 2） 具體流程 首先 計(jì)算標(biāo)簽 的數(shù)據(jù)傳輸率 RF/64， 標(biāo)簽工作頻率 典型值為 125kHz，數(shù)據(jù)傳輸率RF/64=，計(jì)算出接收 1 個(gè)位數(shù)據(jù)所需要的時(shí)鐘周期為 Ts=512us； 那么半個(gè)周期為 Ts/2=256us。然后確定采集的范圍，實(shí)際中考慮到各種誤差的因素，我們將半個(gè)周期的采樣點(diǎn)范圍確定在 3/4Ts 內(nèi) (即 Ts384us)， 1 個(gè)位周期的采樣點(diǎn)范圍確定在 3/4Ts 和5/4Ts 之間 (即 384us Ts640us)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，實(shí)際是通過檢測輸出的電平的狀態(tài)及變化來得出一個(gè) 位周期和半個(gè)位周期 的邏輯值的。 如果輸出的電平由低到高 (或由高到低 )跳變發(fā)生在 Ts384us,則得出的半個(gè)位周期的邏輯值為 0(或 1)；如果輸出的電平由低到高 (或由高到低 )跳變發(fā)生在 384usTs640us, 則得出的 一 個(gè)位周期的邏輯值為 00(或 11)。按照這種方法，連續(xù)采集足夠長的數(shù)據(jù)信號(hào)，并將采集到的邏輯值存放在 微 控制器的內(nèi)存中。經(jīng)過數(shù)據(jù) 采集模塊得到的 電平 值，還不是各段的數(shù)據(jù)位的邏輯值，需要對其進(jìn)行譯碼處理。 （ 3） 采集 的 256 位 數(shù)據(jù) 由于每次耦合的時(shí)機(jī)不同，射頻卡和磁場接觸距離不同等原因，因此采集到的數(shù)據(jù)是隨機(jī)的 。由于 標(biāo)簽 EM4100 內(nèi)含 64 位 數(shù)據(jù) ，再 依據(jù)曼徹斯特編碼的特點(diǎn) ，一共要采集 256 位數(shù)據(jù)才能保證接收到完整的標(biāo)簽信息。 例如卡號(hào)為 C168117AFF 的射頻卡： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 第一次采集到的數(shù)據(jù)為： 55,5A,69,65,65,69,5A,6A,A6,5A,A6,A9,A9,6A,AA,AA 55,5A,62,B2,B2,B5,5A,6A,A6,5A,A6,A9,A9,6A,AA,AA 第二次采集到的數(shù)據(jù)為： 55,5A,69,65,65,69,5A,6A,A6,5A,A6,A9,A9,6A,AA,A2 55,5A,69,65,65,69,5A,6A,A6,5A,A6,A9,A9,6A,AA,AA 共采集到 256 位數(shù)據(jù)，其中有 128 位是有效位。從上面采集的數(shù)據(jù)可以很清楚地看到，雖然數(shù)據(jù)不盡相同，但真正有效的數(shù)據(jù)都包含在內(nèi)。 （ 4） 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖 。 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖如圖 所示 。 N Y Y N N Y N Y N Y 圖 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖 開始采集 采樣時(shí)間少于半位周 期 ? 采樣時(shí)間少于一 位周期 ? 出錯(cuò)重來 采樣兩個(gè) “ 0” 出錯(cuò)重來 采樣兩個(gè) “ 1” 是否到 256 位？ 開始譯碼 采樣一個(gè) “ 0” 采樣一個(gè) “ 1” 采樣時(shí)間少于半位周 期 ? 采樣時(shí)間少于一 位周期 ? 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 譯碼模塊 （ 1） 譯碼原理 通過對整個(gè)讀卡系統(tǒng)的分析，譯碼處理模塊應(yīng)該是本軟件的核心部分。 譯碼處理是 將數(shù)據(jù)采集模塊得到的邏輯值譯碼成各段數(shù)據(jù)位的邏輯值，同時(shí)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向和縱向校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的正確。在譯碼處理中，對每個(gè)數(shù)據(jù)位的譯碼是依據(jù)曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行的，即依據(jù) 1 位周期內(nèi)，輸出電平的狀態(tài)變化得出邏輯值。如果在 1 位周期內(nèi)，采集到的邏輯值為 01，則得到的數(shù)據(jù)位為 0；如果在 1 位周期內(nèi)，采集到的邏輯值為 10，則得到 的數(shù)據(jù)位為 1；如果為其它情況，則進(jìn)行出錯(cuò)處理。 根據(jù) EM4100 的數(shù)據(jù)格式，整個(gè)譯碼處理過程可以分為三個(gè)部分：起始段譯碼處理、數(shù)據(jù)段譯碼處理、校驗(yàn)段譯碼處理。 起始段譯碼處理是尋找連續(xù)的 9 個(gè)數(shù)據(jù)位 1，當(dāng)尋找到起始位，便開始進(jìn)入數(shù)據(jù)段譯碼處理；否則進(jìn)行出錯(cuò)處理。 數(shù)據(jù)段譯碼處理是以起始段后的每 5 個(gè)數(shù)據(jù)位為一個(gè)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理的，其中需要對每個(gè)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行偶校驗(yàn)，如果 10 個(gè)數(shù)據(jù)中的每個(gè)數(shù)據(jù)單元的校驗(yàn)都正確，便進(jìn)入校驗(yàn)段譯碼處理；否則進(jìn)行出錯(cuò)處理。 校驗(yàn)段譯碼處理是將校驗(yàn)段的數(shù)據(jù)位進(jìn)行譯碼，然后對譯碼成 功的 10 個(gè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行縱向校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確，則本次接收數(shù)據(jù)譯碼成功。否則進(jìn)行出錯(cuò)處理。 （ 2） 曼徹斯特 碼 編碼原理 根據(jù)曼徹斯特編碼原理，如果在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)生由 0 到 1 的電平跳變，數(shù)據(jù)位為 0，如果在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)生由 1 到 0 的電平跳變，數(shù)據(jù)位為 1。編碼方法如圖 ： 圖 曼徹斯特 碼 編碼原理圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 （ 3）譯碼 具體流程 ① 起始段譯碼 本次設(shè)計(jì)采用的是 EM4100 只讀卡，此卡的起始位為 9 個(gè) 1，接受 9 個(gè) 1 的方波信號(hào) 的數(shù)據(jù)位應(yīng)該為： 0110 1010 1010 1010 1010 即： 6A AA A 而譯出的數(shù)據(jù)應(yīng)該為： 0111111111 但是前面為什么是 6A,而不是 AA 或者是其它的什么呢？這是因?yàn)槿绻氤霈F(xiàn)連續(xù)的 9 個(gè) 1，這 9 個(gè) 1 前必須有一個(gè) 0，只有這樣才能保證連續(xù)的 9 個(gè) 1 出現(xiàn)，譯出這 9個(gè) 1 的代碼如下： Decode1: MOV R6,0 。起始段譯碼處理 Decode2: MOV A,20H 。從 20H 開始尋找數(shù)據(jù)頭 CJNE A,6AH,Decode3 。尋找 6A MOV A,21H CJNE A,0AAH,Decode3 。尋找 AA MOV A,22H ANL A,0F0H CJNE A,0A0H,Decode3 。尋找 A SJMP Decode4 Decode3: LCALL RLC1 DJNZ R6,Decode2 。是否收集到 256 位 LJMP Error 其中在執(zhí)行的過程中，如果不能找到連續(xù)的 9 個(gè) 1，就要反復(fù)的進(jìn)行尋找 9 個(gè) 1 的操作，此時(shí)程序中用了這條指令： Decode3: LCALL RLC1，其中 RLC1 是循環(huán)左移的子程序。當(dāng)循環(huán) 256 次之后，仍然沒有找到連續(xù)的 9 個(gè) 1，那么將出錯(cuò)重來，返回到起始段等待重新采集數(shù)據(jù)。如果在循環(huán) 256 次之前找到了連續(xù)的 9 個(gè) 1，則進(jìn)入數(shù)據(jù)段的譯碼。 ② 數(shù)據(jù)段譯碼 這段程序 是 此次設(shè)計(jì)的核心部分，在正確的找到了連續(xù)的 9 個(gè) 1 之后，便從連續(xù)的9 個(gè) 1 之后開始進(jìn)行譯碼。 首先，需要對 40H～ 4FH 上的空間清 0，用于存儲(chǔ)即將譯出的 10 個(gè)數(shù)據(jù)。在