用单片机自制一款RFID读卡器

作者：樊文辉 　　这个制作中RFID读卡器的印制电路板装有集成电路EM4095(b)读卡器，其功能是将RFID标签的数据通过已经安装的电路板上一些SMD元器件传输到ATM18测试板。 　　也可以用微处理器ATtiny2313制作RFID读卡器，可以随意的从EM4102中读取数据，其中包括从软件下载的数据。这个制作更有趣的部分是向我们展示如何随心所欲的做你自己的RFID标签。我们接着看到如何将传感器连接到标签，并且与读卡器的传感器读卡器建立通信传递数据。这些传感器在电气上是绝缘的并且能在空间自由移动。   　　一、能量传递
　　
　　EM41022型号的电子标签的能量获得是需要通过频率为125kHz时的电感耦合来实现的，作者认为这个设备能胜任的，自制RFID标签就不成问题。此外，通过EM4102提供的数据速率不是很高，简单的微型控制器都适用。 　　下图中电路是用来确定从接收线圈传递来的能力有多大。RFID读卡器适用下列推荐数据：电感L=750μH，直径为0.25mm，线圈匝数为85匝，漆包线直径为0.25mm，线圈直径为50mm。 　　接收线圈(L1)为95匝、1mH，并联于L1的谐振电容C1调谐与125KHz。发送和接收线圈的位置高于其他元件，且相距20mm。电流和电压的曲线通过调节R测出如下图示。下图(a)是测量电压与电流的函数关系，而下图(b)显示的是传输在负载上功率曲线。三条曲线分别显示调谐于200pF、远大于，远小于200pF的情况，以示失谐情况的影响。下图中可以看到在输出3V电压时它能耦合数十毫瓦的能量。一个ATtiny微型控制器在时钟频率为1MHz，电压为3V的情况下电流大概为2mA；在125kHz的情况下电流是低于O.1mA。因此看起来提供微型控制器运行所需的足够功率不是难题。 　　RFID集成电路EM4102通过调制读卡器负载来传送ID。每个数据位传递需要占据125kHz载波的64个时钟周期，折合为波特率为1953.125BPS。一个完整的数据包32.768ms内完成传输。使用125kHz信号作为RFID控制器的时钟是可以的。这种自动化确保位时钟与读卡器同步，由于上述时钟的慢摆动，电流消耗是非常低的。也意味着CPU只需要计数64个时钟周期才转移到下一位：这就是对CPU(ATtiny3)进行汇编编程的原因。 　　下图显示制作的电子标签的完整电路图。通过L1和C1形成的谐振回路提供微型控制器时钟。同时125kHz的AC信号经过二极管整流提供给CPU电源（或功率）。NMOS管T1的导通使谐振电路加上R3负载使振荡幅度减小，并且它通过调制信号实现微型控制器传输数据。但是，信号幅度必须不能过度减少，否则微型控制器因时钟失步而造成出错。 　　本制作的印制电路板的电路如下图（略）。线圈并联在C1，并且焊接在C1引线脚的两侧相邻近的焊点上。 　　AVR/GCC)嵌入。读卡器的最佳设计是元器件使用SMD封装，本制作使用C(AVR/GCC)编程并烧录芯片。   　　读卡器的电路如下下图示，是非常简单的并且很容易手工绘制电路板。但是按翻拍会使制作PCB更简单，装有EM4095的4号板与5号板通过接口K3连接。在电路板上连接点为ANT1和ANT2外接线圈，其电感量为750μH，这并不严格，由于EM4095内部有一个锁相环会自动调节频率。 　　从RFID标签的数据串是通过EM4095解码]然后以曼彻斯特码流方式传给微型控制器。微型控制器的第一项工作是提取数据位。这项工作是在中断服务程序中实施的，每秒要进行31250中断，(8MHz/256=31250)。1个完整的数据位占16个中断周期见下下图示。（注：一个数据位占64个125kHz/8μS脉冲，即512μS：定时器一个中断间隔为1S/31250=32μS，两者相除512/32=16。可见连续16个低电平则为数据O，连续16个高电平为数据1）。 　　以上为曼彻斯特码的代码片断。码长测量由接口PIND．4的电平实现：只有输入数据串的位数与原来的位数相同时电平是稳定的。当电平改变时，原有位数添入了一个或者两个半位。根据测量持续时间，一个或者两个半位储存在一个先进先出队列中供后续处理。 　　解码程序本身占FIFO队列的半位。第一个任务是识别数据包的起始位：为了实现这个目的，程序沿着移位寄存器逐个移动半位直到同步序列被找到。后续的数据串被解码并且在RS232端口输出（19200波特，8N1格式）。不断有新的半位数据到达并且在FIFO队列等待主程序处理，确保没有丢失数据。RFID读卡器能读取任何标准的RFID标签且与EM4102兼容。 二、线圈
　　
　　RFID读写器与标签都采用最简单的自绕线圈，至少在非常少的数量下，特定规格现成的线圈无法购得。计算此类电感空芯线圈的公式如下：   　　电感其中d是导线的直径，D是线圈的直径，N是线圈的圈数。 　　下表的第4列是根据公式计算的电感量，第5列是用电感测量仪实测的电感量，可以看出，后者比前者偏小且不超过10%，实际制作时根据公式计算的值已经足以使用，也可以根据实测电感找出制作参数来。 　　三、RFID软件
　　
　　根据时钟速率为125KHz，半个数据位持续32个时钟周期，为了避免复杂的计算，可以使用定时器0的PWM功能。 　　设置计时器O计数64就溢出，返回O重新计数，(通过软件设置OCROA为64-1=63)，并设置了PWM值为50%（软件设置OCROB为32）。定时器0的PWM发生器每到计数值到达32时，可以安插在高至低的跳变（如图8最左边箭头示）．也可以安插在低至高的跳变。上图中上面一排是5位曼彻斯特码流值，下右侧标注定时器计数值。 　　因此，只需通过改变PWM发生器的寄存器堆的一位，我们就可以产生符合曼彻斯特码编码的一个0或1。这一过程在中断服务程序实现。 　　寄存器IntBit包括了被传输的数据位，并且将IntMail设置为1作为应答，表示确认该位已被接收。主程序只是逐位传输数据及产生校验码，确保系统在一个不稳定的电源电压系统下能稳定工作，将欠压检测阈值设置为1.8V且启动看门狗。 四、数据包和有效载荷
　　
　　一个完整的数据包，形成如下表所示。 　　数据包包括9个部分。前导的同步码连续9个1不能出现在数据包的其他地方，因此可以用来识别它的开始。正确的数据位和有效荷载在前同步码的后面。有效载荷由十组4位二进制数或半字节组成。前两个半字节是客户ID后面是8位半字节数据跟随。先发送一个半字节列校验位（每列10个二进制数中有奇数个1为1否则为0），紧随其后的是一个0。所以总的数据包包含9（起始）+10×(4+1)（有效载荷）+4（列校）+1（最后位0）=64bits。每位持续64位的125kHz的时钟周期，所以比特率是1935.125BPS。故一个完整的数据包需要32.768mS传输。 　　使用此协议的RFID标签，内部含有有8个半字节数据和两个半字节ID码，总共有10位十六进制数字或40位二进制数。这足以传输大量信息。如果需要进一步扩展，也可照此类推。 五、RFID标签的建设和扩展
　　
　　为了使RFID标签更容易地调整谐振电路，电容器和线圈可以通过插头和插座相接，以便用不同的线圈来替代试用。经验表明，谐振电容的最佳值是理论计算值的110%左右。 　　因为本制作中RFID标签已经写入用户码，做一个新的RFID标签就需要修改程序重新写入。 　　在印制电路板上的插头Kl可以用来连接开关、电位器和通过读卡器进行无线访问的其它线圈。   　　线圈可旋转或移动尽可能实现读标签，同理还可以在高压环境进行电气隔离。在液态物质中线圈操作暂停，在干燥的情况下又可以恢复。 　　六、动态ID和状态请求
　　
　　第一个例子，我们认为一个RFID标签可以经过编程在两个ID代码之间进行切换，这个思路可以用来制作来一把RFID钥匙开多把RFID锁。 　　第一个方案是使用一个开关在两种代码之间来选择。有两种实施办法：遥控改变开关的位置，或通过按钮改变标签的ID。此开关是连接接口B．4（ATtiny13的第3脚）和GND之间的端口。 　　第二个方案多数字输入量的采集。自从RFID标签使用了微控制器，实现这一目标有很宽范围的选项。设计者必须始终考虑电流消耗，因为标签所有的能量最终均来自传输线圈。一个简单的选项用移位寄存器来实现并行到串行的转换。如下图所示，8个开关的状态串行通过PB4经过K1接口连接到RFID的主板上。 　　七、带有两个模数转换器的RFID
　　
　　ATtiny13有两个A/D转换器，设计者可以根据此性能来制作可以无线测量电压的RFID标签。 　　该软件包中包括实现两路A/D转换的程序，将模拟量转换为8位数字量，并且将这些数字量通过ID代码方式返回至读卡器。A/D转换的参考电压取自ATtiny13的供电的电压，这有一定的好处也有缺点：例如，如果有必要去读取的两个电位器的位置时，它们可以轻易地与ATtiny13的电源连接，滑动片接模拟输入端。其结果是，转换的结果与电源电压无关，被测电压高低只是与电源电压‘比例’在变化：称之为比例转换。所以被测传感器必需与ATtiny13同电源供电。如MMA7260加速度测量传感器。测量两路加速度经过比例转换，结果只与加速度有关而与电源电压无关。如果不是电位器而是独立电源的话，结果就不是这样。这种情况下，用Zener二极管或微型3.3V稳压器用来为微控制器和传感器提供电源稳压。用来测量绝对电压。也就是供应RFID标签的电压等于A/D转换参考电压，此电压一定要大于3.3V或更高。这就取决于标签与读卡器的距离。还有另一种设计方案是使用如LM385低功耗参考电压源（如2.5伏）给一路A/D转换器输入，另一路则是被测电压的比例转换，并以此来校准电源电压的影响。经过精确的测量和校准，然后才能算出被测电压。 　　八、RFID温度传感器
　　
　　Dallas/MaximDS1820的温度传感器通过它的单总线接口的连接。这个接口很容易在软件中实现，尽管它速度相对缓慢。当访问DS1820的温度传感器时，RFID标签中的微控制器必须停止对读卡器的响应。 　　这对读卡器来说不是问题，因为它发送起始码期间通常需要等待片刻，经过与传感器IC通信完成，温度值转换为十进制值，然后被转为ID代码格式。因此，RFID传感器提供的温度值几乎为“纯文本”。下图显示了如何将DS1820连接至RFID主板。原则上，软件可以处理若干温度传感器或其他单总线集成电路。 　　九、RFID传感器调试
　　
　　我们前面讨论的例子展示它是如何建立自己的RFID标签。当你测试自己的应用程序开发和调试必须始终牢记。最简单的方法是使用ISP接口技术。然而，靠来自线圈的能量不足以维持标签的微控制器编程需要，并为此开发了如下图的适配器接口。可以通过ISP的接口对包含了RFID和传感器的软件的ATtiny13进行编程，而且像RFID主板上的K1一样，同样的传感器可以连接到K3的这块板上。适配器上的插座K2与读卡器上的K4连接，然后读卡器提供给ATtiny13125KHz时钟，通过它在PB1口进行数据流输出。这种方法可以很方便的测试新的RFID传感器软件。