读卡器EM4305,EM4095

读卡器EM4305,EM4095 基于天线线圈的无线数据读写的EM4305读卡器设计 121040036 潘益斌 摘要:本文通过天线线圈的互感～为无源芯片供电～并进行数据传输～实现125K的RIFD卡EM4305数据的读写。识读终端硬件为EM4095模块。与传统读卡器实现的计脉冲数采集有效数据不同～本文采用中断的方法采集～避免了脉冲数据采集偏移产生的误差～释放了脉冲信号线～也更容易实现数据解码。 关键词:互感 EM4095 中断 数据解码 0 引言 传统的数据传输都采用有线总线技术，不仅占用了芯片管脚，也增加了硬件成本，无线数据传输则越来越受到人们青睐。本文提出了一种基于天线线圈的数据传输方式，应用到卡的读写，采用的是射频识别技术。 射频识别技术(Radio Frequency Identification，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，可用于门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。射频卡就是综合利用RFID技术和IC卡技术开发的新一代卡片。射频卡具有非接触。阅读速度快，无磨损，数据存储量大，使用寿命长的特点，应用广泛，大有取代传统磁卡和接触式IC卡的趋势。与此同时，识别射频卡的设备,读写器的需求也越来越大。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stm32f103完成曼彻斯特解码,实现数据读取。 1无源射频芯片EM4305工作原理 EM4305 是CMOS 集成电路，主要用于电子射频读写应答器。这款芯片的通信与EM4469/4569 系列兼容。该芯片具有16个32位的数据块组成了512位EEPROM(如图1.1所示)，有32位的密码读写保护，与ISO11784/11785标准兼容， 支持曼彻斯特和双相编码两种数据编码方式，可设置多种数据传输速率，通信协议与EM4469/4569系列兼容，工作频率范围为100kz到150kz,具有超低功耗，工作温度范围在-40?到+80?. 图1.1 EM4305 EEPROM存储结构 该IC 是通过内部集成的整流器来供电，当它被放置在磁场中时，内部直流电压开始上升。只要供电电压比上电复位门槛电压低，该电路就处于复位模式以防止不可信的操作。在这种模式下，调制器是关闭的。当供电电压超过门槛电压，该电路就会读取配置字，然后根据读取的配置字进入默认读状态。在配置字读出期间，调制器也是关闭的。当该IC 运行在默认读模式，它会检查线圈信号以检测可能来自读卡器(reader)的命令。在读卡器磁场停止时间超过TMONO 的情况下，它会打断默认读模式，并且期待读卡器给它发送命令。如果检测到一个有效的命令模式，那么该命令会被执行。执行完命令后，芯片又进入默认读模式。其功能模块如图1.2所示。 图1.2 EM4305模块框图 2 识读终端硬件 2.1 EM4095基本介绍 读卡器采用的射频读卡芯片为EM4095。原理如图2.1所示。EM4095的引脚SHD和MOD用来操作设备。当SHD为高电平的时候，EM4095为睡眠模式，电流消耗最小。在上电的时候，SHD输入必须是高电平，用来使能正确的初始化操作。当SHD为低电平的时候，回路允许发射射频场，并且开始对天线上的振幅调制信号进行解调。 图2.1 EM4095功能原理图 引脚MOD是用来对125KHz射频信号进行调制的。在该引脚上施加高电平时，天线驱动阻塞，电磁场关闭;在该引脚上施加低电平，将使片上VCO进入自由运行模式，天线上将出现没有经过调制的125KHz的载波。EM4095用作只读模式，引脚MOD没有使用，将它连接至VSS。 锁相环由环滤波、电压控制振荡器和相比较模块组成。通过使用外部电容分压，DEMOD_IN引脚上得到天线上的真实的高电压。这个信号的相和驱动天线驱动器的信号的相进行比较。所以锁相环可以将载波频率锁定在天线的谐振频率上。根据天线种类的不同，系统的谐振频率可以在100kHz到150kHz之间的范围内。当谐振频率在这一范围内的时候，它就会被锁相环锁定。 接收模块解调的输入信号是天线上的电压信号。DEMOD_IN引脚也同来做接收链路的输入信号。DEMOD_IN输入信号的级别应该低于VDD-0.5V，高于VSS+0.5V。通过外部电容分压可以调节输入信号的级别。分压器增加的电容必须通过相对较小的谐振电容来补偿。振幅调制解调策略是基于“振幅调制同步解调”技术的。接收链路由采样和保持、直流偏置取消、带通滤波和比较器组成。DEMOD_IN上的直流电压信号通过内部电阻设置在AGND引脚上。AM信号被采样，采样通过VCO时钟进行同步，所有的信号直流成分被CDEC电容移除。进一步的滤波把剩下的载波信号、二阶高通滤波器和CDC2带来的高频和低频噪声进一步移除。经过放大和滤波的接收信号传输到异步比较器，比较器的输出被缓存至DEMOD_OUT。 2.2 EM4095工作原理分析 EM4095器件兼容多种传输协议。利用内部锁相环PLL就可得到与天线适合的谐振频率，而无需外接晶体振荡器，工作频率为100-150 kHz，具有睡眠模式(与微控制器接口简单，采用调幅同步解调技术，工作电压5 V。该器件由输入信号SHD和MOD控制，当MOD=O时，工作于只读模式。当SHD=I时， EM4095为睡眠模式。该器件上电后(SHD应先为高电平，以便器件初始化，然后接低电平。即发射射频信号;同时，解调模块将天线上AM信号中携带的数字信号取出，并由DMOD OUT端输出。 RDY,CLK端向微控制器提供器件内部的状态以及与发射信号同步的参考时 钟。EM4095的功能原理如图2.2所示。图2.2中该电路实现了RFID的发送和接收两个基本功能。发送模块包含了天线驱动和调制;接收模块包含了对由标签天线发送出的调制信号解调。射频信号发送模块由锁相环(PLL)和天线驱动器组成。其中锁相环由环路滤波器、压控振荡器(VCO)、相位比较器组成。天线线圈接收的信号通过耦合电容输入DMODIN端。该信号和天线驱动器的输入信号由相位比较器进行相位比较，形成与相位差对应的电压，作为压控振荡器的控制信号，最终实现对天线发射信号频率的锁定。接收模块由采样保持器、带通滤波器、比较器组成。DEMOD—IN端输入的AM信号在输出信号VCO的同步控制下被采样(采样输出信号由脚CDEC外接的电容隔离直通和带通滤波采样(即消除输出中的载频成份、高频和低频噪声(经异步比较得到对应的数字信号。 图2.2 EM4095工作原理图 3 软件设计分析 EM4305支持两种编码方式，双极性编码和曼彻斯特编码。本文采用曼彻斯特编码。具体编码方式如图3.1所示。 图3.1曼彻斯特编码 系统软件的主程序流程如图3.2示出。系统上电后，初始化程序，放好卡后，等待按键按下，一旦按下就开始传输数据，操作卡。首先发送操作命令，时序正确，返回00001010，若操作有误返回00000001。发送和接受的数据都是经过处理的，有一定的结构，具体如下: 命令结构:三位加一位奇偶校验位 地址机构:四位地址两位“0”和一位奇偶校验位 数据结构:32为数据包含了四位行校验位和八位列校验位最后为为“0” 写操作执行完后，进入默认读模式。读操作执行时，先将收到的数据存到设定的数组中，再处理将校验位清除，用stm32f103的TFTLCD显示。接收数据采用中断方式，采用曼彻斯特编码过程中，每个数据都有一个沿在中间，通过判断是上升沿还是下降沿，判断接收的数据是“0”还是“1”。 此实现方式对时序要求较严格，一旦时序出错，接收将无法执行。但避免了脉冲数据采集偏移产生的误差，释放了脉冲信号线，也更容易实现数据解码。 进入默认读模式 开始 系统初始化 发送写地址 发送读地址 否 是否有键按下 发送数据 接收数据 是 发送操作命令 数据处理并显示 错误 返回值接收值 单步操作完成 正确 图3.2 系统软件流程图 4 测试结果 测试方案1 查看曼彻斯特编码后的结果，循环读取连续地址上的数据，输出脚接到示波器上查看输出波形，查看32位数据的编码输出。测试结果波形如图4.1及图4.2所示。 图4。1 数据读取波形图 图4.2 数据读取波形图 测试方案2 通过写命令先在EM4305卡上写入一个字节，然后用读命令在相同地址上读取字节，解码后看看字节数是否相同，通过TFTLCD显示。实验结果表明，完整地收到了写入的数据。硬件测试图如图4.3所示。 图4.3 硬件测试实物图 5结束语 无线射频识别具有信息量大、高效便捷、安全的特点，是自动识别的主流技术。低成本、高可靠的便携式电子标签识读终端的研究开发，有很大的实际意义。本文在研究分析系统作用原理及解调输出波特征的基础上，设计了硬件实现方案，并以中断实现的方式(提出了一种解决Manchester码解码的软件方法。系统结构合理，可靠性已得到试验验证。 参考文献 [1]吴永祥(射频识别(RFID)技术研究现状及发展展望[J](微计算机信息，2006，11—2:234--236 [2]刘冬生;邹雪城高频 RFID 读写器射频模拟前端的实现[期刊论文]-半导体技术 2006(09) [3] 梁佐泉 曼彻斯特解码算法在射频识别中的研究与应用[期刊论文]-计算机光盘软件与应用2011(19) [4]YJans Finkenzeller，射频识别(RFm)技术(无线电感应的应答器和非接触lC卡的原理与应用，北京电子工业出版社。2002 [5]刘浩(HF RFID标签自动测试系统的设计与实现[D](武汉:华中科技大学，2008( [6]周颖琦(125 kHz射频识别系统的研究与设计[D](合肥:合肥工业大学(2006(