电子标签识读终端的研究与设计

1、    电子标签识读终端的研究与设计电子标签和识读终端是构成射频识别系统的基本条件。本文对低频电子标签与识读终端之间的作用基理进行了研究分析，据此提出了以基站芯片EM4095为射频接口的识读终端硬件设计，并对解码程序设计中的关键问题进行了具体论述。1引言射频识别(RFID)是利用无线方式对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种新兴技术。与接触式Ic卡和条形码识别等系统比较，它有着巨大的优势。利用射频识别技术，能有效实现对数量大、分布区域广的信息进行电子标签和识读终端是构成射频识别系统的基本条件。本文对低频电子标签与识读终端之间的作用基理进行了研究分析，据

2、此提出了以基站芯片EM4095为射频接口的识读终端硬件设计，并对解码程序设计中的关键问题进行了具体论述。1 引言射频识别(RFID)是利用无线方式对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种新兴技术。与接触式Ic卡和条形码识别等系统比较，它有着巨大的优势。利用射频识别技术，能有效实现对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理，达到高效快捷运作的目的，特别是在物流、交通航运、自动收费、服务领域等方面有着广泛的应用前景。针对工作频率为100kHz一150kHz的电子标签EM4100.本文提出了其识读终端的设计。2 无源射频芯片EM4100工作基理EM4100系列为微型低功耗电子标签芯片，工作频率范围为1

3、00kHz 150kHz，主时钟及工作电源取自识读器发射的信号。作为接收天线的线圈和微芯片已连好并封装在一起。内部电路分模拟模块和数字模块2大部分。模拟模块包括：全波整流电路，时钟提电路，调制电路;数字模块包括：序列发生器，只读存贮器.数据编码器。无源电子标签与识读器之间的作用距离满足关系r&lt;<(工作波长)，根据天线理论，属于天线近区场(即感应场)。因此，电子标签天线与识读终端天线之间的作用是基于电磁感应原理，等效电路见图1。其中，Ll为识读器发射天线电感，L2为电子标签线圈电感，R2为电子标签线圈的内阻，R L为电子标签谐振回路的等效负载。互感M在 L2上产生的电压 作为

4、 L2回路的信号源，由等效电路可推得回路的输出电压表达式：在其他因素不变时，若识读终端发射的信号频率与该谐振电路的谐振频率() 相等，则输出电压最大;偏离谐振频率时，电压将快速减小。谐振信号经整流滤波后作为片工作电源，当该电压值达到EM4100的要求时，芯片启动工作。该谐振电路的输出电压值取决于Q值、交变磁场强度及频率。显然，电子标签与识读终端之间的距离直接影响该电压值。在时钟提取电路从线圈感应信号提取的主时钟作用下，序列发生器发出存储器寻址、数据串行输出控制、数据编码控制等信号。芯片内存贮有唯一的64bit代码：9bit起始位、40bit信息位、14bit校验位、lbit停止位。代码经编码后

5、控制调制器中的电流开关.实现对f0=125kHz载波进行调幅。每bit数据的时间宽度与载波周期的比率有3种选择：64、32、16。数据信号控制应答器天线负载的接通和断开.识读器天线上电压将跟随变化，实际是应答器(电子标签)数据对识读器天线电压进行振幅调制，实现了应答器数据向识读器的传输。这就是所谓的负载调制。在识读终端有效作用范围内，电子标签循环发送64bit代码数据，实现数据向识读终端的传送。3 识读终端硬件系统设计3.1功能分析根据上述识读终端与无源电子标签作用过程.识读终端应实现以下功能：1.发射射频信号。信号频率应等于电子标签接收回路的谐振频率，信号有足够的强度.以启动电子标签工作并满

6、足对作用距离的要求。2.接收电子标签发射的射频信号，并解调出其中的数据。3.数据解码及后续处理。终端硬件系统实现前2项功能，第3项功能由识读终端软件系统实现。3.2射频接口电路设计与实现射频接口电路实现启动电子标签和信号解调。系统采用RFID专用无线基站芯片EM4095设计了电子标签与识读终端主控模块之间的射频接口电路。EM4095功能原理见图2。EM4095兼容多种传输协议(如EM4OOX、EM4150等)，利用内部锁相环PLL就可得到与天线适合的谐振频率，而不需外接晶振，工作频率100kHz一150kHz，具有睡眠模式，与微控制器的接口简单，采用调幅同步解调技术，工作电压5V。芯片T作受输

7、入信号SHD和MOD控制。MOD=0时。芯片工作于只读模式。SHD=I时，为睡眠模式。芯片供电之后，SHD应先为高电平，以对芯片进行初始化，然后再接低电平，芯片即发射射频信号;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DEMOD 0UT端输出。RDY/CLK端向微控制器提供芯片内部的状态以及与发射信号同步的参考时钟。SHD=I时，RDY/CLK端输出低电平;SHD由高电平变为低电平后，经过约35ms，RDY/CLK端输出同步时钟信号，该参考时钟信号的出现表示发射模块和接收模块已经启动。通过查询RDY/CLK端信号状态，微控制器即可确定从DEMODOUT端接收数据的时刻。锁相环PL

8、L、天线驱动器、调制器组成射频信号发送模块。其中PLL由环路滤波器、相位比较器、压控制振荡器组成。天线线圈接收的信号通过耦合电容输入DEMOD IN端，该信号与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、滤波器、比较器组成。DEMOD IN端输入的AM信号在VCO输出信号的同步控制下被采样，采样输出信号由端脚CDEC外接的电容隔离直和带通滤波采样(消除输出中的载频成分、高频和低频噪声)后，经异步比较得到对应的数字信号。3,3 主控模块微控制器负责启动EM4095并接收由EM4095解调的

9、编码数据。采用AT89C52作为微控制器，其内部集成了8KB的Flash程序存贮器，256B的RAM， 具有低功耗工作模式。EM4095的DEMOD OUT端接P1.0，EM4095的SHD接P1.1EM4095输出的参考时钟信号RDY/CLK端接TO，用作解码的同步时钟。AT89C52从电子标签读取来的编码数据存贮在EEPROM芯片 AT24C64中。可司通过 MAX232进行电平转换，实现与上位机的通信。识读终端硬件原理见图3。AT89C52通过P1.1发出控制信号启动EM4095工作，若有效作用范围内有电子标签。电子标签接收EM4095发射的射频信号能量后发送经过调制的编码信号，AT89

10、C52通过监测P1.0的状态，判断是否收到射频接口解调输出的数据，由软件完成数据的接收及后续的处理任务。4 软件设计分析终端软件要解决的关键问题是如何正确接收数据，并解码。本系统选用的电子标签为Manchester码型，电子标签编码器输出信号、EM4095解调输出信号的波形见图4。4.1解调输出波特点电子标签中的64bit数据以NRZ形式的波形串行送人编码器，经编码后输出Manchester码波形。其编码规则为：在一个编码时钟周期的中间以一个上跳变的波形表示二进制数据“1”：在一个编码时钟周期的中间以一个下跳变的波形表示二进制数据“0”。编码输出信号作负载调制的控制信号，编码输出波形中的低电平

11、使标签发射天线线圈工作于高电流，编码输出波形中的高电平则使标签发射天线线圈工作于低电流。因此，标签发给EM4095的已调信号，经解调输出的波形与标签编码输出的波形为反相关系，即：时钟周期中间的下跳变表示二进制数据“1”，时钟周期中间的上跳变波形表示二进制数据“0”。根据图4的波形，连续“0”和连续“1”对应的波形是相似的，只是它们之间为反相关系。因此，如果简单地把上升沿或下降沿作为数据采样时刻，会出现“0”译为“1”或“1”译为“0”的错误。4.2解码软件设计思路解码程序要解决的主要问题是如何防止“0”与“1”之间的倒译。根据DEMOD OUT端输出波形。若DEMOD OUT端连续输出一个下跳

12、变和一个上跳变，则肯定是解调输出的数据。只在以下2种情况会出现上跳变：数据“0”编码周期的中间：相邻数据都是“1”时，它们波形中间也出现上跳变。但这2种情况存在如下差别：上跳沿与前一个下跳沿之间的低电平持续时间不同。若该低电平维持时间大于32个载波周期，则是数据“o”编码周期中间时刻的上跳沿。因此，用指令查询P1.o的电平，先找一个下跳变，找到后立刻启动T0对RDY/CLK参考时钟计时，接着找到紧随其后的上跳变，若此时 的计时时间大于32个载波周期，该上跳变位于数据“0”编码周期中间时刻，该上跳变是接收数据的时间起点。由于每位数据对应波形中的高、低电平均为32个射频载波周期，以上跳时刻为起点延

13、40个载频周期后接收第1个数据。然后重新启动计数器TO，RDY/CLK端输出的参考时钟周期等于射频载波周期，数据编码时钟周期又固定为该参考时钟周期的64倍，将Tn设置为每隔64个载波周期中断1次，在Tn中断服务程序中读P1.0上的数据。根据电子标签中数据的结构，按上述接收方式首先找作为起始位的9个存在如下差别：上跳沿与前一个下跳沿之间的低电平持续时间不同。若该低电平维持时间大于32个载波周期，则是数据“o”编码周期中间时刻的上跳沿。因此，用指令查询P1.o的电平，先找一个下跳变，找到后立刻启动T0对RDY/CLK参考时钟计时，接着找到紧随其后的上跳变，若此时 的计时时间大于32个载波周期，该上

14、跳变位于数据“0”编码周期中间时刻，该上跳变是接收数据的时间起点。由于每位数据对应波形中的高、低电平均为32个射频载波周期，以上跳时刻为起点延40个载频周期后接收第1个数据。然后重新启动计数器TO，RDY/CLK端输出的参考时钟周期等于射频载波周期，数据编码时钟周期又固定为该参考时钟周期的64倍，将Tn设置为每隔64个载波周期中断1次，在Tn中断服务程序中读P1.0上的数据。根据电子标签中数据的结构，按上述接收方式首先找作为起始位的9个“1”，找到后，按顺序接收其余55bit数据，并按标签中数据结构重新组织数据。然后通过奇校验程序计算各段数据的奇校验，再与接收到的奇校验位进行比较，判断数据是否正确性。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，并以射频参考时钟为参照，提出了一种解决Manchester码倒译问题的软件解码方法。系统结构和成本合理，可靠性已得到试验验证.有较好的应用价值。本文作者创新点：充分利用工业通用单片机的丰富资源设计主控模块，解决了系统便携化和低成本难题;以射频参考时钟为参照的Manchest