125kHz射频识别阅读器模块的设计与实现
125kHzRFID读写器的硬件设计_
中国高新技术企业
１２５ｋＨｚ ＲＦＩＤ 读ห้องสมุดไป่ตู้器的硬件设计
文 ／ 王萍 曾宝国
【摘 要 】 射 频 识 别 （Ｒ ＦＩＤ ） 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 。本 文 针 对 工 作 频 率 为 １２５ｋＨｚ 的 电 子 标 签 ＡＴ８８ＦＲ ２５６－ １２ ， 介 绍 了 其 识 读 系 统 的 组 成 及 读 写 终 端 的 硬 件 设 计 。 【关 键 词 】 Ｒ ＦＩＤ 读 写 器 硬 件 设 计
４ 结束语 以上是本人在计算机机房工作多年中， 所总结的计算机故障及 维护的一些处理方法。前面我们已提到过计算机是高精密设备， 它 的 维 护 与 保 养 是 繁 重 的 、复 杂 的 ， 希 望 这 些 方 法 能 给 每 位 计 算 机 用 户提供方便， 减少不必要的经济损失。
（作者单位系陕西理工学院计算机科学与技术系）
射 频 识 别 技 术 （ＲＦＩＤ）是 近 年 迅 速 发 展 起 来 的 一 项 新 技 术 ， 它 利 用 射 频 信 号 通 过 空 间 耦 合 （交 变 磁 场 或 电 磁 场 ）实 现 非 接 触 式 信 息 传 递 ， 达 到 自 动 识 别 目 的 。 与 接 触 式 ＩＣ 卡 和 条 形 码 识 别 技 术 相 比 ， 射 频 识 别 技 术 最 大 的 优 势 在 于 特 别 适 合 对 数 量 大 、分 布 区 域 广 的 信 息 进 行 智 能 化 管 理 和 高 效 快 捷 地 运 作 ， 因 此 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 １２５ｋＨｚ 的 电 子 标 签 ＡＴ８８ＦＲ２５６ － １２ ， 本 文 介 绍 了 其 识 读 系 统 的 组 成 及读写终端的硬件设计。
125KHz RFID读写器的FSK解调器设计
125KHz RFID读写器的FSK解调器设计很多工作在125KHz载波频率的RFID芯片，如Microchip公司的MCRF200、MCRF250以及Atmel公司的e5551、T5557等都可以将其调制方式设置为FSK方式。
若芯片设置为FSK调制方式，那么读写器(PCD)必须具有FSK解调电路。
FSK解调电路将FSK调制信号解调为NRZ码。
本文给出一种FSK解调电路，该电路的特点是电路简单可靠，很适宜PCD中应用。
FSK调制工作在125KHz的RFID的FSK调制方式都很相似，图1给出了一种FSK调制方式的波形图。
从图中可见，此时数据速率为：载波频率fc/40=125K/40=3125bps，在进行FSK调制后，数据0是频率为fc/8的方波，即f0 = fc/8；而数据1是频率为fc/5的方波，即f1= fc/5。
经FSK调制后的传送数据，通过负载调制方式传送到PCD，图1中也给出了射频波形，载波的调制是采用调幅。
F SK解调PCD经载波解调(通常采用包络检波)、放大滤波和脉冲成形电路后，得到FSK 调制信号。
FSK解调电路完成将FSK调制信号恢复为NRZ码。
FSK解调实现方法较多，本文介绍的一种FSK解调电路示于图2，该电路简单方便，可以很好地完成FSK解调。
图2所示电路工作原理如下：触发器D1将输入FSK信号变成窄脉冲，即Q为高时，FSK上跳沿将Q端置高，但由于此时Q为低，故CL端为低，又使Q端回到低电平。
Q端的该脉冲使十进计数器4017复零并重新计数。
4017计数器对125KHz时钟计数, 由于数据宽为40/fc=40Tc(Tc为载波周期)，若为数据0，FSK方波周期T0=8Tc。
当计至第7个时钟数时，Q7输出为高，使CLKen(CLK使能端)为高，计数器不再计第8个时钟，此时Q7为高，当触发器D1的Q输出端在下一个FSK波形上跳时，触发器D2的Q端输出为低。
FSK波形上跳同时也将计数器复零并重新计数。
125kHz射频识别阅读器模块的设计与实现
ＲＦ Ｄ） 术是 一种利 用 电磁 波散 射 或者 负载 Ｉ 技
射频识Ｂ （ ａ ｉ Ｆ ｅ ｕｎ ｙ［ｅ ｔ ｃ￣ ｎ 断 增 加 ， 模 块 化 的 设 计 思想 是 设 计 复 杂 为 １ ０ Ｈｚ ｋ ， ｑ ｄ ｒ ｅ ｃ ｄｎｉ ａ ｏ ， Ｒ ｏ ｑ Ｅ ０ ｋ ～１ ０ Ｈｚ 最大 传输 速 率 为 ５ ５ Ｋ波 而 系统的基本方法 。 特 率 ， 持 曼 切 斯 特 以 及 二 相 调 制 和 自动 支
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ａｌ ａ ｉ ｎ ｆ ２ ＫＨｚ Ｒａｄ ｏ ｓ ｇ ｎｄ Ｒｅ ｉ ｔ ｏ ｏ １ ５ ｚ ｉ Ｆｒ ｑ ｅ ｃ ｄｅ ｔｆｃ ｔ ｏ Ｍｏ ｕ ｅ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｉ ｎ ｉｉ ａ ｉ ｎ ｄ ｌ
Ｌｉ Ｙ ｏ Ｕ ａ
（ ｈ ａ ｘ Ｔ ｃ ｎ ｌｇｃ ｌ Ｓ ｈ ｏ ， １ ０ ４ Ｓ ａ ｎ ｉ ｅ ｈ ｏｏ ｉ ａ ｃ ｏ ｌ ７ ５ ） ０
Ｋｅ Ｗ ｏｄｓ Ｒａ ｉ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｄｅ ｔｆｃ ｔ０ （ ＦＩ ； ｎ ｈ ｓｅ ｅ ｏ ｉ ｇ； ｄｏ ｍｏ ｕｌ Ｃ８ ｌ； ２ ０ ｙ ｒ ： ｄ ｏ ｒ ｑ ｅ ｃ ｉ ｎ ｉｉａ ｉｎ Ｒ Ｄ） Ｍａ ｃ ｅｔ ｒ ｎｃ ｄ ｎ Ｒａ ｉ ｄ ｅ； ０５ Ｕ２ ７ Ｂ
Ｑ ３
垒： 丝
射频识别技术实验一
实验一近距离ID卡读取实验【实验目的】1. 了解 125KHz ID 卡的基本原理2. 掌握 125K 读卡模块的使用方法【实验设备】1. 安装有 RFID_Tool 的 PC 机一台2. 实验箱一台3. 公-母串口线一条4. 125KHz ID 卡若干【实验要求】1. 学习 125KHz ID 卡扫描的原理，并掌握 125K 读卡模块的通信协议。
2. 通过串口调试工具观察 125KHz 读卡模块扫描卡的过程。
【实验原理】1. ID 卡简介ID 卡全称为身份识别卡（Identification Card），是一种不可写入的感应卡，含固定的编号，主要有台湾 SYRIS 的 EM 格式、美国 HIDMOTOROLA 等各类 ID 卡。
ID 卡与磁卡一样，都仅仅使用了“卡的号码”而已，卡内除了卡号外，无任何保密功能，其“卡号”是公开、裸露的。
所以说 ID 卡就是“感应式磁卡”。
ISO 标准 ID 卡的规格为：85.6x54x0.80±0.04mm（高/宽/厚），市场上也存在一些厚、薄卡或异型卡。
ID 卡系统由卡、读卡器和后台控制器组成。
工作过程如下：读卡器将载波信号经天线向外发送，载波频率为 125KHZ（THRC12）；ID 卡进入读卡器的工作区域后，由卡中电感线圈和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号，卡中芯片的射频接口模块由此信号产生出电源电压、复位信号及系统时钟，使芯片“激活”；芯片读取控制模块将存储器中的数据经调相编码后调制在载波上经卡内天线回送给读卡器；读卡器对接收到的卡回送信号进行解调、解码后送至后台计算机；后台计算机根据卡号的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。
本实验箱的 125K 读卡模块接口为 UART 接口（19200 波特率），当有卡靠近模块天线时，模块会以 UART 方式输出 ID 卡卡号，用户仅需简单的读取即可，该读卡模块完全支持EM、TK 及其兼容卡片的操作。
射频识别技术及应用 125 kHz RFID技术
至负载
选
调制
择
FSK2，2a
FSK 调制所需的 周期脉冲信号
调制器由数据编码器和调制方式两级电路组成，
其输入为来自存储器的二进制NRZ码，输出用于载波的
负载调制。
PSK 调制所需的 周期脉冲信号
PSK1
来自 存储器
曼彻斯特码
多
路 直接
选
Biphase
择
PSK2 PSK3 直接 FSK1，1a
1. 内部电路组成
能量 Coil1
模
阅
8
拟
读 L1 器
L2 C2
前
1
端
数据 Coil2
调制器
模式寄存器
写解码
比特率 生成
控 制 器
测试逻辑
VDD VSS
测试引脚
POR
存储器 （264 位 EEPROM) 输入寄存器
高电压产生
1. 内部电路组成
调制器
能量 Coil1
模
阅
8
拟
读 L1 器
L2 C2
前
L2 C2
前
1
端
数据 Coil2
VDD VSS
调制器
POR
模式寄存器
写解码
比特率 生成
控 制 器
测试逻辑
存储器 （264 位 EEPROM) 输入寄存器
高电压产生
在写入时产生对EEPROM
测试引脚
编程时所需的高电压。
1. 内部电路组成
能量 Coil1
模
阅
8
拟
读 L1 器
L2 C2
前
1
端
数据 Coil2
存储器的数据以串行方式送出，从块1的位1开始 到最大块的位32.各块的锁存位L不能被传送。
一种长距离125kHz阅读器硬件电路的设计与实现
禁控制、汽车监控系统领域等。 (3)可实现低功耗设计，尤其在接收端。 (4)低频设计技术（相比于射频电路设计）允许设计者使用低频模拟工具与模块。设计者可 使用成熟的运算放大器、比较器和通用示波器。 (5)价格较低。可以加入 LC 谐振电路到微控制器来实现低价收发器[3]。
摘 要: 设计分析了 125kHz 阅读器硬件电路部分，从理论与调试方法上对发射功放及后级匹配 电路进行了细致探讨，采用了基于网络分析仪的调试方法调试匹配电路，并给出示波器与网络分
析仪的调试结果。 关键词: RFID; 功率放大器; 匹配; 检波; 带通放大
RFID(Radio Frequency Identification)技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场 或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID 被列为本世纪 十大重要技术之一，已成为 IT 行业的一个重要的应用领域，它有着巨大的市场潜力和价值[1]。
ห้องสมุดไป่ตู้
现已开发出 RFID 系统的 4 个通信频段（系统工作频率）[2]，这些频段是：①低频段（最高 到 135kHz）；②13.56MHz 频段；③900MHz 频段；④2.4GHz 频段。许多低价 RFID 系统的工作距 离会受从阅读器到无源电子标签的功率传输大小的限制。在短距离条件下，由于工作在近场耦合 区域，低频工作下从阅读器到应答器的传输功率更大。因此，低频条件下更有利于能量的耦合。
放大器[4]。 电压开关型晶体管 D 类放大器效率?浊与集电极输出功率分别为：
射频识别RFID原理与应用单承赣等编著电子教案125kHzRFID技术说课材料(13页)
7 125 kHz RFID技术
• e5551芯片的写模式
写模式和gap
标准写成功的过程
5
7 125 kHz RFID技术
• e5551芯片的防碰撞技术
6
7 125 kHz RFID技术
• e5551芯片的工作过程
7
7 125 kHz RFID技术
• U2270B芯片 • 性能 • 产生载波的频率范围为100 kHz~150 kHz； • 在125 kHz载波频率下，典型的数据传输速率为5 kbps； • 适用于采用曼彻斯特码及Biphase码调制的应答器； • 电源可采用汽车蓄电池或5 V直流稳压电源； • 具有可调谐的能力； • 便于和微控制器接口； • 可工作于低功耗模式（Standby模式）
射频识别RFID原理与应用单承 赣等编著电子教案125kHzRFID
技术
7 125 kHz RFID技术
• e555技术
• 调制器
3
7 125 kHz RFID技术
• e5551芯片的读工作模式
所示电压波形是e5551芯片所接谐振回路（即引脚Coil1和Coil2） 两端的电压波形
8
7 125 kHz RFID技术
• U2270B芯片 • 内部电路结构
9
7 125 kHz RFID技术
• 阅读器电路设计 • 基于U2270B芯片的阅读器典型电路
采用蓄电池供电方式的阅读器电路
10
7 125 kHz RFID技术
• 阅读器电路设计 • 基于U2270B芯片的阅读器典型电路 • 该电路采用蓄电池电源供电，U2270B芯片的VEXT引脚输出 电压可提供微控制器作为电源 • VEXT还接至晶体管BC639的基极，控制DVS的产生 • Standby引脚电平由微控制器控制，可以方便地进入Standby 模式，以节省蓄电池的能耗。
125KHz门禁阅读器的研制的开题报告
125KHz门禁阅读器的研制的开题报告
项目简介：
本文介绍了一种基于125KHz RFID技术的门禁阅读器的研制方案。
门禁阅读器广泛应用于各种门禁系统中，通过扫描用户携带的RFID卡片来确认用户的身份，并给予相应权限，如开启门禁、上下电梯等。
本研
究旨在设计一种结构紧凑、功能完善、性能稳定、成本低廉的125KHz门禁阅读器。
主要研究内容：
1. RFID技术原理及门禁系统研究
通过对RFID技术的原理、标准、应用场景及门禁系统的结构、功能、分类等方面的研究，为本项目的设计与开发提供理论支持。
2. 门禁阅读器硬件设计
根据门禁系统的需求，设计一种结构紧凑、红外线强度均匀分布、
抗干扰能力强的门禁阅读器硬件。
具体包括锁控制、数据采集、通信控
制等模块的设计。
3. 门禁阅读器软件设计
在嵌入式系统中，设计门禁阅读器的软件，包括完成扫描RFID卡片、数据存储、用户身份识别、开启门禁等功能。
4. 门禁系统集成与调试
将硬件和软件集成在一起，并进行测试和调试，确保门禁系统能正
常地运行。
研究意义：
随着RFID技术的日益成熟，门禁系统越来越普及，对门禁阅读器也提出了更高的要求。
本研究通过对125KHz门禁阅读器的研制，不仅可以
提高门禁系统的安全性和便捷性，还可以拓展RFID技术的应用领域。
另外，这样的门禁阅读器也可以被应用于更多场景，如电梯门禁、车位管理系统等。
预期成果：
完成一套结构紧凑、功能完善、性能稳定、成本低廉的125KHz门禁阅读器。
通过测试和用户使用反馈，确定门禁阅读器的优化方向，为下一步的升级和改进提供指导。
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125kHz射频识别阅读器模块的设计与实现
摘要:设计了一个工作频率为125kHz低频射频识别阅读器的通用模块。
设计方案中采用Atmel公司的基站芯片U2270b与Silion Laboratory公司的C8051微控制芯片配合工作,完成了射频载波信号的产生、放大、调制、解调与解码功能。
文中介绍了硬件的工作原理、模块组成、解码程序的设计方法,并给出了相关设计文档与实物结果。
通过软硬件调试与测试,获得了准确的解码时序,最终实现了对EM4100各类型兼容ID卡的正确识别。
关键词:射频识别曼彻斯特解码射频模块C8051 U2270B
Design and Realization of 125KHz Radio Frequency Identification Module
Abstract:A radio frequency identification module operating at 125kHz is designed.The U2270B IC of Atmel Corporation and C8051 microcontroller unit are wording together,realizing the carrier arising,signal amplify,data modulation,demodulation and decoding.The circuit operation principle,system configuration,decoding program are introduced and relative results are showed.The module testing and measured results demonstrate that the encoding sequence is corrected,realizing the reading of EM4100 compatible tag.
Key Words:Radio frequency identification(RFID);Manchester
encoding;Radio module;C8051;U2270B
射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种利用电磁波散射或者负载调制原理实现双向数据传输的方法。
射频识别技术相对于传统的磁卡及IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等优点,还具有同时识别多张卡片的防冲突功能[1]。
RFID系统按其工作频率可分为低频125kHz、高频13.56MHz、超高频915MHz以及微波频段2.45GHz等多种制式协议。
每一种系统在工作方式以及应用场合上存在较大的差异,但是所有阅读器工作原理与模块组成上都很类似,都可分解为高频接口和控制单元两个基本模块。
高频接口包含发送器和接收器,完成产生高频发射功率,对发射信号进行调制以及对接收信号解调和基带信号再生。
本文针对低频的125kHz阅读器模块进行设计。
自20世纪90年代以来,射频识别技术在全世界范围内得到了很快的发展。
随着射频识别技术的不断成熟,射频技术在各个行业,尤其是在电子信息行业得到了广泛的应用。
未来,射频识别系统所应用的领域不断地拓展,系统架构的复杂程度也在不断增加,而模块化的设计思想是设计复杂系统的基本方法。
1 射频识别阅读器模块工作原理
1.1 功能框图
射频识别模块的组成部分包括:供电模块,发射与接收模块,微控制器,天线,接口模块。
天线的作用是在空间中建立与载波信号大小成正比的磁场,以及将空间中的变化的磁场转化成感应电动势,关于天线的设计可参考文献[2]。
发射与接收模块主要完成125kHz载波信号的生成与放大,信号的调制与解调,基带信号的放大与整形功能。
射频识别模块中选择Atmel公司的读写基站芯片U2270B来完成发射与接收模块的所有功能。
该芯片可调工作频率范围为100kHz～150kHz,最大传输速率为5K波特率,支持曼切斯特以及二相调制和自动调谐功能[3]。
微处理芯片可以根据外部命令控制载波信号的使能和完成基带信号的解码。
在该模块中我们选择C5051F020微控制器,其丰富的接口功能以及外设资源保证了模块的扩展功能。
其他接口模块完成程序的下载与在线调试,测试信号的输出,外设的控制,数据的传输。
供电模块功能则是将5V标准电压输入转换成模块上各个芯片的稳定工作电压。
1.2 工作流程
射频识别模块工作流程是:首先,系统上电正常后,MCU复位并检测系统时钟稳定后开始向发射模块发送载波使能信号,内部振荡器在产生125kHz载波信号并放大后送到天线两端。
然后,天线在周围空间中建立交变的磁场,待有标签卡进入工作区域后,标签芯片获得能量启动后将卡号和用户数据经过负载调制方式返回给阅读器。
最后,阅读
器解调标签返回信号,并整形放大后送给微处理器做解码处理,微处理器解码后将数据存储在内存中。
2 电路设计与软件设计
根据模块的功能框图,我们使用Altium Designer软件完成了模块原理图与PCB版图的绘制,最后制作了实物如图2所示。
模块PCB板使用FR4材料,厚度为1.6mm,大小尺寸为5mm×5mm。
在射频识别模块的软件设计中,主要解决的是曼彻斯特码的解码。
现今大部分的低频射频识别标签芯片默认采用的编码方式为曼彻斯特码,数据帧格式为开头的9个“1”,后面紧跟54位的数据与校验码,其中第5N(N=1,2,3……10)为行校验位、51～54位为列校验位,最后一位为停止位“0” 【4,5】。
根据曼彻斯特码的变化特点,实现正确解码的两个前提是完成在数据前半个周期的准确定时采样和排除“空跳”信号的影响。
在捕获阶段,MCU要不断查询OUTPUT输出信号的跳变,一旦跳变出现,马上通过定时器计算该脉宽持续时间。
若该脉宽为一个码率周期,可确定适当延时使得在该脉宽的后半周期开始采样,采样周期设定为码率周期,即启动“跟踪”过程。
如果脉宽宽度为半个周期,则需要返回查询输出数据过程,等待下一次信号的跳变。
3 调试过程与测试结果
接下来,我们将解码程序通过仿真器烧写入MCU并通过在线调试方式,对射频识别模块软硬件系统进行联合调试与测试。
图3给出了实测定时采样信号与OUTPUT输出的曼彻斯特数据时序,其中Signal1表示采样定时信号,Signal2表示数据。
从图中可以看出,在每个上升沿与下降沿,采样点都位于码元的前半周期,总共采样值达到64位以后,Signal1保持高电平不变,表示不再进行数据的采样。
标签ID卡号经过解码后的结果存储在连续的数据内存中,可从调试环境中的内存变量窗口中读取。
已知对应图3的标签的十进制格式的卡号为0011153466,读取的连续十六进制原始数据为4a1806a03fe58801,经过转化后两者完全吻合。
对实际的测试结果来看,该模块可以准确快速的识别各种薄卡、厚卡以及钥匙扣卡,s识别距离约为3～5cm。
4 结语
基于模块化的系统设计思想,本文设计了一个工作频率为125kHz 的阅读器射频识别模块。
它由射频模块、微控制器模块、电源以及接
口模块组成,完成了载波信号的产生放大、信号的调制解调以及数据的解码功能。
通过对电路实物的测试以及控制器软件的设计与调试,实现了对EM4100系列芯片兼容标签卡的卡号正确识别与存储功能。
参考文献
[1]游战清.无线射频识别技术RFID理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2] Atmel Corporation.U2270B Antenna Design Hints,USA:,1999.
[3] Atmel Corporation. U2270B Datesheet, USA:,1999.
[4] 段争云,屈菲,李书涛.基于C8051F300的曼彻斯特译码的软件实现[J].电子技术,141-143.
[5] 康文广,王辉映.一种RFID的曼彻斯特解码技术[J].单片机及嵌入式系统应用,2010,(12):20-22.。