射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，縮寫RFID），射頻識別技術(shù)是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。

　　從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞)，在高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型(雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的"利用反射功率的通信"奠定了射頻識別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

　　1 RFID系統(tǒng)的分類

　　RFID系統(tǒng)的分類方法有很多，在通常應(yīng)用中都是根據(jù)頻率來分，根據(jù)不同的工作頻率，可將其分為以下四種：

　　(1)低頻(120～135 kHz)。該頻段具有很強的場穿透性，使用不受限制，性能不受環(huán)境影響，價格低廉，識別距離一般小于60 cm，主要應(yīng)用于門禁、“一卡通”消費管理、車輛管理等系統(tǒng)；

　　(2)高頻(10～15 MHz)。該頻段與低頻相比，具有防沖撞、能同時識別多個標簽的優(yōu)點，但其性能受環(huán)境影響，識別距離一般小于100 cm，主要應(yīng)用于圖書管理、物流等系統(tǒng)；

　　(3)超高頻(850～960 MHz)。該頻段較高頻相比，具有可實現(xiàn)長距離識別的的優(yōu)點，識別距離可達10 m，但其性能受環(huán)境影響較大，價格也較貴，主要應(yīng)用于鐵路車輛識別、集裝箱識別等系統(tǒng)；

　　(4)微波(2．45～5．8 GHz)。該頻段可實現(xiàn)遠距離識別，識別距離可達100 m，但其價格也貴，主要應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中。

　　2 RFID系統(tǒng)的組成

　　射頻識別系統(tǒng)一般由閱讀器、電子標簽、天線三部分組成。

　　(1)閱讀器：讀取或讀／寫電子標簽信息的設(shè)備，主要任務(wù)是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應(yīng)答，對標簽的標識信息進行解碼，將標識信息連帶標簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C以供處理。一臺典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及與應(yīng)答器連接的耦合元件。此外，許多閱讀器還有附加的接口(RS 232，RS 485等)，以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳輸給另外的系統(tǒng)(如個人計算機)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　(2)電子標簽(應(yīng)答器)：由芯片及內(nèi)置天線組成，芯片內(nèi)保存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，放在被識別物體上，作為待識別物品的標識性信息，它是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，內(nèi)置天線用于和射頻天線間進行通信。通常，應(yīng)答器沒有自己的供電電源，只有在閱讀器的響應(yīng)范圍以內(nèi)，應(yīng)答器才是有源的。應(yīng)答器工作所需的能量，是通過耦合單元(非接觸的)傳輸給應(yīng)答器的。

　　(3)天線：標簽與閱讀器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。

　　3 硬件電路設(shè)計

　　AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。 1997年，由Atmel公司挪威設(shè)計中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡指令集高速8位單片機，簡稱AVR。

　　高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位 , 一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。早期單片機主要由于工藝及設(shè)計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩(wěn)妥方案：即采用較高的分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。以后的 CMOS單片機雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡指令集單片機(RISC)問世,但依然沿襲對時鐘分頻的作法。

　　AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設(shè)計格局，廢除了機器周期，拋棄復(fù)雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。

　　硬件電路如圖2所示，在圖2中①為載波產(chǎn)生及功率放大電路，由單片機的T／C2工作于CTC模式，產(chǎn)生標準125 kHz載波信號，經(jīng)過限流電阻R1后送入推挽式連接的三極管功率放大電路，放大后的載波信號通過天線發(fā)射出去。天線L1與電容C1構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振頻率為125 kHz，諧振電路的作用是使天線上獲得的電流，從而產(chǎn)生的磁通量，獲得更大的讀卡距離。②為檢波電路，檢波電路用來去除125 kHz載波信號，還原出有用數(shù)據(jù)信號。R2，D1，R3，C2構(gòu)成基本包絡(luò)檢波電路，C3為耦合電容，R4，C4為低通濾波電路，D2，D3為保護二極管，輸出接到濾波放大電路。③為濾波放大電路，濾波放大電路采用集成運放LM358對檢波后的信號進行濾波整形放大，放大后的信號送入單片機的定時／計數(shù)器T1的輸入捕捉引腳ICPl，由單片機對接收到的信號進行解碼，從而得到ID卡的卡號。

　　4 軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩部分：125 kHz載波的產(chǎn)生和ID卡解碼。載波信號產(chǎn)生相對簡單，可利用單片機的T／C2，使其工作于CTC模式，比較匹配時使輸出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解碼軟件設(shè)計相對較復(fù)雜，要對ID卡進行解碼，首先應(yīng)掌握ID卡的存儲格式和數(shù)據(jù)編碼方式。

　　4．1 EM4100數(shù)據(jù)存儲格式

　　圖3是EM4100的64位數(shù)據(jù)信息，它由5個區(qū)組成：9個引導(dǎo)位、10個行偶校驗位“PO～P9'’、4個列偶校驗位“PC0～PC3”、40個數(shù)據(jù)位“D00～D93”和1個停止位S0。9個引導(dǎo)位是出廠時就已掩膜在芯片內(nèi)的，其值為“111111111”，當(dāng)它輸出數(shù)據(jù)時，首先輸出9個引導(dǎo)位，然后是10組由4個數(shù)據(jù)位和1個行偶校驗位組成的數(shù)據(jù)串，其次是4個列偶校驗位，是停止位“0”。“D00～D13”是一個8位的晶體版本號或ID識別碼。“D20～D93”是8組32位的芯片信息，即卡號。

　　每當(dāng)EM4100將64個信息位傳輸完畢后，只要ID卡仍處于讀卡器的工作區(qū)域內(nèi)，它將再次按照圖3順序發(fā)送64位信息，如此重復(fù)，直至ID卡退出讀卡器的有效工作區(qū)域。

　　4．2 EM4100數(shù)據(jù)編碼方式

　　EM4100采用曼徹斯特編碼，如圖4所示：位數(shù)據(jù)“1”對應(yīng)著電平下跳，位數(shù)據(jù)“0”對應(yīng)著電平上跳。在一串?dāng)?shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時間間隔應(yīng)為1P。若相鄰的位數(shù)據(jù)極性相同(相鄰兩位均為“O”或“1”)，則在兩次位數(shù)據(jù)傳送的電平跳變之間，有非數(shù)據(jù)傳送的、預(yù)備性的(電平)“空跳”。電平的上跳、下跳和空跳是確定位數(shù)據(jù)傳送特征的判據(jù)。在曼徹斯*調(diào)制方式下，M4100每傳送一位數(shù)據(jù)的時間是64個振蕩周期，其值由RF／n決定。若載波頻率為125 kHz，則每傳送一位的時間為振蕩周期的64分頻，即位傳送時間為：1P=64／125 kHz=512μs，則半個周期的時間為256μs。

　　4．3 解碼軟件設(shè)計

　　ATmega8單片機T／C1的輸入捕捉功能是AVR定時／計數(shù)器的一個非常有特點的功能，T／C1的輸入捕捉單元可用于捕捉一個外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時間印記。當(dāng)一個輸入捕捉事件發(fā)生時，T／C1的計數(shù)器TCNTl中的計數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標志位ICFl，產(chǎn)生中斷申請。可通過設(shè)置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來設(shè)定輸入捕捉信號觸發(fā)方式。本系統(tǒng)利用單片機的輸入捕捉功能進行解碼。

　　由曼徹斯特編碼特點可知，每位數(shù)據(jù)都由半個周期的高電平和半個周期的低電平組成，因此可將一個位數(shù)據(jù)拆分為兩位，即位數(shù)據(jù)“1”可視為“10”，位數(shù)據(jù)“O”可視為“01”，則64位數(shù)據(jù)可視為由128位組成。為了獲得完整且連續(xù)存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數(shù)據(jù)，即接收256位。主程序流程圖如圖5所示。

　　在輸入捕捉中斷程序中定義一個觸發(fā)沿標志tr=1(用于表示由下降沿引起的觸發(fā))，同時定義一個無符號字符型變量i用來對接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)進行計數(shù)，由于無符號字符型數(shù)據(jù)的取值范圍為O～255，所以當(dāng)接收完256位時，i的值再次變?yōu)?。接著判斷是否為合法跳變，由以上分析可知，電平跳變的時間為256μs或512μs為合法跳變。圖6為中斷處理程序流程圖。

　　5 結(jié)語

　　本設(shè)計硬件電路中功放和檢波部分采用分立元件構(gòu)成，無需讀卡基站芯片，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本極低；軟件部分采用C語言進行編寫，提出了一種曼徹斯特編碼的解碼方法。測試，系統(tǒng)可成功實現(xiàn)對EM4100 ID卡的讀取，經(jīng)過微調(diào)天線，讀取距離可達15 cm，且讀卡穩(wěn)定、成功率高，可將其應(yīng)用于門禁、公交等系統(tǒng)。