摘  要：本文介紹了一種RFID射頻識別系統的設計與實現[1]。該設計采用低頻125KHz傳輸信號，射頻卡選用EM4001，發射和接收信號采用集成模塊U2270B，信號的編碼和解碼采用曼徹斯特編碼，主控模塊采用STC89C51。經驗證，該設計滿足門禁系統的要求。

0  引言

物聯網技術是新興的科技，是多學科交叉的融合，是未來發展的方向。而RFID射頻識別技術又是物聯網技術的核心技術之一。筆者在教學過程中，結合教學內容，用典型的元器件完成了一款125KHz低頻RFID射頻識別門禁系統的設計和實踐。通過對系統各個功能模塊的設計，鞏固了教學成果，鍛煉了學生。該設計采用集成模塊U2270B，完成無線射頻信號的發射和接收。使用繞制的銅線線圈作為天線發送和接收無線電波。采用常見的芯片STC89C51作為控制核心，完成無線電的收發時序、曼徹斯特解碼以及譯碼顯示等工作。通過Protel畫出電路圖后，在實驗室中制作單面板的實物，驗證了此設計的可行性。

射頻識別(Radio Frequency Identification， RFID)是利用感應、電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信，獲取相關數據的一種自動識別技術。

射頻識別卡最大的優點就在于非接觸，因此完成識別工作時無須人工干預，適于實現自動化且不易損壞，操作快捷方便。RFID技術是一個嶄新的技術應用領域，它不僅涵蓋了射頻技術，還包含了密碼學、通信原理和半導體集成電路技術，是一個多學科綜合的新興學科。

RFID的基本工作原理：標簽進入磁場后，接收讀寫器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息，或者由標簽主動發送某一頻率的信號，讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。

   （1）讀卡器識別距離大于10mm。

   （2）設計完成顯示ID卡卡號，可隨機讀取任意ID卡標簽并顯示，顯示格式為：“success，ID:XXXXXXXXXX”（X代表0-9的數字）。

    采用EM4001射頻卡：存儲容量：64bit；工作頻率：125KHZ；讀寫距離：2-15cm；芯片類型：EM瑞士微電 EM4100/EM4102；擦寫壽命：讀不限；外形尺寸：ISO標準卡/厚卡；封裝材料：PVC、ABS。      

1.4.1. 125kHzRFID閱讀器設計

為了簡化硬件電路，采用集成射頻模塊U2270B完成125kHZ方波產生，功率放大與檢波，濾波放大等功能。此方案的優點：電路簡單，易于實現。此方案的缺點：增加了程序的復雜性。125kHzRFID閱讀器的原理如圖2所示。  

1.4.2. 基于U2270B的125kHzRFID閱讀器設計

射頻卡讀寫器的關鍵芯片是射頻卡基站芯片,它主要用于完成數據的調制、發射和射頻的接收以及數據的解調任務。由美國ATMEL公司生產的U2270B 是一種低成本、性能完善的低頻( 100～150kHz) 射頻卡基站芯片, 其主要特點如下:

1.載波振蕩器能產生100kHz～150kHz 的振頻率, 并可通過外接電阻進行精確調整, 其典型應用頻率為125kHz。

2.典型數據傳輸速率為5kbps( 125kHz時) 。

3.適用于曼徹斯特編碼和雙相位編碼。

4.帶有微處理器接口, 可與單片機直接連接。

5.供電方式靈活,可以采用+5V 直流供電, 也可以采用汽車用+12V供電,同時具有電壓輸出功能, 可以給微處理器或其它外圍電路供電。

6.具有低功耗待機模式, 可以極大地降低基站的耗電量。

7.125kHz 時的典型讀寫距離為15mm。

8.適用于對e5530/e5550/EM4001等射頻卡進行讀寫操作。

          圖2 125kHzRFID系統工作原理                      圖3 U2270B內部結構圖  

125kHzRFID由以下幾部分模塊電路構成：控制電路、射頻模塊電路、射頻天線、顯示電路、聲光報警電路、串口通信電路、串口轉USB電路和電源電路。

控制電路不僅要完成無線電收發的時序控制，還要進行譯碼顯示，并完成和上位機的通信。由于射頻卡EM4001采用曼徹斯特編碼方式，而U2270B不能進行曼徹斯特解碼，所以還需要控制單元進行曼徹斯特的解碼工作。經過對比和需求分析，最終決定采用STC89C51作為我們的主控芯片，其可以方便地支持串口燒錄，且價格便宜，功能完全滿足我們的需求。

本課程設計采用射頻芯片U2270B完成射頻模塊的設計。參照U2270B芯片使用手冊中的典型電路連接，根據需求，采用第一種連接方式。

125kHzRFID射頻系統的應答器和閱讀器都需要天線。而由于應答器采用EM4001射頻卡，其內部已經集成了射頻天線。所以，我們只要研究閱讀器的射頻天線設計。

RFID射頻系統的天線制作方法有三種，線圈繞制法、蝕刻法、印制法。我們設計的125kHzRFID閱讀器天線只能采用線圈繞制法。下面簡述其設計過程。

實驗結果證實：在與天線線圈距離很小(x<R)的情況下，磁場強度的上升是平緩的。較小的天線在其中心(距離為0)處呈現出較高的磁場強度，相對來講，較大的天線在較遠的距離(x>R)處呈現出較高的磁場強度。(R為天線半徑；x為作用距離。)在電感耦合式射頻識別系統的天線設計中，應當考慮這種效應。

射頻識別閱讀器作用距離都對應有一個最佳的天線半徑R。如果選擇的天線半徑過大，那么在與發射天線的距離x=0處，磁場強度是很小的；相反，如果天線半徑的選擇太小，那么其磁場強度則以x的三次方的比例衰減。

不同的閱讀器作用距離，有著不同的天線最佳半徑，它對應著磁場強度曲線最大值。發射天線的最佳半徑對應于最大期望閱讀器作用距離的file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCEB.tmp.png倍值： file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCFB.tmp.png。

一般調諧過程當中，由于天線線圈本身的電容對于諧振的影響很小，可以忽略不計，故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流，需要外加一個電容C，完成對天線的調諧，達到這一目的。

設計要求：設計一個期望最大作用距離為1cm，工作頻率在125 kHz的繞線天線，系統要求閱讀器天線線圈的半徑盡量小，不超過1cm。

具體設計步驟如下：

首先確定天線的最佳半徑，理想的最佳天線半徑應當為期望作用距離的file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCFC.tmp.png倍，在實際設計的時候，應在保證系統要求的前提下，盡可能地接近最佳值。本設計閱讀器天線的最佳半徑取為0.8cm。

其次，再根據工作頻率以及系統本身的要求確定電感量的大致范圍，本設計中取電感量在600～800μH之間。

再者，用電感量與匝數關系的經驗公式大致估計繞線匝數。我們取電感量在700μH，用直徑為0.27mm的銅導線進行繞制天線。由公式file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCFD.tmp.png

(式中：L為線圈電感，單位為μH；A為天線線圈包圍面積，單位為cm2；D為導線直徑，單位為cm。)

計算出匝數：大概在266圈左右，繞完后，根據公式file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBCFE.tmp.png，選取所用的調諧電容。

用相關的儀器如頻譜儀測量出諧振頻率，由于電感量只是估算的，而且選用的匹配電容也是具有一定標稱值的。并不能做到與計算一致，所以總是會存在誤差。看頻率的偏移情況，按電感量估算公式逐步增加或者減少線圈匝數，直到達到指定的諧振頻率125kHz。

射頻信號經射頻模塊U2270B接收，并經由單片機解碼今后，送到顯示模塊。由于我們只要顯示出射頻卡唯一可識別的射頻卡號，所以只需要采用字符型LCD即可。此處我們選擇常用的字符型液晶LCD1602。

當單片機完成射頻信號的曼徹斯特解碼工作之后，將所得的結果送交LCD1602加以顯示。為了方便用戶使用此RFID系統，正確顯示ID號的同時，驅動蜂鳴器報警提示，并由LED燈提示讀取成功。

為了和計算機進行通信，實現上下位機的數據傳輸，完成程序的燒錄，需要采用串口通信。本設計采用MAX232完成RFID閱讀器和計算機的數據串口通信。

   為了和計算機更方便地通信，常采用較為方便的和上位機進行連接的方式，即采用USB的連接方式。此處，使用芯片CP2102將串口的信號轉化為USB連接。

電路采用的芯片和其他元器件都可在5V電源下工作，因此通過電源適配器將220V交流電變為12V直流電，并選用三端穩壓芯片7805將12V直流電轉換為直流5V穩壓電源。

Altium Designer軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術完美融合，使電路設計的質量和效率大大提高。

根據電路模塊的特點，我們將此125kHzRFID射頻系統劃分為兩大電路模塊：控制模塊和射頻模塊。由于射頻芯片U2270B采用SOP16貼片封裝，所以我們采用一塊單獨的單面板來制作。

電路原理圖和PCB圖如下圖所示：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBD0F.tmp.png     file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBD10.tmp.jpg

          圖4 125kHzRFID控制模塊原理圖                    圖5 125kHzRFID射頻模塊原理圖

   file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBD21.tmp.jpg            file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsBD31.tmp.jpg     

         圖6 125kHzRFID控制模塊PCB圖                  圖7 125kHzRFID射頻模塊PCB圖

鑒于用單面板進行驗證設計，為了減小實現的難度，將整個RFID射頻識別系統分成了兩個獨立的小模塊(控制模塊、射頻模塊)分別加以實現。

系統軟件設計包括如下幾個部分：U2270Ｂ控制、LCD1602驅動、聲光報警驅動和串口驅動和曼徹斯特特解碼。LCD1602驅動、聲光報警驅動和串口驅動相對簡單。U2270Ｂ不進行解碼，由單片機完成解碼。解碼軟件設計相對較復雜，要對ID卡進行解碼，首先應掌握ID卡的存儲格式和曼徹斯特編碼方式，然后對解碼后的數據進行計算。

（一） EM4100數據存儲格式

EM41001的64位數據信息，它由5個區組成：9個引導位、10個行偶校驗位“PO～P9’、4個列偶校驗位“PC0～PC3”、40個數據位“D00～D93”和1個停止位S0。

每當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域內，它將按照順序發送64位信息，如此重復，直至ID卡退出讀卡器的有效工作區域。

（二）  Manchester碼編碼方式

Manchester編碼：位數據“1”對應著電平下跳，位數據“0”對應著電平上跳。在一串數據傳送的數據序列中，兩個相鄰的位數據傳送跳變時間間隔應為1P。若相鄰的位數據極性相同(相鄰兩位均為“0”或“1”)，則在兩次位數據傳送的電平跳變之間，有一次非數據傳送的、預備性的(電平)“空跳”。電平的上跳、下跳和空跳是確定位數據傳送特征的判據。在曼徹斯特調制方式下，EM41001每傳送一位數據的時間是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256us。

（三）Manchester碼解碼算法

利用STC89C51單片機進行解碼，STC89C51的T口的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個外部事件的發生，記錄事件發生的時間印記。當一個輸入捕捉事件發生時，T口的計數器TCNTl中的計數值被寫入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標志位ICFl，產生中斷申請。可通過設置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來設定輸入捕捉信號觸發方式。本設計利用單片機的輸入捕捉功能進行解碼。

由Manchester編碼特點可知，每位數據都由半個周期的高電平和半個周期的低電平組成，因此可將一個位數據拆分為兩位，即位數據“1”可視為“10”，位數據“0”可視為“01”，則64位數據可視為由128位組成。為了獲得完整且連續存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數據，即接收256位。則上一輪接收到的停止位后緊跟著的必然是本輪接收到的起始位，據此找出起始同步頭。再根據曼碼特點獲得ID卡的有效數據(“10”解碼為“1”；“01”解碼為“O”)并進行LCR校驗，若校驗無誤，則將ID卡號輸出至PC機，并準備下一次的解碼；否則，直接準備下一次解碼。另外，在程序中首先定義一個數組bit[256]用來存放接收到的數據；定義一個變量用來標記256位數據接收完成；定義一個變量用來標記校驗有錯誤產生。由于無ID卡靠近讀卡器的有效工作區時，單片機輸入捕捉引腳輸入的是高電平，因此在主程序中先設定為下降沿觸發，清零計數器TCNTl，打開T／C1的輸入捕捉功能。     

該設計的實驗驗證效果如下所示，可以在10mm的距離上正確地讀取射頻卡的信息，并通過LCD1602準確地進行顯示。

本設計采用了集成元件U2270B以及典型電路，繞制的天線，51單片機控制芯片，及簡單的外圍電路，搭建了一個低頻125KHzRFID門禁系統。該設計簡單實用，經過驗證，讀取穩定，作用距離滿足設計要求。