125KHzRFID讀寫(xiě)器的FSK解調(diào)器設(shè)計(jì)

1、125KHZRFID讀寫(xiě)器的FSK解調(diào)器設(shè)計(jì)很多工作在125KHn載波頻率的RFID芯片，如Microchip公司的MCRF200、MCRF250以及Atmel公司的e5551、T5557等都可以將其調(diào)制方式設(shè)置為FSK方式。若芯片設(shè)置為FSK調(diào)制方式，那么讀寫(xiě)器（PCD）必須具有FSK解調(diào)電路。FSK解調(diào)電路將FSK調(diào)制信號(hào)解調(diào)為NRZ碼。本文給出一種FSK解調(diào)電路，該電路的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單可靠，很適宜PCD中應(yīng)用。FSK調(diào)制工作在125KHn的RFID的FSK調(diào)制方式都很相似，圖1給出了一種FSK調(diào)制方式的波形圖。從圖中可見(jiàn)，此時(shí)數(shù)據(jù)速率為：載波頻率fc/40=125K/40=3125bps

2、,在進(jìn)行FSK調(diào)制后，數(shù)據(jù)0是頻率為fc/8的方波，即f0=fc/8；而數(shù)據(jù)1是頻率為fc/5的方波，即f1=fc/5。經(jīng)FSK調(diào)制后的傳送數(shù)據(jù)，通過(guò)負(fù)載調(diào)制方式傳送到PCD，圖1中也給出了射頻波形，載波的調(diào)制是采用調(diào)幅。FSK解調(diào)PCD經(jīng)載波解調(diào)（通常采用包絡(luò)檢波）、放大濾波和脈沖成形電路后，得到FSK調(diào)制信號(hào)。FSK解調(diào)電路完成將FSK調(diào)制信號(hào)恢復(fù)為NRZ碼。FSK解調(diào)實(shí)現(xiàn)方法較多，本文介紹的一種FSK解調(diào)電路示于圖2,該電路簡(jiǎn)單方便，可以很好地完成fsk解調(diào)。圖2所示電路工作原理如下：觸發(fā)器D1將輸入FSK信號(hào)變成窄脈沖，即Q為高時(shí)，F(xiàn)SK上跳沿將Q端置高，但由于此時(shí)Q為低，故CL端為低

3、，又使Q端回到低電平。Q端的該脈沖使十進(jìn)計(jì)數(shù)器4017復(fù)零并重新計(jì)數(shù)。4017計(jì)數(shù)器對(duì)125KHn時(shí)鐘計(jì)數(shù)，由于數(shù)據(jù)寬為40/fc=40Tc（Tc為載波周期），若為數(shù)據(jù)0,FSK方波周期T0=8Tc。當(dāng)計(jì)至第7個(gè)時(shí)鐘數(shù)時(shí)，Q7輸出為高，使CLKen（CLK使能端）為高，計(jì)數(shù)器不再計(jì)第8個(gè)時(shí)鐘，此時(shí)Q7為高，當(dāng)觸發(fā)器D1的Q輸出端在下一個(gè)FSK波形上跳時(shí)，觸發(fā)器D2的Q端輸出為低。FSK波形上跳同時(shí)也將計(jì)數(shù)器復(fù)零并重新計(jì)數(shù)。因此，在數(shù)據(jù)為0的對(duì)應(yīng)FSK波形頻率下，觸發(fā)器D2的Q輸出端為低，即為數(shù)據(jù)0的NRZ碼電平。圖2FSK解調(diào)電路N,：if:.Ia5.:KJ：K卿啊呱卿刪測(cè)啊MrHUW#WUl

4、J_JlX_MlH#-Io-wT,I摯Unii:l-K.WIX35toysthMSBit.圖3數(shù)位0（后跟位1）的解調(diào)波形圖例在數(shù)據(jù)1時(shí)，由于FSK波形周期Tl=5Tc,故計(jì)數(shù)器4017的Q7引腳始終為低,在這期間觸發(fā)器D2的Q輸出端保持為高，即為數(shù)據(jù)1的NRZ電平。數(shù)據(jù)0的解調(diào)波形圖示于圖3。從圖中可見(jiàn)，若0的緊跟位為0，則其位寬為40Tc,若緊跟位為1，其位寬為37Tc，短了三個(gè)時(shí)鐘周期。位1的緊跟位為1，其位寬保持為40Tc,若其緊跟位為0,則其位寬為43Tc。因此，位值0和1的交錯(cuò)，不會(huì)造成位寬誤差的傳播，而是進(jìn)行了補(bǔ)償。3個(gè)時(shí)鐘誤差，不會(huì)影響MCU對(duì)位判的正確性。單穩(wěn)電路產(chǎn)生的上跳變

5、化為觸發(fā)器D2提供了正常工作的CL端電平，同時(shí)也通知MCU此后觸發(fā)器D2的輸出數(shù)據(jù)有效。單穩(wěn)電路可采用74HC123，它為可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)電路，可以自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉該解調(diào)器。RFID芯片中FSK通常有多種模式，如e5551中有四種模式(表1)，該電路上面的分析描述對(duì)應(yīng)的是FSKla,但對(duì)于FSK1,只需將輸出端改為觸發(fā)器D2的Q端即可。若用FSK2，則計(jì)數(shù)器的輸出端改用Q9即可。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)速率，只是位寬不同，不影響解調(diào)的結(jié)果。結(jié)語(yǔ)該電路簡(jiǎn)單可靠，已用于水表讀頭中。轉(zhuǎn)載：RFID系統(tǒng)中的頻段特點(diǎn)對(duì)一個(gè)RFID系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的頻段概念是指讀寫(xiě)器通過(guò)天線發(fā)送、接收并識(shí)讀的標(biāo)簽信號(hào)頻率范圍。從應(yīng)用概念來(lái)

6、說(shuō)，射頻標(biāo)簽的工作頻率也就是射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率，直接決定系統(tǒng)應(yīng)用的各方面特性。在RFID系統(tǒng)中，系統(tǒng)工作就像我們平時(shí)收聽(tīng)調(diào)頻廣播一樣，射頻標(biāo)簽和讀寫(xiě)器也要調(diào)制到相同的頻率才能工作。射頻標(biāo)簽的工作頻率不僅決定著射頻識(shí)別系統(tǒng)工作原理(電感耦合還是電磁耦合)、識(shí)別距離，還決定著射頻標(biāo)簽及讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)的難易程度和設(shè)備成本。RFID應(yīng)用占據(jù)的頻段或頻點(diǎn)在國(guó)際上有公認(rèn)的劃分，即位于ISM波段。典型的工作頻率有：125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作頻率的不同，RFID標(biāo)簽可以分為低頻(LF)、高頻(

7、HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類(lèi)。不同頻段的RFID工作原理不同，LF和HF頻段RFID電子標(biāo)簽一般采用電磁耦合原理，而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發(fā)射原理。目前國(guó)際上廣泛采用的頻率分布于4種波段，低頻(125KHz)、高頻(13.54MHz)、超高頻(850MHz910MFz)和微波(2.45GHz)。每一種頻率都有它的特點(diǎn)，被用在不同的領(lǐng)域，因此要正確使用就要先選擇合適的頻率。低頻段射頻標(biāo)簽，簡(jiǎn)稱(chēng)為低頻標(biāo)簽，其工作頻率范圍為30kHz300kHz。典型工作頻率有125KHz和133KHz。低頻標(biāo)簽一般為無(wú)源標(biāo)簽，其工作能量通過(guò)電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場(chǎng)中獲得。

8、低頻標(biāo)簽與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，低頻標(biāo)簽需位于閱讀器天線輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。低頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下小于1米。低頻標(biāo)簽的典型應(yīng)用有：動(dòng)物識(shí)別、容器識(shí)別、工具識(shí)別、電子閉鎖防盜(帶有內(nèi)置應(yīng)答器的汽車(chē)鑰匙)等。中高頻段射頻標(biāo)簽的工作頻率一般為3MHz30MHz。典型工作頻率為13.56MHz。該頻段的射頻標(biāo)簽，因其工作原理與低頻標(biāo)簽完全相同，即采用電感耦合方式工作，所以宜將其歸為低頻標(biāo)簽類(lèi)中。另一方面，根據(jù)無(wú)線電頻率的一般劃分，其工作頻段又稱(chēng)為高頻，所以也常將其稱(chēng)為高頻標(biāo)簽。鑒于該頻段的射頻標(biāo)簽可能是實(shí)際應(yīng)用中最大量的一種射頻標(biāo)簽，因而我們只要將高、低理解成為一個(gè)相對(duì)的概念，即不會(huì)造成理解上的混亂

9、。為了便于敘述，我們將其稱(chēng)為中頻射頻標(biāo)簽。中頻標(biāo)簽一般也采用無(wú)源設(shè)主，其工作能量同低頻標(biāo)簽一樣，也是通過(guò)電感（磁）耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場(chǎng)中獲得。標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，標(biāo)簽必須位于閱讀器天線輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。中頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下也小于1米。中頻標(biāo)簽由于可方便地做成卡狀，廣泛應(yīng)用于電子車(chē)票、電子身份證、電子閉鎖防盜（電子遙控門(mén)鎖控制器）、小區(qū)物業(yè)管理、大廈門(mén)禁系統(tǒng)等。超高頻與微波頻段的射頻標(biāo)簽簡(jiǎn)稱(chēng)為微波射頻標(biāo)簽，其典型工作頻率有433.92MHz、862（902）MHz928MHz、2.45GHz,5.8GHz。微波射頻標(biāo)簽可分為有源標(biāo)簽與無(wú)源標(biāo)簽兩類(lèi)。工作時(shí)，射頻標(biāo)簽位于

10、閱讀器天線輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場(chǎng)為無(wú)源標(biāo)簽提供射頻能量，將有源標(biāo)簽喚醒。相應(yīng)的射頻識(shí)別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1m，典型情況為4m6m，最大可達(dá)10m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)的射頻標(biāo)簽可被讀/寫(xiě)。由于閱讀距離的增加，應(yīng)用中有可能在閱讀區(qū)域中同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)射頻標(biāo)簽的情況，從而提出了多標(biāo)簽同時(shí)讀取的需求。目前，先進(jìn)的射頻識(shí)別系統(tǒng)均將多標(biāo)簽識(shí)讀問(wèn)題作為系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。超高頻標(biāo)簽主要用于鐵路車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別、集裝箱識(shí)別，還可用于公路車(chē)輛識(shí)別與自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中。以目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，無(wú)源微波射頻標(biāo)簽比較成功的產(chǎn)品相對(duì)集中

11、在902MHz928MHz工作頻段上。2.45GHz和5.8GHz射頻識(shí)別系統(tǒng)多以半無(wú)源微波射頻標(biāo)簽產(chǎn)品面世。半無(wú)源標(biāo)簽一般采用鈕扣電池供電，具有較遠(yuǎn)的閱讀距離。微波射頻標(biāo)簽的典型特點(diǎn)主要集中在是否無(wú)源、無(wú)線讀寫(xiě)距離、是否支持多標(biāo)簽讀寫(xiě)、是否適合高速識(shí)別應(yīng)用，讀寫(xiě)器的發(fā)射功率容限，射頻標(biāo)簽及讀寫(xiě)器的價(jià)格等方面。對(duì)于可無(wú)線寫(xiě)的射頻標(biāo)簽而言，通常情況下寫(xiě)入距離要小于識(shí)讀距離，其原因在于寫(xiě)入要求更大的能量。微波射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量一般限定在2Kbits以?xún)?nèi)，再大的存儲(chǔ)容量似乎沒(méi)有太大的意義，從技術(shù)及應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，微波射頻標(biāo)簽并不適合作為大量數(shù)據(jù)的載體，其主要功能在于標(biāo)識(shí)物品并完成無(wú)接觸的識(shí)別過(guò)程

12、。典型的數(shù)據(jù)容量指標(biāo)有：lKbits、128Bits、64Bits等。由Auto-IDCenter制定的產(chǎn)品電子代碼EPC的容量為90Bits。微波射頻標(biāo)簽的典型應(yīng)用包括移動(dòng)車(chē)輛識(shí)別、電子閉鎖防盜（電子遙控門(mén)鎖控制器）、醫(yī)療科研等行業(yè)。不同頻率的標(biāo)簽有不同的特點(diǎn)，例如，低頻標(biāo)簽比超高頻標(biāo)簽便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強(qiáng)，工作頻率不受無(wú)線電頻率管制約束，最適合用于含水成分較高的物體，例如水果等；超高頻作用范圍廣，傳送數(shù)據(jù)速度快，但是比較耗能，穿透力較弱，作業(yè)區(qū)域不能有太多干擾，適用于監(jiān)測(cè)港口、倉(cāng)儲(chǔ)等物流領(lǐng)域的物品；而高頻標(biāo)簽屬中短距識(shí)別，讀寫(xiě)速度也居中，產(chǎn)品價(jià)格也相對(duì)便宜，比如應(yīng)用在電子票證

13、一卡通上。目前，不同的國(guó)家對(duì)于相同波段，使用的頻率也不盡相同。歐洲使用的超高頻是868MHz，美國(guó)則是915MHz。日本目前不允許將超高頻用到射頻技術(shù)中。目前在實(shí)際應(yīng)用中，比較常用的是13.56MHz、860MHz960MHz、2.45GHz等頻段。近距離RFID系統(tǒng)主要使用125KHz、13.56MHz等LF和HF頻段，技術(shù)最為成熟；遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)主要使用433MHz、860MHz960MHz等UHF頻段，以及2.45GHz、5.8GHz等微波頻段，目前還多在測(cè)試當(dāng)中，沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用。我國(guó)在LF和HF頻段RFID標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)方面的技術(shù)比較成熟，HF頻段方面的設(shè)計(jì)技術(shù)接近國(guó)際先進(jìn)水平，已經(jīng)

14、自主開(kāi)發(fā)出符合ISO14443TypeA、TypeB和ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID芯片,并成功地應(yīng)用于交通一通和第二代身份證等項(xiàng)目中。2O世紀(jì)8O年代，以磁卡和條形碼作為信息載體，各種身份識(shí)別逐漸廣泛應(yīng)用于我國(guó)服務(wù)領(lǐng)域、物流與企業(yè)管理領(lǐng)域.射頻識(shí)別（radiofrequencyidentification,RFID）卡具有非接觸、操作方便、可靠、識(shí)別率高、壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，2O世紀(jì)9O年代起大規(guī)模應(yīng)用于眾多領(lǐng)域.目前仍有大量基于磁卡和條碼的應(yīng)用系統(tǒng)正在或即將投入使用，這些系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)不少是把磁卡或條碼解碼部分作為獨(dú)立的模塊加以考慮.基于此，提出以下設(shè)想：若能夠采用廉價(jià)只讀RFID卡取代磁卡或

15、條碼，而讓RFID卡閱讀模塊直接替換原來(lái)的磁卡機(jī)芯或條碼解碼模塊，那么，整個(gè)系統(tǒng)不需做什么改動(dòng)，即可投入運(yùn)行或繼續(xù)使用.這樣，不論改造舊系統(tǒng)或過(guò)渡到采用RFID卡的新系統(tǒng)，都可提高效率，減少浪費(fèi)，在當(dāng)前仍有市場(chǎng)和積極的意義.本文介紹的模塊只考慮以只讀的RFID卡替代不需修改信息的磁卡（其他情況讀寫(xiě)卡程序有所不同）.1模塊組成和工作原理本仿真模塊的功能就是解碼讀取只讀RFID卡的信息（通常就是簡(jiǎn)單的序列號(hào)，并仿真磁卡機(jī)芯輸出美國(guó)銀行家協(xié)會(huì)（AmericanbankerSassociation，ABA）磁卡格式數(shù)據(jù)，其組成框圖見(jiàn)圖1.I射師母：4-125常八亦I圖1仿真模塊的組成框圖模塊的關(guān)鍵部分

16、是天線、ATMEL的射頻卡讀寫(xiě)基站芯片U2270B和單片機(jī)AT89C2051.工作時(shí)，基站芯片U2270B通過(guò)天線（一般使用銅制漆包線繞制直徑3cm、線圈100圈即可，電感值為1.35mH）以約125kHz的調(diào)制射頻信號(hào)為RFID卡提供能量（電源），同時(shí)能接收來(lái)自H4001的信息，并以曼徹斯特編碼（Manchester）輸出.而AT89C2051則是從U2270B得到H4001卡的64位信息，根據(jù)曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行解碼，對(duì)數(shù)據(jù)加以校驗(yàn)，獲取其中代表1O位十進(jìn)制序列號(hào)的32位二進(jìn)制數(shù)，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的ABA磁卡格式數(shù)據(jù)，再?gòu)?CLD、CLK、DATA3根信號(hào)線仿真磁卡機(jī)芯輸出數(shù)據(jù).2RFID卡H

17、4001及曼徹斯特編碼圖1所示模塊中，配套使用的RFID卡是EMMicroelectronic公司的H4001，該卡屬于無(wú)源的低頻RFID卡，典型工作頻率為125kHz，工作所需要的能量是通過(guò)電磁耦合單元或天線，以非接觸的方式傳送.當(dāng)獲得足夠能量后，H4001便不斷循環(huán)地往外部發(fā)送其自身的序列號(hào)等64位信息.發(fā)送時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼和信號(hào)調(diào)制.規(guī)則如下：在每個(gè)時(shí)鐘周期（對(duì)應(yīng)1位數(shù)據(jù)）的中間位置，當(dāng)數(shù)據(jù)位為“0”時(shí)電平由高向低跳變，而數(shù)據(jù)位為“1”時(shí)電平由低向高跳變；本模塊的另一種表示方法則恰好相反，其波形如圖2所示.圖2一個(gè)典型數(shù)據(jù)序列的Manchester編碼波形圖對(duì)于采用曼徹斯特編碼的H4001,其數(shù)據(jù)速率為RF/64.假設(shè)基站工作時(shí)的射頻頻率是125kHz,則對(duì)應(yīng)1位的時(shí)鐘(CLOCK)的周期卅6464x10s(T)=512ys.3基站芯片U2270B與模塊電路射頻卡的讀寫(xiě)需要由射頻卡基站芯片來(lái)完成數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)射和射頻的接收以及數(shù)據(jù)的解調(diào)任務(wù).ATMEL公司生產(chǎn)的U2270B是一種低成本、性能完善的低頻(100150kHz)射頻卡基站芯片，采用ManChester編碼和雙相編碼，可用于讀取H4001RFID卡.參照文獻(xiàn)3和5,針對(duì)H4001RFID卡，采用U2270B設(shè)計(jì)的射頻識(shí)別卡讀取模塊的電路見(jiàn)圖3.I