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读卡器EM4305,EM4095.doc

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读卡器EM4305,EM4095.doc

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基于天线线圈的无线数据读写的EM4305读卡器设计
121040036潘益斌
摘要:本文通过天线线圈的互感~为无源芯片供电~并进行数据传输~实现125K的RIFD卡EM4305数据的读写。识读终端硬件为EM4095模块。与传统读卡器实现的计脉冲数采集有效数据不同~本文采用中断的方法采集~避免了脉冲数据采集偏移产生的误差~释放了脉冲信号线~也更容易实现数据解码。关键词:互感EM4095中断数据解码
0引言
传统的数据传输都采用有线总线技术,不仅占用了芯片管脚,也增加了硬件成本,无线数据传输则越来越受到人们青睐。本文提出了一种基于天线线圈的数据传输方式,应用到卡的读写,采用的是射频识别技术。
射频识别技术(RadioFrequencyIdentification,RFID)是利用无线电波对记录媒体进行读写。射频识别的距离可达几十厘米至几米。根据读写的方式,可以输入数千字节的信息,同时,还具有极高的保密性。RFID系统的卡片与读写器之间,无需物理接触即可完成识别,因此,可实现多目标识别和运动目标识别。低频系统有读写短距离、成本低的特点,可用于门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。射频卡就是综合利用RFID技术和IC卡技术开发的新一代卡片。射频卡具有非接触。阅读速度快,无磨损,数据存储量大,使用寿命长的特点,应用广泛,大有取代传统磁卡和接触式IC卡的趋势。与此同时,识别射频卡的设备,读写器的需求也越来越大。本文设计的读卡器属于低频系统,使用EM4095构成读写电路,利用stm32f103完成曼彻斯特解码,实现数据读取。
1无源射频芯片EM4305工作原理
EM4305是CMOS集成电路,主要用于电子射频读写应答器。这款芯片的通信协议与EM4469/4569系列兼容。该芯片具有16个32位的数据块组成了512位EEPROM(),有32位的密码读写保护,与ISO11784/11785标准兼容,
支持曼彻斯特和双相编码两种数据编码方式,可设置多种数据传输速率,通信协议与EM4469/4569系列兼容,工作频率范围为100kz到150kz,具有超低功耗,工作温度范围在-40?到+80?.

该IC是通过内部集成的整流器来供电,当它被放置在磁场中时,内部直流电压开始上升。只要供电电压比上电复位门槛电压低,该电路就处于复位模式以防止不可信的操作。在这种模式下,调制器是关闭的。当供电电压超过门槛电压,该电路就会读取配置字,然后根据读取的配置字进入默认读状态。在配置字读出期间,调制器也是关闭的。当该IC运行在默认读模式,它会检查线圈信号以检测可能来自读卡器(reader)的命令。在读卡器磁场停止时间超过TMONO的情况下,它会打断默认读模式,并且期待读卡器给它发送命令。如果检测到一个有效的命令模式,那么该命令会被执行。执行完命令后,芯片又进入默认读模式。。

2识读终端硬件

读卡器采用的射频读卡芯片为EM4095。。EM4095的引脚SHD和MOD用来操作设备。当SHD为高电平的时候,EM4095为睡眠模式,电流消耗最小。在上电的时候,SHD输入必须是高电平,用来使能正确的初始化操作。当SHD为低电平的时候,回路允许发射射频场,并且开始对天线上的振幅调制信号进行解调。

引脚MOD是用来对125KHz射频信号进行调制的。在该引脚上施加高电平时,天线驱动阻塞,电磁场关闭;在该引脚上施加低电平,将使片上VCO进入自由运行模式,天线上将出现没有经过调制的125KHz的载波。EM4095用作只读模式,引脚MOD没有使用,将它连接至VSS。
锁相环由环滤波、电压控制振荡器和相比较模块组成。通过使用外部电容分压,DEMOD_IN引脚上得到天线上的真实的高电压。这个信号的相和驱动天线驱动器的信号的相进行比较。所以锁相环可以将载波频率锁定在天线的谐振频率上。根据天线种类的不同,系统的谐振频率可以在100kHz到150kHz之间的范围内。当谐振频率在这一范围内的时候,它就会被锁相环锁定。
接收模块解调的输入信号是天线上的电压信号。DEMOD_IN引脚也同来做接收链路的输入信号。DEMOD_IN输入信号的级别应该低于VDD-,高于VSS+。通过外部电容分压可以调节输入信号的级别。分压器增加的电容必须通过相对较小的谐振电容来补偿。振幅调制解调策略是基于“振幅调制同步解调”技术的。接收链路由采样和保持、直流偏置取消、带通滤波和比较器组成。DEMOD_IN上的直流电压信号通过内部电阻设置在AGND引脚上。AM信号被采样,采样通过VCO时钟进行同步,所有的信号直流成分被CDEC电容移除。进一步的滤波把剩下的载波信号、二阶高通滤波器和CDC2带来的高频和低频噪声进一步移除。经过放大和滤波的接收信号传输到异步比较器,比较器的输出被缓存至DEMOD_OUT。

EM4095器件兼容多种传输协议。利用内部锁相环PLL就可得到与天线适合的谐振频率,而无需外接晶体振荡器,工作频率为100-150kHz,具有睡眠模式(与微控制器接口简单,采用调幅同步解调技术,工作电压5V。该器件由输入信号SHD和MOD控制,当MOD=O时,工作于只读模式。当SHD=I时,EM4095为睡眠模式。该器件上电后(SHD应先为高电平,以便器件初始化,然后接低电平。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DMODOUT端输出。
RDY,CLK端向微控制器提供器件内部的状态以及与发射信号同步的参考时
钟。。。发送模块包含了天线驱动和调制;接收模块包含了对由标签天线发送出的调制信号解调。射频信号发送模块由锁相环(PLL)和天线驱动器组成。其中锁相环由环路滤波器、压控振荡器(VCO)、相位比较器组成。天线线圈接收的信号通过耦合电容输入DMODIN端。该信号和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、带通滤波器、比较器组成。DEMOD—IN端输入的AM信号在输出信号VCO的同步控制下被采样(采样输出信号由脚CDEC外接的电容隔离直通和带通滤波采样(即消除输出中的载频成份、高频和低频噪声(经异步比较得到对应的数字信号。

3软件设计分析
EM4305支持两种编码方式,双极性编码和曼彻斯特编码。本文采用曼彻斯特编码。。

。系统上电后,初始化程序,放好卡后,等待按键按下,一旦按下就开始传输数据,操作卡。首先发送操作命令,时序正确,返回00001010,若操作有误返回00000001。发送和接受的数据都是经过处理的,有一定的结构,具体如下:
命令结构:三位加一位奇偶校验位
地址机构:四位地址两位“0”和一位奇偶校验位
数据结构:32为数据包含了四位行校验位和八位列校验位最后为为“0”
写操作执行完后,进入默认读模式。读操作执行时,先将收到的数据存到设定的数组中,再处理将校验位清除,用stm32f103的TFTLCD显示。接收数据采用中断方式,采用曼彻斯特编码过程中,每个数据都有一个沿在中间,通过判断是上升沿还是下降沿,判断接收的数据是“0”还是“1”。
此实现方式对时序要求较严格,一旦时序出错,接收将无法执行。但避免了脉冲数据采集偏移产生的误差,释放了脉冲信号线,也更容易实现数据解码。
进入默认读模式开始
系统初始化
发送写地址发送读地址

是否有键按下发送数据接收数据是
发送操作命令数据处理并显示
错误
返回值接收值单步操作完成
正确

4测试结果
测试方案1
查看曼彻斯特编码后的结果,循环读取连续地址上的数据,输出脚接到示波器上查看输出波形,查看32位数据的编码输出。。
图4。1数据读取波形图

测试方案2
通过写命令先在EM4305卡上写入一个字节,然后用读命令在相同地址上读取字节,解码后看看字节数是否相同,通过TFTLCD显示。实验结果表明,完整地收到了写入的数据。。

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,并以中断实现的方式(提出了一种解决Manchester码解码的软件方法。系统结构合理,可靠性已得到试验验证。
参考文献
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