基于STC12C2052單片機的串口ID讀卡器設計

梁 飛 張紅雨

引言

射頻識別技術RFID是從20世紀80年代發展起來的一項自動識別技術。它是利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標并獲取數據。不同于傳統的磁卡和IC卡。RFID技術解決了無源和無接觸兩大問題，同時它可實現運動目標識別，多目標識別，在交通運輸、門禁安全、身份識別、貨物管理、自動控制、防盜防偽等方面廣泛應用。

低頻射頻識別系統

根據天線理論，無源電子標簽與讀卡器之間的作用距離屬于天線近區場(r<<λ，λ為載波波長)，因此，電子標簽天線與識讀終端天線之間的作用是基于電磁感應原理。由讀卡器產生恒定125kHz左右的載波信號。標簽進入讀卡器的工作區域后，由標簽中的電感線圈和電容組成的諧振回路接收讀卡器發射的載波信號，卡中芯片的射頻接口模塊由此信號產生出電源電壓、復位信號及系統時鐘，使芯片工作；芯片將內存中的數據經曼徹斯特編碼后控制調制器上的開關電流調制到載波上，通過卡上天線回送給讀卡器，讀卡器對接收到的卡回送信號進行ASK解調、解碼后送至后臺計算機輸出。

ID卡內存中存有不可改寫的64位數據，它包含9個開始位(其值均為‘1)、40個數據位(8個廠商信息位+32個數據位)、14個行列校驗位(10位行校驗、4個列校驗)和1個結束停止位。其數據格式見圖1。

當電子標簽向讀卡器回傳信息時，首先傳送9個開始位，由于數據和偶校驗的格式的原因，在后面的數據串中不會出現9個1，保證了數據頭的唯一性；再傳送8位芯片廠商信息，然后再傳送32個數據位。其中15個校驗以及結束位用以跟蹤包含廠商信息在內的40位數據。傳送卡號時，這64位數據通過載波在天線上首尾相

系統硬件設計

圖2給出了基于單片機的低頻ID讀卡器的系統結構。該系統由單片機組成主控模塊，結合載波電路和解調電路對標簽回傳信號進行解碼并向PC傳送數據，同時進行閃燈和響蜂鳴器來提示正確讀取卡號。該系統設計的天線電感值是345μH。天線采用銅制漆包線繞制，漆包線直徑為0.29mm。圓形(內徑)直徑為2cm，115圈。

射頻接口電路

射頻接口電路發射射頻載波信號以啟動電子標簽工作，對標簽返回的信號進行解調。采74HC4060的分頻范圍分別為8～1024、4096～32768：采用74HC4060對4MHz信號進行32分頻得到125KHz載波信號。分頻出來的載波信號通過天線對ID卡提供能量。

接收回路首先采用一個二極管檢波電路進行包絡檢波。選擇適當的RC和二極管可使傳輸系數接近為1，防止隋性失真的產生，包絡檢波器的輸出波形與調幅波包絡線基本一致。再通過運算放大器對信號進行放大，以便通過比較器使模擬信號轉變成數字信號，最終完成ASK的解調輸出。

主控模塊

主控模塊主要實現對解調信號進行解碼，同時將得到的卡號數據通過UART向PC機傳輸。本設計采用STC12C2052單片機作為主控芯片，該單片機成本低，同時兼容8051單片機內核，具有運算速度高，功耗低，內部具有UART模塊，可直接與PC通信，滿足本設計要求。MCU部分電路圖見圖3。

解調電路輸出的已調數字信號從單片機P3.2引腳輸入，P3.2是外部中斷INTO輸入引腳，設置INTO為下降沿中斷。當接收到已調信號時，觸發中斷，同時打開定時器進行計數，在下一中斷到來時，統計計數值進行判斷。采用外部16MHz晶振，R15與C17構成了復位電路：p3.0和p3.1作為UART的RX和TX引腳，構成人機交互接口。P1.4、P1.3分別作為指示燈、蜂鳴器的輸出引腳，平時燈一直為亮，在剛通電與讀到卡時，會閃一下，同時蜂鳴器也會響一下作為警不。

系統軟件設計

系統流程圖如圖4所示。系統上電后首先進行一系列設置，包括UART波特率、定時器計數方式和計數時鐘選擇、外部下降沿中斷觸發式的設置等，設置完成后會響一聲作為提示。然后進行曼徹斯特解碼和奇偶校驗，當奇偶校驗正確之后，將收到的32位卡號數據轉化為10位ASCII碼。單片機會將這10位ASCII碼送人串口數據寄存器中，通過TXD引腳送給PC。通過設置單片機內部寄存器TMOD可以得到需要的波特率。

結語

本讀卡器設計具有電路簡單，成本低，靈敏度高，讀取效率高的特點；在軟件上對曼徹斯特碼進行同步解碼，讀卡速度比較快，由于對載波頻率的變化不敏感，故讀卡成功率非常高：同時可以實現波特率從1200～115200的設置。實際應用表明讀取距離可達到7 cm左右。