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如何制作USB接口ID讀卡器

[日期:2009-12-12] 來源:  作者: [字體: ]

    引言
    USB接口ID讀卡器是射頻識別RFID(Radio Frequency IdentifICation)在125 kHz的具體應用,適用于網吧管理、會員系統、考勤消費發卡器、身份識別前端等。一般的USB接口ID讀卡器大多采用射頻接收模塊和嵌入式微控制器,但成本高,同時解碼程序采用定時查詢或監測信號邊沿狀態的方法進行解碼,這些解碼方法對天線載波頻率以及定時準確度要求較高,當載波稍微偏離規定范圍時將不能正確讀卡。為降低產品的成本同時提高解碼的速度、準確率、敏感度等,筆者創新采用內嵌USB接口的單片機和EM4095設計USB接口ID讀卡器,同時介紹一種新的解碼技術,使得載波頻率偏移不影響解碼,而且無需檢測信號的邊沿狀態,能夠更可靠、快速讀卡。

 


    2 系統總體框架及硬件電路設計
    2.1 系統總體框架
    USB接口的125 kHz ID讀卡器主要包括基于SN8P2201單片機的主控模塊、基于EM4095的射頻模塊、通信模塊(USB)、外部時鐘、光顯示模塊(LED)、聲音提示模塊(蜂鳴器)、電源模塊、天線,如圖l所示。


     ID讀卡器工作過程:USB接通后,紅色LED燈亮,伴隨蜂鳴器鳴叫,表明讀卡器準備就緒。若1 min內無ID卡靠近讀卡器,讀卡器將自動進入睡眠狀態,此時紅色LED燈自動熄滅,綠色LED燈點亮。當有ID卡接近讀卡器時,讀卡器自動激活,綠色LED燈熄滅,紅色LED燈點亮。讀卡器成功讀取ID卡號后,蜂鳴器嗚叫,同時數據通過USB傳輸至PC機。只需打開.txt文件,就可輕松接收數據,無需任何上位機。


    2.2 系統硬件電路設計
    2.2.1 主控和通信模塊電路
    主控和通信模塊電路如圖2所示。SONIX單片機SN8P2201的P1.0、P1.1、P0.0引腳分別控制射頻器件EM4095工作狀態、接收解碼的同步時鐘、接收解調數據。


     SN8P2201引腳5連接復位電路,電阻R6和電容C8組成基本RC復位電路。該復位電路在系統上電時能夠為復位引腳提供一個緩慢上升的復位信號,該復位信號上升速度低于VDD的上電速度,從而為系統提供合理復位時序,當復位引腳檢測到高電平時,系統復位結束,進入正常工作狀態;對于電源異常情況,二極管正向導通使C1快速放電并與VDD保持一致,避免復位引腳持續高電平,系統無法正常復位;R7是必不可少的限流電阻。
    而通信電路USB,SN8P2201的D+、D一引腳只接適當電容和電阻,就可與單片機內部數據進行USB通信,電路簡單。需注意的是:VREG和GND之間連接1μF電容有助于3.3 V穩壓器穩定輸出,應盡可能靠近SN8P2201放置。


    2.2.2 射頻收發電路設計
    射頻器件EM4095通過天線連續發射射頻載波信號,為電子標簽提供能量,激活電子標簽;調制發射信號,將數據通過天線傳送給電子標簽;通過天線接收電子標簽發射信號,并解調所接收的信號,從而得到電子標簽中的數據,傳送給單片機做進一步處理。圖3為射頻收發電路。


       LA(天線電感值)、C4、C5、C9、C10和C11組成LC串聯諧振天線,諧振頻率為其中C0=C4||C10||C11+C5||C9。天線的工作電流與諧振電路Q值有關,可在天線線圈LA上并聯一只電阻,調節Q值。
    EM4095的DEMOND_IN引腳輸入AM信號在VCO輸出信號的同步控制下被采樣,采樣輸出信號由引腳CDEC外接電容隔直和帶通濾波采樣(消除輸出中的載頻成分、高頻和低頻噪聲)后,經異步比較得到對應的數字信號。接收時,天線感生信號經耦合電容輸入引腳DEMOND_IN,該信號與天線驅動器的輸入信號由相位比較器進行相位比較,形成與相位差對應的電壓,作為壓控振蕩器的控制信號,最終鎖定天線發射信號頻率。RDY/CL發射的方波是同天線處載波的頻率相同且同步,通過它傳給單片機來計算同步載波的周期數。DEMOND_OUT是AM模塊攜帶的數字信號的輸出。SHD=1,EM4095為睡眠狀態。上電后,先為高電平以便初始化,然后為低電平開始發送數據。MOD接地表示只讀模式。


    2.2.3 其他模塊電路設計
    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0.29 mm。圓形(內徑)直徑為2 cm,115圈。讀卡器直接通過USB提供+5 V電壓,使單片機和EM4095正常工作,無需外接電源以及額外的5 V穩壓器等,這樣電源模塊電路設計簡單,且節省成本。采用6 MHz晶振為單片機提供外部高速時鐘。


    2.3 硬件測試
    EM4095的調試首先檢查有無時鐘輸出。不管電子標簽是否靠近讀寫器,上電后RDY/CLK引腳始終輸出時鐘信號,否則說明EM4005未開始工作。當確定輸出時鐘后,可以把電子標簽放在讀寫器的工作范圍內,通過示波器觀察SHD引腳的電平是否由高變低,DEMOD_OUT引腳是否有數據波形輸出,若有則說明EM4005工作正常。此時,將RDY/CLK引腳接到示波器,觀察其波形,通過調整C4,C10,C11的值,使輸出方波的頻率接近125 kHz。


    3 系統軟件設計
    圖4為軟件設計總體流程。該流程基本說明讀卡器工作的全過程。


     圖5中,wk05是幀頭計數器,time是計算RDY/CLK引腳載波的周期數。在中斷的第一個下降沿到來時,啟動time周期計數。尋找幀頭時,只要time≈64,都將其譯碼成1。在找到8個連續“1”后,這時下降沿間隔會出現上述3種情況,根據Tag標志位來譯碼。在找到9個“l”后,才會把譯碼的數據送入BUFFER,再經奇偶校驗正確后,發送給PC機。


    4 結束語
    USB接口的125 kHz ID讀卡器設計簡單,成本低廉,而且在程序中就可將USB發送的數據轉換成鍵盤數據,無需任何上位機就可接收數據,操作更簡單。同時軟件采用解碼方法可以在讀曼徹斯特碼的同時進行同步解碼,速度較快,而且由于對載波頻率的變化不敏感,故讀卡成功率非常高。讀卡的距離可達5 em,時間小于200 ms。


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