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非接觸式e5551讀寫器的開發
摘要：介紹了非接觸式ｅ５５５１卡工作原理和與單片機的接口，給出了非接觸式ｅ５５５１卡讀寫器的硬件電路和讀卡、寫卡程序流程圖。關鍵詞：非接觸式卡 射頻識別 讀寫器 RF
射頻識別ＲＦＩＤ?Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ?技術是二十世紀九十年代興起的一項自動識別技術，它利用無線射頻方式進行非接觸式雙向通信。ＲＦＩＤ系統中卡片與讀寫器之間無須物理接觸即可完成識別，可實現多目標識別和運動目標識別，應用范圍更加廣泛。
根據工作頻率不同，ＲＦＩＤ系統可分為低頻、中頻、高頻系統。低頻系統一般工作在１００ｋＨｚ～５００ｋＨｚ，中頻系統工作在１０ＭＨｚ～１５ＭＨｚ，它們主要適用于短距離、低成本識別?高頻系統工作在８５０ＭＨｚ～９５０ＭＨｚ以及２．４ＧＨｚ～５ＧＨｚ的微波段，適用于距離長、讀寫數據率高的場合。本文介紹的ｅ５５５１ ＲＦＩＤ系統屬于低頻系統，工作頻率范圍為１００ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ，最大識別距離約為２０ｃｍ。
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１ 非接觸式ｅ５５５１卡工作原理
ｅ５５５１ ＲＦＩＤ系統組成如圖１所示。其中ＰＣ通過ＲＳ４８５通信遠程操作ｅ５５５１讀寫器。讀寫器利用微控制器（ＭＣＵ）與ｅ５５５１卡進行交互讀寫。
通過ｅ５５５１卡內線圈在特定交變磁場?１００ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ?中耦合，ｅ５５５１獲得感應電流，再通過整流得到直流加到卡內電路，ｅ５５５１得到工作電壓和電流。通過讀寫器的線圈感應ｅ５５５１卡產生的磁場來讀取ｅ５５５１發送的數據。
１．１ ｅ５５５１卡的存儲結構
ｅ５５５１卡內置２６４位ＥＥＰＲＯＭ。這些ＥＥＰＲＯＭ共分為８塊，每塊３３位，其分布如圖２所示。其中ＢＬＯＣＫ０存儲ｅ５５５１卡的參數設置信息；ＢＬＯＣＫ７在口令加密功能啟動時存放ｅ５５５１卡的讀寫控制密碼，當加密功能沒有使用時存放用戶數據；其它六個存儲塊存放各種數據。
１．２ ｅ５５５１卡工作參數的設定
ＢＬＯＣＫ０用于設置ｅ５５５１卡的各種操作特性，如同步信號、數據流格式、數據流長度、加密、口令喚醒和停止發射的啟用／關閉等。
（１）位率（Ｂｉｔｒａｔｅ）設定：位率可設置為ＲＦ／８、ＲＦ／１６、ＲＦ／３２、ＲＦ／４０、ＲＦ／５０、ＲＦ／６４、ＲＦ／１００、ＲＦ／１２８，由第１２、１３、１４位確定。其中ＲＦ指載波頻率?Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?。
（２）調制方式設定：調制方式由兩部分組成。第一部分為二進制編碼方式，有直接編碼、曼切斯特編碼和雙相位編碼三種方式，由第１６、１７位確定；第二部分為頻率調制方式，有相位鍵控、頻率鍵控和直接編碼三種方式，由第１８、１９、２０位確定。
（３）口令加密設定：由第２８位決定。該位置１啟動口令加密功能，在啟動口令加密功能前應該事先在ＢＬＯＣＫ７寫入密碼。啟動口令加密功能后，用戶對ｅ５５５１卡中數據進行修改均要求提供密碼驗證，密碼正確時修改有效，否則修改無效。
圖3 e5551芯片上電后線圈兩端的電壓
（４）請求應答（Ａｎｓｗｅｒ Ｏｎ Ｒｅｑｕｅｓｔ）設定：由第２３位決定。該位置１啟動ＡＯＲ功能，這時ｅ５５５１卡進入射頻區后不主動發射數據，由基站給ｅ５５５１卡發射喚醒命令后再發射數據。該功能要求首先啟動口令加密功能，即基站喚醒ｅ５５５１卡必須在喚醒命令序列中向ｅ５５５１卡發射口令密碼，ｅ５５５１卡檢測到合法喚醒命令時才恢復發射數據。
（５）同步信號設定：ｅ５５５１卡可以使用兩種不同的同步信號—Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ和Ｂｌｏｃｋ Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ。Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ在每個數據循環開始時出現；Ｂｌｏｃｋ Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ在每個ＢＬＯＣＫ數據開始時出現。兩種同步信號分別由第２９、３０位確定，它們既可以獨立使用也可以結合使用。
（６）發射最大數據塊數設定（ＭＡＸＢＬＫ）：由第２５、２６、２７位確定。當ＭＡＸＢＬＫ設置為０時，ｅ５５５１卡只發射ＢＬＯＣＫ０的數據給基站；當設置為１時?ｅ５５５１卡只發射ＢＬＯＣＫ１的數據給基站；當設置為２時，ｅ５５５１卡發射ＢＬＯＣＫ１和ＢＬＯＣＫ ２的數據給基站，余者依次類推。在啟動口令加密功能后ＭＡＸＢＬＫ的值應小于７，這樣ｅ５５５１將不發射ＢＬＯＣＫ７的數據。
２ ｅ５５５１卡的讀寫
２．１ ｅ５５５１卡的讀
讀ｅ５５５１卡是指Ｕ２２７０Ｂ通過ＭＣＵ進行讀卡。在ｅ５５５１卡內部，有個與ｅ５５５１芯片相連的線圈，該線圈是ｅ５５５１芯片供電與讀卡器的雙向通信接口。ｅ５５５１卡就是利用該線圈產生具有阻尼特性的載頻信號向讀卡器發送數據。具體工作原理如圖３所示。
當ｅ５５５１卡接近讀卡器時，由讀卡器振蕩電路產生的磁場感應ｅ５５５１卡內的ＬＣ調諧電路產生感應電流，該電流經過ｅ５５５１芯片內的整流器和過壓保護電路得到ｅ５５５１芯片的直流工作電壓，形成上電復位，對應圖３中的第一段；接著讀取ｅ５５５１芯片內ＢＬＯＣＫ０的數據，即圖３中的第二段；約２ｍｓ后，ｅ５５５１卡按照設定的工作模式發送數據，首先從ＢＬＯＣＫ１的第一位開始，直到ＭＡＸＢＬＫ所設定的最大塊的最后一位。
２．２ ｅ５５５１卡的寫
寫ｅ５５５１卡指Ｕ２２７０Ｂ通過ＭＣＵ進行寫卡。讀卡器通過對ｅ５５５１卡內流過線圈的電流間隔性中斷實現寫卡，用電流流過ｅ５５５１卡內線圈的持續時間實現對０和１的編碼。詳細過程如圖４所示。
ｅ５５５１卡讀完ＢＬＯＣＫ０數據后進入默認的讀卡操作，如圖４左半部分。若檢測到起始電流中斷，則ｅ５５５１卡觸發寫卡操作，即圖４的右半部分。電流中斷持續時間一般為５０μｓ～１５０μｓ，但為了便于可靠地檢測起始電流中斷，起始電流中斷一般大于１５０μｓ。一般地，電流持續２４個磁場脈沖周期編碼為０，電流持續５６個磁場脈沖周期編碼為１。當電流持續了６４個磁場脈沖周期后仍未檢測到電流中斷，ｅ５５５１卡自動退出寫卡模式。如果前面寫卡數據正確就開始將數據編程寫入ｅ５５５１芯片的ＥＥＰＲＯＭ，否則進行讀卡操作。
圖5 讀寫器硬件接口電路
３ 讀寫器
３．１ 硬件接口
Ｕ２２７０Ｂ是與ｅ５５５１卡配套的一種近距離非接觸式讀寫基站芯片，它所產生的載波頻率為１００ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ，工作電壓為５Ｖ或１２Ｖ，適用于曼徹斯特編碼或雙相位編碼，與微控制器有兼容接口。配上小量外圍元件構成的讀卡器電路如圖５所示。
圖５中用電阻Ｒ５、電容Ｃ６組成選頻電路，去掉高頻及低頻，讓１００ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ頻率通過，與Ｕ２２７０Ｂ內部電路共同構成解調電路；用天線與內部驅動電路形成１２５ｋＨｚ電磁場發射電路，傳輸能量；用４個二極管形成反饋電路穩定頻率；用電阻Ｒ１及Ｒ７調節發射頻率；通過二極管Ｄ５進行信號整形。
３．２ 軟件編程
本文以曼徹斯特編碼、ＲＦ／３２為例介紹ｅ５５５１軟件編程。采用曼徹斯特編碼調制的數據，位數據１對應著電平上跳，位數據０對應著電平下跳。設ＲＦ＝１２５ｋＨｚ，位傳送速率Ｂｉｔｒａｔｅ＝ＲＦ／３２，則每傳送一位數據的時間（位傳送周期）為：
１Ｐ＝32/125kHz＝２５６μｓ
圖6 讀卡流程圖
在一串數據序列中，兩個相鄰位數據傳送跳變時間間隔為１Ｐ。若相鄰位數據極性相同，則在該兩次數據傳送電平跳變之間，有一次非數據傳送的電平空跳。程序開始時先等待一個ＴＳ＝２７０μｓ～３３０μｓ高電平同步信號，然后按上述編碼規則逐個檢測電平變化并記錄對應時間Ｔ１或Ｔ２，Ｔ１＝９０μｓ～１８０μｓ，Ｔ２＝２１０μｓ～３００μｓ。如前一數據為１的情況下，測得高電平時間為Ｔ１，對應下降沿無效，應接著測下一上升沿并得１；若測得高電平時間為Ｔ２，對應下降沿有效并得０。如前一數據為０的情況下，測得低電平時間為Ｔ１，對應上升沿無效，應接著測下一下降沿并得０；若測得低電平時間為Ｔ２，對應上升沿有效并得１。據此即可以串行方式讀出卡內的數據。讀卡程序流程圖如圖６所示。
寫卡時，寫０，ＣＦＥ＝１持續１９２μｓ，然后ＣＦＥ＝０持續２８０μｓ；寫１，ＣＦＥ＝１持續４４８μｓ，然后ＣＦＥ＝０持續２８０μｓ。寫卡程序流程圖如圖７所示。
ｅ５５５１卡是一種低成本非接觸式卡，雖然容量較小，但也能用于許多場合，如門禁系統、考勤系統等。如果硬件和軟件設計合理，進一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、讀寫電路簡單，應用必然更加廣泛。
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