125K非接触ID卡读卡器设计
无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感应、电磁场或电磁波为传输手段，完成非接触式双向通信、获取相关数据的一种自动识别技术。该技术完成识别工作时无须人工干预，易于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便，已经得到了广泛的应用。
目前存在的一些读卡器，都需要读卡芯片作为基站，成本较高。本文介绍了一种采用分立元件构成的125 kHz RFID阅读器，电路结构简单，成本极低，用于读取EM4100型ID卡。
1 RFID系统的分类
RFID系统的分类方法有很多，在通常应用中都是根据频率来分，根据不同的工作频率，可将其分为以下四种：
(1)低频(120～135 kHz)。该频段具有很强的场穿透性，使用不受限制，性能不受环境影响，价格低廉，最大识别距离一般小于60 cm，主要应用于门禁、“一卡通”消费管理、车辆管理等系统；
(2)高频(10～15 MHz)。该频段与低频相比，具有防冲撞、能同时识别多个标签的优点，但其性能受环境影响，识别距离一般小于100 cm，主要应用于图书管理、物流等系统；
(3)超高频(850～960 MHz)。该频段较高频相比，具有可实现长距离识别的的优点，最大识别距离可达10 m，但其性能受环境影响较大，价格也较贵，主要应用于铁路车辆识别、集装箱识别等系统；
(4)微波(2．45～5．8 GHz)。该频段可实现远距离识别，识别距离可达100 m，但其价格也最贵，主要应用于智能交通系统中。
2 RFID系统的组成
射频识别系统一般由阅读器、电子标签、天线三部分组成。
(1)阅读器：读取或读／写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的标识信息进行解码，将标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，许多阅读器还有附加的接口(RS 232，RS 485等)，以便将所获得的数据传输给另外的系统(如个人计算机)，其系统结构框图如图1所示。
125K非接触ID卡读卡器设计－中国一卡通
(2)电子标签(应答器)：由芯片及内置天线组成，芯片内保存有一定格式的电子数据，放在被识别物体上，作为待识别物品的标识性信息，它是射频识别系统真正的数据载体，内置天线用于和射频天线间进行通信。通常，应答器没有自己的供电电源，只有在阅读器的响应范围以内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，是通过耦合单元(非接触的)传输给应答器的。
(3)天线：标签与阅读器之间数据传输的载体。
3 硬件电路设计
本设计以AVR系列单片机ATmega8作为微控制器。Atmel公司的AVR是8位单片机中第一个真正采用RSIC结构的单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1 MLPS／MHz的高速运行处理能力。
125K非接触ID卡读卡器设计－中国一卡通
硬件电路如图2所示，在图2中①为载波产生及功率放大电路，由单片机的T／C2工作于CTC模式，产生标准125 kHz载波信号，经过限流电阻R1后送入推挽式连接的三极管功率放大电路，放大后的载波信号通过天线发射出去。天线L1与电容C1构成串联谐振电路，谐振频率为125 kHz，谐振电路的作用是使天线上获得最大的电流，从而产生最大的磁通量，获得更大的读卡距离。②为检波电路，检波电路用来去除125 kHz载波信号，还原出有用数据信号。R2，D1，R3，C2构成基本包络检波电路，C3为耦合电容，R4，C4为低通滤波电路，D2，D3为保护二极管，输出接到滤波放大电路。③为滤波放大电路，滤波放大电路采用集成运放LM358对检波后的信号进行滤波整形放大，放大后的信号送入单片机的定时／计数器T1的输入捕捉引脚ICPl，由单片机对接收到的信号进行解码，从而得到ID卡的卡号。
4 软件设计
本系统的软件设计包括两部分：125 kHz载波的产生和ID卡解码。载波信号产生相对简单，可利用单片机的T／C2，使其工作于CTC模式，比较匹配时使输出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解码软件设计相对较复杂，要对ID卡进行解码，首先应掌握ID卡的存储格式和数据编码方式。
4．1 EM4100数据存储格式
图3是EM4100的64位数据信息，它由5个区组成：9个引导位、10个行偶校验位“PO～P9'’、4个列偶校验位“PC0～PC3”、40个数据位“D00～D93”和1个停止位S0。9个引导位是出厂时就已掩膜在芯片内的，其值为“111111111”，当它输出数据时，首先输出9个引导位，然后是10组由4个数据位和1个行偶校验位组成的数据串，其次是4个列偶校验位，最后是停止位“0”。“D00～D13”是一个8位的晶体版本号或ID识别码。“D20～D93”是8组32位的芯片信息，即卡号。
每当EM4100将64个信息位传输完毕后，只要ID卡仍处于读卡器的工作区域内，它将再次按照图3顺序发送64位信息，如此重复，直至ID卡退出读卡器的有效工作区域。
4．2 EM4100数据编码方式
EM4100采用曼彻斯特编码，如图4所示：位数据“1”对应着电平下跳，位数据“0”对应着电平上跳。在一串数据传送的数据序列中，两个相邻的位数据传送跳变时间间隔应为1P。若相邻的位数据极性相同(相邻两位均为“O”或“1”)，则在两次位数据传送的电平跳变之间，有一次非数据传送的、预备性的(电平)“空跳”。电平的上跳、下跳和空跳是确定位数据传送特征的判据。在曼彻斯特码调制方式下，M4100每传送一位数据的时间是64个振荡周期，其值由RF／n决定。若载波频率为125 kHz，则每传送一位的时间为振荡周期的64分频，即位传送时间为：1P=64／125 kHz=512μs，则半个周期的时间为256μs。
4．3 解码软件设计
ATmega8单片机T／C1的输入捕捉功能是AVR定时／计数器的一个非常有特点的功能，T／C1的输入捕捉单元可用于精确捕捉一个外部事件的发生，记录事件发生的时间印记。当一个输入捕捉事件发生时，T／C1的计数器TCNTl中的计数值被写入输入捕捉寄存器ICRl中，并置位输入捕获标志位ICFl，产生中断申请。可通过设置寄存器TCCRlB的第6位ICESl来设定输入捕捉信号触发方式。本系统利用单片机的输入捕捉功能进行解码。
由曼彻斯特编码特点可知，每位数据都由半个周期的高电平和半个周期的低电平组成，因此可将一个位数据拆分为两位，即位数据“1”可视为“10”，位数据“O”可视为“01”，则64位数据可视为由128位组成。为了获得完整且连续存放的64位ID信息，在此接收两轮完整的64位数据，即接收256位。则上一轮接收到的停止位后紧跟着的必然是本轮接收到的起始位，据此找出起始同步头。再根据曼码特点获得ID卡的有效数据(“10”解码为“1”；“01”解码为“O”)并进行LCR校验，若校验无误，则将ID卡号输出至PC机，并准备下一次的解码；否则，直接准备下一次解码。 另外，在程序中首先定义一个数组bit[256]用来存放接收到的数据；定义一个变量flag用来标记256位数据接收完成；定义一个变量error用来标记校验有错误产生。由于无ID卡靠近读卡器的有效工作区时，单片机输入捕捉引脚输入的是高电平，因此在主程序中先设定为下降沿触发，清零计数器TCNTl，打开T／C1的输入捕捉功能。主程序流程图如图5所示。
在输入捕捉中断程序中定义一个触发沿标志tr=1(用于表示由下降沿引起的触发)，同时定义一个无符号字符型变量i用来对接收到的数据个数进行计数，由于无符号字符型数据的取值范围为O～255，所以当接收完256位时，i的值再次变为0。接着判断是否为合法跳变，由以上分析可知，电平跳变的时间为256μs或512μs为合法跳变。本系统使用8 MHz时钟，T／C1设置为无预分频，则系统周期为O．125μs，则256μs对应计数值应为2 048，512μs对应计数值应为4 096。取计数值TCNTl小于5 000为合法跳变依据，若TC-NTl大于5 000，则认为是由干扰信号产生的非法跳变，并将其忽略，取TCNTl介于3 000～5 000之间为512μs跳变依据。若为合法跳变，由于是下降沿触发的中断，则认为接收到一位数据“1”；若为合法跳变且3 000<TCNTl<5 000，则认为接收到两位数据“1”。
再将输入捕捉触发方式改为上升沿触发，设定触发沿标志tr=0(用于表示由上升沿引起的触发)。当中断是由上升沿触发时，执行类似操作。图6为中断处理程序流程图。
5 结语
本设计硬件电路中功放和检波部分采用分立元件构成，无需读卡基站芯片，电路结构简单，成本极低；软件部分采用C语言进行编写，提出了一种曼彻斯特编码的解码方法。由于RS 232的传输距离最大只有15 m，因此对于需要远距离数据传送的场合，可以通过加入RS 485电路以提高传输距离，从而实现远距离数据采集以及实行有关控制。在一些需要较远读卡距离的应用中，可通过改进功率放大电路(例如采用D类功率放大电路)来提高功放的效率，从而增大发射功率，增大读卡距离。通测试，系统可成功实现对EM4100 ID卡的读取，经过微调天线，最大读取距离可达15 cm，且读卡稳定、成功率高，可将其应用于门禁、公交等系统。
目前存在的一些读卡器，都需要读卡芯片作为基站，成本较高。本文介绍了一种采用分立元件构成的125 kHz RFID阅读器，电路结构简单，成本极低，用于读取EM4100型ID卡。
1 RFID系统的分类
RFID系统的分类方法有很多，在通常应用中都是根据频率来分，根据不同的工作频率，可将其分为以下四种：
(1)低频(120～135 kHz)。该频段具有很强的场穿透性，使用不受限制，性能不受环境影响，价格低廉，最大识别距离一般小于60 cm，主要应用于门禁、“一卡通”消费管理、车辆管理等系统；
(2)高频(10～15 MHz)。该频段与低频相比，具有防冲撞、能同时识别多个标签的优点，但其性能受环境影响，识别距离一般小于100 cm，主要应用于图书管理、物流等系统；
(3)超高频(850～960 MHz)。该频段较高频相比，具有可实现长距离识别的的优点，最大识别距离可达10 m，但其性能受环境影响较大，价格也较贵，主要应用于铁路车辆识别、集装箱识别等系统；
(4)微波(2．45～5．8 GHz)。该频段可实现远距离识别，识别距离可达100 m，但其价格也最贵，主要应用于智能交通系统中。
2 RFID系统的组成
射频识别系统一般由阅读器、电子标签、天线三部分组成。
(1)阅读器：读取或读／写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的标识信息进行解码，将标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，许多阅读器还有附加的接口(RS 232，RS 485等)，以便将所获得的数据传输给另外的系统(如个人计算机)，其系统结构框图如图1所示。
125K非接触ID卡读卡器设计－中国一卡通
(2)电子标签(应答器)：由芯片及内置天线组成，芯片内保存有一定格式的电子数据，放在被识别物体上，作为待识别物品的标识性信息，它是射频识别系统真正的数据载体，内置天线用于和射频天线间进行通信。通常，应答器没有自己的供电电源，只有在阅读器的响应范围以内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，是通过耦合单元(非接触的)传输给应答器的。
(3)天线：标签与阅读器之间数据传输的载体。
3 硬件电路设计
本设计以AVR系列单片机ATmega8作为微控制器。Atmel公司的AVR是8位单片机中第一个真正采用RSIC结构的单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达1 MLPS／MHz的高速运行处理能力。
125K非接触ID卡读卡器设计－中国一卡通
硬件电路如图2所示，在图2中①为载波产生及功率放大电路，由单片机的T／C2工作于CTC模式，产生标准125 kHz载波信号，经过限流电阻R1后送入推挽式连接的三极管功率放大电路，放大后的载波信号通过天线发射出去。天线L1与电容C1构成串联谐振电路，谐振频率为125 kHz，谐振电路的作用是使天线上获得最大的电流，从而产生最大的磁通量，获得更大的读卡距离。②为检波电路，检波电路用来去除125 kHz载波信号，还原出有用数据信号。R2，D1，R3，C2构成基本包络检波电路，C3为耦合电容，R4，C4为低通滤波电路，D2，D3为保护二极管，输出接到滤波放大电路。③为滤波放大电路，滤波放大电路采用集成运放LM358对检波后的信号进行滤波整形放大，放大后的信号送入单片机的定时／计数器T1的输入捕捉引脚ICPl，由单片机对接收到的信号进行解码，从而得到ID卡的卡号。
4 软件设计
本系统的软件设计包括两部分：125 kHz载波的产生和ID卡解码。载波信号产生相对简单，可利用单片机的T／C2，使其工作于CTC模式，比较匹配时使输出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解码软件设计相对较复杂，要对ID卡进行解码，首先应掌握ID卡的存储格式和数据编码方式。
4．1 EM4100数据存储格式
图3是EM4100的64位数据信息，它由5个区组成：9个引导位、10个行偶校验位“PO～P9'’、4个列偶校验位“PC0～PC3”、40个数据位“D00～D93”和1个停止位S0。9个引导位是出厂时就已掩膜在芯片内的，其值为“111111111”，当它输出数据时，首先输出9个引导位，然后是10组由4个数据位和1个行偶校验位组成的数据串，其次是4个列偶校验位，最后是停止位“0”。“D00～D13”是一个8位的晶体版本号或ID识别码。“D20～D93”是8组32位的芯片信息，即卡号。
每当EM4100将64个信息位传输完毕后，只要ID卡仍处于读卡器的工作区域内，它将再次按照图3顺序发送64位信息，如此重复，直至ID卡退出读卡器的有效工作区域。
4．2 EM4100数据编码方式
EM4100采用曼彻斯特编码，如图4所示：位数据“1”对应着电平下跳，位数据“0”对应着电平上跳。在一串数据传送的数据序列中，两个相邻的位数据传送跳变时间间隔应为1P。若相邻的位数据极性相同(相邻两位均为“O”或“1”)，则在两次位数据传送的电平跳变之间，有一次非数据传送的、预备性的(电平)“空跳”。电平的上跳、下跳和空跳是确定位数据传送特征的判据。在曼彻斯特码调制方式下，M4100每传送一位数据的时间是64个振荡周期，其值由RF／n决定。若载波频率为125 kHz，则每传送一位的时间为振荡周期的64分频，即位传送时间为：1P=64／125 kHz=512μs，则半个周期的时间为256μs。
4．3 解码软件设计
ATmega8单片机T／C1的输入捕捉功能是AVR定时／计数器的一个非常有特点的功能，T／C1的输入捕捉单元可用于精确捕捉一个外部事件的发生，记录事件发生的时间印记。当一个输入捕捉事件发生时，T／C1的计数器TCNTl中的计数值被写入输入捕捉寄存器ICRl中，并置位输入捕获标志位ICFl，产生中断申请。可通过设置寄存器TCCRlB的第6位ICESl来设定输入捕捉信号触发方式。本系统利用单片机的输入捕捉功能进行解码。
由曼彻斯特编码特点可知，每位数据都由半个周期的高电平和半个周期的低电平组成，因此可将一个位数据拆分为两位，即位数据“1”可视为“10”，位数据“O”可视为“01”，则64位数据可视为由128位组成。为了获得完整且连续存放的64位ID信息，在此接收两轮完整的64位数据，即接收256位。则上一轮接收到的停止位后紧跟着的必然是本轮接收到的起始位，据此找出起始同步头。再根据曼码特点获得ID卡的有效数据(“10”解码为“1”；“01”解码为“O”)并进行LCR校验，若校验无误，则将ID卡号输出至PC机，并准备下一次的解码；否则，直接准备下一次解码。 另外，在程序中首先定义一个数组bit[256]用来存放接收到的数据；定义一个变量flag用来标记256位数据接收完成；定义一个变量error用来标记校验有错误产生。由于无ID卡靠近读卡器的有效工作区时，单片机输入捕捉引脚输入的是高电平，因此在主程序中先设定为下降沿触发，清零计数器TCNTl，打开T／C1的输入捕捉功能。主程序流程图如图5所示。
在输入捕捉中断程序中定义一个触发沿标志tr=1(用于表示由下降沿引起的触发)，同时定义一个无符号字符型变量i用来对接收到的数据个数进行计数，由于无符号字符型数据的取值范围为O～255，所以当接收完256位时，i的值再次变为0。接着判断是否为合法跳变，由以上分析可知，电平跳变的时间为256μs或512μs为合法跳变。本系统使用8 MHz时钟，T／C1设置为无预分频，则系统周期为O．125μs，则256μs对应计数值应为2 048，512μs对应计数值应为4 096。取计数值TCNTl小于5 000为合法跳变依据，若TC-NTl大于5 000，则认为是由干扰信号产生的非法跳变，并将其忽略，取TCNTl介于3 000～5 000之间为512μs跳变依据。若为合法跳变，由于是下降沿触发的中断，则认为接收到一位数据“1”；若为合法跳变且3 000<TCNTl<5 000，则认为接收到两位数据“1”。
再将输入捕捉触发方式改为上升沿触发，设定触发沿标志tr=0(用于表示由上升沿引起的触发)。当中断是由上升沿触发时，执行类似操作。图6为中断处理程序流程图。
5 结语
本设计硬件电路中功放和检波部分采用分立元件构成，无需读卡基站芯片，电路结构简单，成本极低；软件部分采用C语言进行编写，提出了一种曼彻斯特编码的解码方法。由于RS 232的传输距离最大只有15 m，因此对于需要远距离数据传送的场合，可以通过加入RS 485电路以提高传输距离，从而实现远距离数据采集以及实行有关控制。在一些需要较远读卡距离的应用中，可通过改进功率放大电路(例如采用D类功率放大电路)来提高功放的效率，从而增大发射功率，增大读卡距离。通测试，系统可成功实现对EM4100 ID卡的读取，经过微调天线，最大读取距离可达15 cm，且读卡稳定、成功率高，可将其应用于门禁、公交等系统。
RFID技术改善了医疗行业的5大方面
RFID不只是在服装领域作出了贡献，它的技术可以说在各个行业的领域都带来了一些简便且能提升效率的方法，例如：物流、交通、零售、商超、医疗、军事、资产管理、人员定位、包裹追踪、几乎需要管理的场所，它都能带来一定的帮助!
1. 改进手术器械跟踪
许多医院正在使用该技术来跟踪手术器械和其他物品，以此通过消除手动计数来节省时间，确保每个物品被适当灭菌来降低感染的风险，以及更好的管理库存 。
2. 改善患者安全性
除了确保器械正确灭菌以外，RFID还可用于使用“智能”柜安全的管理医院中的药物。RFID患者腕带还可以帮助确保患者在适当的时间接受每种药物适当的剂量。在一些机构中，RFID甚至已被用于跟踪痴呆患者的位置已防止其走失。
3. 更好的供应链管理
医院正面临降低成本越来越大的压力。通过使用RFID追踪供应品和医疗设备的库存，供应商可以创建解决方案，根据实时库存信息自动触发供应订单。这可以帮助避免不必要的订单，并确保员工可以访问他们所需要的材料。
4. UDI合规性
FDA要求医疗设备制造商唯一标识医疗设备，以帮助简化跟踪和召回管理。通过将RFID标签用于UDI应用，制造商可以保持兼容性，同时允许医疗一共这更容易在医疗结构内跟踪和管理他们的设备，所有这些都没有条形码的视线扫描要求。因此更精准、更简便、也更节省时间。
1. 改进手术器械跟踪
许多医院正在使用该技术来跟踪手术器械和其他物品，以此通过消除手动计数来节省时间，确保每个物品被适当灭菌来降低感染的风险，以及更好的管理库存 。
2. 改善患者安全性
除了确保器械正确灭菌以外，RFID还可用于使用“智能”柜安全的管理医院中的药物。RFID患者腕带还可以帮助确保患者在适当的时间接受每种药物适当的剂量。在一些机构中，RFID甚至已被用于跟踪痴呆患者的位置已防止其走失。
3. 更好的供应链管理
医院正面临降低成本越来越大的压力。通过使用RFID追踪供应品和医疗设备的库存，供应商可以创建解决方案，根据实时库存信息自动触发供应订单。这可以帮助避免不必要的订单，并确保员工可以访问他们所需要的材料。
4. UDI合规性
FDA要求医疗设备制造商唯一标识医疗设备，以帮助简化跟踪和召回管理。通过将RFID标签用于UDI应用，制造商可以保持兼容性，同时允许医疗一共这更容易在医疗结构内跟踪和管理他们的设备，所有这些都没有条形码的视线扫描要求。因此更精准、更简便、也更节省时间。
利用RFID、电子标签等物联网技术，实现共性资源之间的共享
目前能够体现云制造理念框架的主体与领域，主要包括以下三类平台:
(1)基于云计算的协同研发设计平台。一方面，对于大型集团企业而言，可利用云计算等技术，整合企业内部现有的计算能力与信息等资源，也可开发并整合集团外部必要的设计开发资源，如计算资源、合作伙伴等。另一方面，对于投入能力有限，而又急需高水平、高质量的中小企业而言，可通过公共协同研发设计平台向其统一提供服务。
利用RFID、电子标签等物联网技术，实现共性资源之间的共享
(2)资源共享平台。利用RFID、电子标签等物联网技术，通过统一的智能化互联平台，实现不同企业之间对于共性资源之间的共享，在提高相关资源使用效率的同时，有效降低企业的运营成本。例如，不同企业共享研发设计工具，共享测试设备与仪器;又如，有相同或类似生产装备的企业，共享生产装备的配件、零件甚至维护服务等。
利用RFID、电子标签等物联网技术，实现共性资源之间的共享
(3)面向产业链整体的制造服务平台。即涵盖从研发设计到生产制造，以至于销售与物流等环节，通过平台实现制造企业从单一的产品供应商向整体解决方案提供商转变，同时提高各环节运行效率，降低各环节成本。例如可通过平台整合产业链上不同阶段的生产制造企业与物流企业，以降低物流成本。
(1)基于云计算的协同研发设计平台。一方面，对于大型集团企业而言，可利用云计算等技术，整合企业内部现有的计算能力与信息等资源，也可开发并整合集团外部必要的设计开发资源，如计算资源、合作伙伴等。另一方面，对于投入能力有限，而又急需高水平、高质量的中小企业而言，可通过公共协同研发设计平台向其统一提供服务。
利用RFID、电子标签等物联网技术，实现共性资源之间的共享
(2)资源共享平台。利用RFID、电子标签等物联网技术，通过统一的智能化互联平台，实现不同企业之间对于共性资源之间的共享，在提高相关资源使用效率的同时，有效降低企业的运营成本。例如，不同企业共享研发设计工具，共享测试设备与仪器;又如，有相同或类似生产装备的企业，共享生产装备的配件、零件甚至维护服务等。
利用RFID、电子标签等物联网技术，实现共性资源之间的共享
(3)面向产业链整体的制造服务平台。即涵盖从研发设计到生产制造，以至于销售与物流等环节，通过平台实现制造企业从单一的产品供应商向整体解决方案提供商转变，同时提高各环节运行效率，降低各环节成本。例如可通过平台整合产业链上不同阶段的生产制造企业与物流企业，以降低物流成本。
北京博研科技与航天信息股份公司合作项目正式启动
2015年4月8日，北京博研科技与航天信息股份公司合作项目正式启动
恭喜博研科技通过国家双软技术企业认定
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北京金海湖渔政管理系统项目顺利完工
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博研科技成功与中国农业银行建立合作关系
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博研科技正式签约中国建设银行客户自助服务卡项目
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