非接触式e5551读写器的开发

摘要：介绍了非接触式e5551卡工作原理和与单片机的接口，给出了非接触式e5551卡读写器的硬件电路和读卡、写卡程序流程图。 关键词：非接触式卡 射频识别 读写器 RF 射频识别RFID?Radio Frequency Identification技术是二十世纪九十年代兴起的一项自动识别技术，它利用无线射频方式进行非接触式双向通信。RFID系统中卡片与读写器之间无须物理接触即可完成识别，可实现多目标识别和运动目标识别，应用范围更加广泛。 根据工作频率不同，RFID系统可分为低频、中频、高频系统。低频系统一般工作在100kHz～500kHz，中频系统工作在10MHz～15MHz，它们主要适用于短距离、低成本识别?高频系统工作在850MHz～950MHz以及2.4GHz～5GHz的微波段，适用于距离长、读写数据率高的场合。本文介绍的e5551 RFID系统属于低频系统，工作频率范围为100kHz～150kHz，最大识别距离约为20cm。

1 非接触式e5551卡工作原理 e5551 RFID系统组成如图1所示。其中PC通过RS485通信远程操作e5551读写器。读写器利用微控制器(MCU)与e5551卡进行交互读写。 通过e5551卡内线圈在特定交变磁场?100kHz～150kHz中耦合，e5551获得感应电流，再通过整流得到直流加到卡内电路，e5551得到工作电压和电流。通过读写器的线圈感应e5551卡产生的磁场来读取e5551发送的数据。 1.1 e5551卡的存储结构 e5551卡内置264位EEPROM。这些EEPROM共分为8块，每块33位，其分布如图2所示。其中BLOCK0存储e5551卡的参数设置信息;BLOCK7在口令加密功能启动时存放e5551卡的读写控制密码，当加密功能没有使用时存放用户数据;其它六个存储块存放各种数据。

1.2 e5551卡工作参数的设定 BLOCK0用于设置e5551卡的各种操作特性，如同步信号、数据流格式、数据流长度、加密、口令唤醒和停止发射的启用/关闭等。 (1)位率(Bitrate)设定：位率可设置为RF/8、RF/16、RF/32、RF/40、RF/50、RF/64、RF/100、RF/128，由第12、13、14位确定。其中RF指载波频率?Radio Frequency。 (2)调制方式设定：调制方式由两部分组成。第一部分为二进制编码方式，有直接编码、曼切斯特编码和双相位编码三种方式，由第16、17位确定;第二部分为频率调制方式，有相位键控、频率键控和直接编码三种方式，由第18、19、20位确定。 (3)口令加密设定：由第28位决定。该位置1启动口令加密功能，在启动口令加密功能前应该事先在BLOCK7写入密码。启动口令加密功能后，用户对e5551卡中数据进行修改均要求提供密码验证，密码正确时修改有效，否则修改无效。 图3 e5551芯片上电后线圈两端的电压 (4)请求应答(Answer On Request)设定：由第23位决定。该位置1启动AOR功能，这时e5551卡进入射频区后不主动发射数据，由基站给e5551卡发射唤醒命令后再发射数据。该功能要求首先启动口令加密功能，即基站唤醒e5551卡必须在唤醒命令序列中向e5551卡发射口令密码，e5551卡检测到合法唤醒命令时才恢复发射数据。 (5)同步信号设定：e5551卡可以使用两种不同的同步信号—Sequence Terminator和Block Terminator。Sequence Terminator在每个数据循环开始时出现;Block Terminator在每个BLOCK数据开始时出现。两种同步信号分别由第29、30位确定，它们既可以独立使用也可以结合使用。 (6)发射最大数据块数设定(MAXBLK)：由第25、26、27位确定。当MAXBLK设置为0时，e5551卡只发射BLOCK0的数据给基站;当设置为1时?e5551卡只发射BLOCK1的数据给基站;当设置为2时，e5551卡发射BLOCK1和BLOCK 2的数据给基站，余者依次类推。在启动口令加密功能后MAXBLK的值应小于7，这样e5551将不发射BLOCK7的数据。 2 e5551卡的读写 2.1 e5551卡的读 读e5551卡是指U2270B通过MCU进行读卡。在e5551卡内部，有个与e5551芯片相连的线圈，该线圈是e5551芯片供电与读卡器的双向通信接口。e5551卡就是利用该线圈产生具有阻尼特性的载频信号向读卡器发送数据。具体工作原理如图3所示。

当e5551卡接近读卡器时，由读卡器振荡电路产生的磁场感应e5551卡内的LC调谐电路产生感应电流，该电流经过e5551芯片内的整流器和过压保护电路得到e5551芯片的直流工作电压，形成上电复位，对应图3中的第一段;接着读取e5551芯片内BLOCK0的数据，即图3中的第二段;约2ms后，e5551卡按照设定的工作模式发送数据，首先从BLOCK1的第一位开始，直到MAXBLK所设定的最大块的最后一位。 2.2 e5551卡的写 写e5551卡指U2270B通过MCU进行写卡。读卡器通过对e5551卡内流过线圈的电流间隔性中断实现写卡，用电流流过e5551卡内线圈的持续时间实现对0和1的编码。详细过程如图4所示。 e5551卡读完BLOCK0数据后进入默认的读卡操作，如图4左半部分。若检测到起始电流中断，则e5551卡触发写卡操作，即图4的右半部分。电流中断持续时间一般为50μs～150μs，但为了便于可靠地检测起始电流中断，起始电流中断一般大于150μs。一般地，电流持续24个磁场脉冲周期编码为0，电流持续56个磁场脉冲周期编码为1。当电流持续了64个磁场脉冲周期后仍未检测到电流中断，e5551卡自动退出写卡模式。如果前面写卡数据正确就开始将数据编程写入e5551芯片的EEPROM，否则进行读卡操作。 图5 读写器硬件接口电路 3 读写器 3.1 硬件接口 U2270B是与e5551卡配套的一种近距离非接触式读写基站芯片，它所产生的载波频率为100kHz～150kHz，工作电压为5V或12V，适用于曼彻斯特编码或双相位编码，与微控制器有兼容接口。配上小量外围元件构成的读卡器电路如图5所示。 图5中用电阻R5、电容C6组成选频电路，去掉高频及低频，让100kHz～150kHz频率通过，与U2270B内部电路共同构成解调电路;用天线与内部驱动电路形成125kHz电磁场发射电路，传输能量;用4个二极管形成反馈电路稳定频率;用电阻R1及R7调节发射频率;通过二极管D5进行信号整形。 3.2 软件编程 本文以曼彻斯特编码、RF/32为例介绍e5551软件编程。采用曼彻斯特编码调制的数据，位数据1对应着电平上跳，位数据0对应着电平下跳。设RF=125kHz，位传送速率Bitrate=RF/32，则每传送一位数据的时间(位传送周期)为： 1P=32/125kHz=256μs 图6 读卡流程图 在一串数据序列中，两个相邻位数据传送跳变时间间隔为1P。若相邻位数据极性相同，则在该两次数据传送电平跳变之间，有一次非数据传送的电平空跳。程序开始时先等待一个TS=270μs～330μs高电平同步信号，然后按上述编码规则逐个检测电平变化并记录对应时间T1或T2，T1=90μs～180μs，T2=210μs～300μs。如前一数据为1的情况下，测得高电平时间为T1，对应下降沿无效，应接着测下一上升沿并得1;若测得高电平时间为T2，对应下降沿有效并得0。如前一数据为0的情况下，测得低电平时间为T1，对应上升沿无效，应接着测下一下降沿并得0;若测得低电平时间为T2，对应上升沿有效并得1。据此即可以串行方式读出卡内的数据。读卡程序流程图如图6所示。 写卡时，写0，CFE=1持续192μs，然后CFE=0持续280μs;写1，CFE=1持续448μs，然后CFE=0持续280μs。写卡程序流程图如图7所示。

e5551卡是一种低成本非接触式卡，虽然容量较小，但也能用于许多场合，如门禁系统、考勤系统等。如果硬件和软件设计合理，进一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、读写电路简单，应用必然更加广泛。