采用曼碼調制的非接觸式IC卡譯碼軟件設計

文章出處：http://www.fang1.net 作者：陳偉 李彥華   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月22日

    目前，隨著技術的發(fā)展和應用的需求，IC卡(又稱智能卡)在人們的日常生活中已經(jīng)得到了廣泛應用。通常，IC卡可以分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡兩類。接觸式IC卡是卡與讀卡器直接物理接觸進行數(shù)據(jù)交換，部分金屬電路是裸露在外面的，如手機卡、公共IC電話號等。非接觸式IC卡又叫射頻卡，射頻與讀卡器之間通過射頻信號進行數(shù)據(jù)交換，不需物理接觸，電路是封裝在內(nèi)部的，如公交車的收費卡等。非接觸式IC卡與接觸式IC卡相比，只有可靠性高，使用方便，不怕雨水、靜電以及沒有接觸劃傷等優(yōu)點，因此，得到了更廣泛的應用。這種非接觸式IC卡采用的技術稱為RFID技術。
  
    射頻卡與讀卡器之間的射頻信號調制方式常見的有FSK(調頻)、PSK(調相)、BIPH(雙相)、Manchester(曼徹斯特)。其中，曼徹斯特調制方式一般用在低頻，低成本的產(chǎn)品中，雖然在國外采用曼碼調制的IC 卡已不常用，但由于其價格低廉的優(yōu)勢，目前在我國采用此種調制方式的低端IC卡還具有廣泛的應用。在實際應用中，使用者有時會遇到對曼徹斯特編碼進行譯碼的問題，鑒于此，本文介紹了一種譯碼方法，以供讀者作為參考。 

1 無線射頻識別(RFID)技術概述 

    1.1 RFID系統(tǒng)的基本工作原理 

    無線射頻識別(RFID,radio frequency identification)技術是一種非接觸式的自動識別技術，基本原理是利用空間電磁感應或者電磁傳播來進行通信，以達到自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)的目的。 

    RFID系統(tǒng)由射頻卡和射頻卡讀寫器兩部分組成，如圖1所示，射頻卡與讀寫器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關系，實現(xiàn)能量傳遞和數(shù)據(jù)交換。 

    1.2 射頻卡讀寫器 

    在實際應用硬件電路中，讀寫器一般由天線、基站芯片、MCU組成。其中，基站芯片主要實現(xiàn)高頻接口模塊的功能，用于完成數(shù)據(jù)的調制、發(fā)射和射頻的接收以及數(shù)據(jù)的解調任務。 

    下面簡單介紹一種射頻卡基站芯片U2270B，U2270B是一個能對IC卡進行讀寫操作的射頻卡基站芯片，主要特點有： 

    振蕩器能產(chǎn)生100kHz～150kHz的載波頻率，并可通過外接電阻進行精確調整，其典型應用頻率為125kHz；  
    適用于曼徹斯特編碼和雙相位編碼； 
    帶有微處理器接口，可與單片機直接連接； 
    125kHz時的典型讀寫距離為15mm。 

    在實際應用中，當射頻卡進入到由讀寫器天線產(chǎn)生的射頻場內(nèi)時，由于電磁感應的作用而得到觸發(fā)，從射頻卡發(fā)出的負載調制信號會在基站天線上產(chǎn)生微弱的調幅，這樣，基站芯片即可回收射頻卡調制數(shù)據(jù)流。應當說明，當返回的射頻卡調制數(shù)據(jù)流采用的是曼徹斯特編碼形式時，U2270B通過內(nèi)部的一系列處理，將與MCU接口兼容的標準曼徹斯特編碼信號輸出給MCU，U2270B不能完成曼徹斯特編碼的解調， 解調工作必須由MCU軟件來完成，這也是本文的意義所在。 

    1.3 射頻卡 

    射頻卡有很多種分類方法，其中按芯片可分為三類：只讀卡，讀寫卡和CPU卡。 

    下面介紹一種只讀卡(又稱為ID卡)EM4100，它靠讀寫器感應供電并讀出存儲在芯片EEPROM中的唯一卡號，卡號在封裝前一次寫入，封卡后不能更改。 

    EM4100ID卡的主要特點： 

    載波頻率RF為125kHz； 
    感應距離為2～15cm； 
    數(shù)據(jù)存儲容量共64位，包括制造商、發(fā)行版本號和用戶代碼； 
    數(shù)據(jù)的傳送速率有RF／64bit／s、RF／32bit／s和RF／16bit／s三種。 

    卡內(nèi)數(shù)據(jù)格式：總共64位，其中包括9個起始位，40個數(shù)據(jù)位(前8位為版本或制造商信息，后32位為用戶信息)，10個行校驗位，4個列校驗位，1個結束停止位。 

    在讀寫器工作狀態(tài)下，當ID卡進入讀寫器產(chǎn)生的射頻場內(nèi)時，依次將卡內(nèi)64位數(shù)據(jù)循環(huán)輸出，直到ID卡離開讀寫器失電為止。 

2 曼徹斯特譯碼軟件設計 

    假如對EM4100 ID卡進行解碼，載波頻率RF采用為125kHz，數(shù)據(jù)傳送速率采用RF／64，那么傳送一位數(shù)據(jù)所需要的時鐘周期T=512μs。首先，由于曼徹斯特編碼包含了同步時鐘信號，第一步必須提取出同步時鐘信號，并在提取出同步時鐘信號的同時，將會得到第一個數(shù)據(jù)。之后，就可進行數(shù)據(jù)的采集。在數(shù)據(jù)采集時，先采集到起始位9個1，再采集后面的數(shù)據(jù)。然后進行奇偶校驗和對數(shù)據(jù)的一些處理。程序的流程圖如圖2所示。  

    結合圖3來說明一下提取同步時鐘信號和取得第一個數(shù)據(jù)的方法。 

    曼徹斯特編碼是在位周期中間產(chǎn)生跳變，所以可以通過檢測曼碼的上升沿或者下降沿來提取出同步時鐘信號，具體方法為：在程序檢測出第一個上升沿（或下降沿）之間，如果檢測出t=T’（T’為傳送一位數(shù)據(jù)所需要的時間，理想情況下為位時鐘周期T）時間的低電平（或高電平），那么此上升沿（或下降沿）必發(fā)生在位時鐘周期的中間，在取得同步時鐘信號的同時，將得第一個數(shù)據(jù)位1（或0），將當前收到的數(shù)據(jù)位存放入微控制器的存儲器中，并同時將此值賦給一個狀態(tài)位con_receive=1(或0)，此狀態(tài)位在檢測下一個數(shù)據(jù)時會用到。以圖3為例（本例是通過上升沿來提取同步時鐘信號），在b上升沿之前，檢測出有t=T’時間的低電平，那么b上升沿必產(chǎn)生在位時鐘周期中間，并同時取得第一個數(shù)據(jù)1，將數(shù)據(jù)1存入寄存器，并賦給狀態(tài)位con_receive=1，用于下一個數(shù)據(jù)的檢測。 

    2.1 數(shù)據(jù)采集 

    在提取出同步時鐘信號后，就可以通過檢測出兩個上升沿（或下降沿）的時間間隔來提取數(shù)據(jù)了。兩個上升沿（或下降沿）的時間間隔總共有t=T’，t=1.5T’，t=2T’三種情況。 

    如果檢測到兩個上升沿之間的間隔t=T’時，則收到一個與前一個邏輯值相同的數(shù)據(jù)，例如圖3，在b上升沿之后t=T’時間的的c處檢測到上升沿，得到與前一個邏輯值con_receive相同的數(shù)據(jù)1。將此數(shù)據(jù)存放入存儲器中，并同時將當前邏輯值1賦給狀態(tài)位con_receive；如果檢測到兩個上升沿之間的時間間隔t=1.5T’時，兩種情況：當前一個數(shù)據(jù)值con_receive為1時，得到兩個數(shù)據(jù)00，并將邏輯值0賦給con_receive；當前一個數(shù)據(jù)為0時，得到一個數(shù)據(jù)1，并將邏輯值1賦給con_receive。如圖3，在c上升沿之后t=1.5T’時間的d處檢測到上升沿，由于在c上升沿得到的邏輯值為1，則得到數(shù)據(jù)00，con_receive的值也相應變?yōu)?；又經(jīng)過T’時間后到達e上升沿，得到與前一個邏輯值相同的數(shù)據(jù)0；又經(jīng)過t=1.5T’時間到達f上升沿，由于前一個數(shù)據(jù)的邏輯值為0，則得到數(shù)據(jù)1，con_receive也相應變?yōu)?；如果檢測到兩個上升沿之間的時間間隔t=2T’時，得到兩個數(shù)據(jù)01，并將邏輯值1賦給con_receive。如圖3，在f上升沿之后的t=2T’時間的g處檢測到上升沿，得到兩個數(shù)據(jù)01； 

    如果檢測到兩個上升沿之間的時間間隔t不等于T’、1.5T’、2T’中的任何一個，則采集數(shù)據(jù)出錯。 

    在采集數(shù)據(jù)過程中，由于一些干擾或者其他因素，采集數(shù)據(jù)錯誤是無法避免的，出錯處理部分可由讀者自己決定作如何處理。比如：可以選擇為重新開始提取同步時鐘信號，重新譯碼，如果在連續(xù)的重新譯碼一定的次數(shù)之后，還沒有得到64位數(shù)據(jù)則報警等。 

    2.2 數(shù)據(jù)校驗及數(shù)據(jù)處理 

    為了便于對讀出的數(shù)據(jù)進行奇偶機校驗，將起始位9個1之后的55個數(shù)據(jù)按每5位作為一個字節(jié)進行存放，在數(shù)據(jù)全部讀出后，根據(jù)ID卡的數(shù)據(jù)結構，對數(shù)據(jù)進行奇偶校驗。奇偶校驗正確之后，可以對這些原始數(shù)據(jù)做進一步的處理以作實驗應用。 

    2.3 其他一些說明 

    在理想狀態(tài)下，傳送一位數(shù)據(jù)的時間T’應該等于位時鐘周期T，由于射頻場信號的強弱和外界的影響，T’不是一個穩(wěn)定的值，因此在實際應用中，T’是一個取值范圍。例如：例如：當位時鐘周期T=512μs，理想狀態(tài)下，T’=T=512μs，但實際中T’選取一個范圍，比如可以取400μs＜T’＜580μs，640μs＜1.5T’＜820μs，870μs＜2T’＜1100μs（這些取值范圍并不是固定的，也沒有太嚴格的要求。在實際應用中，最好對所使用的ID卡進行測量一下，然后參考測量的結果來選取。 

    有些ID卡曼徹斯特編碼是位數(shù)據(jù)1對應著電平下位，位數(shù)據(jù)0對應著電平上跳，當對這種卡進行解碼時，只要把程序中檢測上升沿變?yōu)闄z測下降沿、檢測下降沿變?yōu)闄z測上升沿即可。 

    檢測上升沿（或下降沿）可以采用中斷法或者掃描法。當采用掃描法時，由于在現(xiàn)實工作中，數(shù)據(jù)信號會受到調制、解調、噪聲各種效應的影響，其上升沿和下降沿存在抖動，可以采用鍵盤消除抖動的辦法消除抖動的影響。 

    如果奇偶校驗連續(xù)NG一定次數(shù)之后，還沒有得到正確的64位數(shù)據(jù)，則可以采用報警或者其它辦法處理。