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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。
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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。
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