引言

非接触式IC卡又称“射频卡”,由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分。它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。卡片在一定距离范围（通常为5～10 mm）内靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。非接触式IC卡具有可靠性高、操作方便、安全防冲突的特点，越来越多地被应用于各种场合。目前，射频卡按工作频率分为两种：13.6 MHz与125 kHz。本文中介绍的电路适用于工作频率为125 kHz射频卡的信息读取。

1 EM4001芯片介绍

EM4100是由瑞士微电生产的一款用于只读射频卡信息传输的集成芯片。射频卡由IC芯片、感应线圈组成，COIL1与COIL2为感应线圈接口。全波整流电路、Csup可以将线圈感应产生的能量保存供给芯片作为工作电源；时钟选取电路将筛选频率125 kHz的载波作为时序发生电路的基准时钟源；内存中64位数据依次串行输出，通过编码模块输出曼彻斯特码；最后信号通过调制电路再由感应线圈发射出去。

图1为EM4001芯片内部功能图。EM4001内部64位数据阵列由5个区组成：9个引导位“1”，10个行奇校验位（P0～Ｐ9），4个列奇校验位（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掩膜到晶片内的，其值为“111111111”。当输出数据流时，首先是输出9个引导位,然后是10组由4个数据位和1个行奇校验位组成的数据串，之后是1组由4个列奇校验位组成的数据串,最后是停止位“0”。“D00～D13”是一个8位的晶片版本号或ID识别码。“D20～D93”是4组32位的晶片信息，即卡号。当EM4001上电初始化后，便依次将这64位数据反复输出，直到卡片离开基站读写器失电为止。

图1 EM4001芯片内部功能图

数据信息采用曼彻斯特编码，然后调制到载波上，影响感应线圈工作。数据“1”对应着电平下跳，数据“0”对应着电平上跳。在一串传送的数据序列中，两个相邻的位数据传送跳变时间间隔设为t。在曼彻斯特编码方式下EM4001每传送一位数据的时间是64个振荡周期，其值由载波频率决定。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，故位传送时间：

2 射频卡读卡电路原理与设计分析

2.1 读卡电路原理

一般射频卡电路中，125 kHz频率由分频器对晶体振荡器分频得到。图2中直接利用单片机定时器T0中断控制I/O产生125 klHz的方波；推挽式LC谐振放大电路将信号放大后通过L1（读卡电路的感应线圈）产生一个具有一定能量的磁场，射频卡接近线圈上电初始化后，便依次将数据信息反复输出，直到卡片离开线圈失电为止；射频卡利用自身的感应线圈通过磁场影响读卡电路中的感应线圈，L1产生的调幅信号经过包络检波电路后，将125 kHz的载波信号滤除，得到正弦波信号；限幅比较电路的作用就是将正弦波转化为波形平坦的方波信号，并送单片机处理。

图2 硬件模块功能图

2.2 硬件电路设计与分析

硬件电路如图3所示。

图3 系统硬件图

2.2.1 125 kHz频率产生

STC12C5410系列单片机I/O可以由软件配置成4种工作类型之一。要保证Q2、Q3构成的推挽式电路正常工作，单片机I/O口需要具有一定的驱动能力。单片机I/O口默认配置为准双向口模式，驱动能力有限，所以配置产生125 kHz方波输出的I/O口为强上拉模式，可以上拉输出达20 mA的电流。同时，灌电流也是20 mA，电路中需要加限流电阻R12。

单片机定时器T0设置工作模式2（8位自动重装），通过寄存器AUXR设置定时器时钟频率为11.059 2 MHz。11.059 2 MHz/125 kHz = 88.473 6，所以TH0 = 256-88/2 = 212,TL0 = 212。实际频率计测量结果为125.3 kHz，完全可以满足射频卡工作频率的要求。

推挽式放大电路输出后接LC串联谐振电路，当回路固有谐振频率与输入信号频率相等时，电路发生串联谐振。本文只要求对125 kHz频率的信号放大，所以根据串联谐振公式f=1/(2π·LC)计算电路中器件参数，可得L=0.16 mH，C=10 nF。

2.2.2 包络检波电路

感应线圈产生谐振电压约有20 V，所以载波信号的电压也约为20 V。对输入电压高于500 mV检波，称为“大信号检波”，利用二极管单向导电特性及检波负载RC充放电过程实现。RC参数的确定需要满足两个条件： ① 不产生惰性失真，一般工程上按fmax×R×C≤1.5计算，f为载波频率。② 不产生负峰切割失真，即m≤R1/R0，m为调幅系数，R1是交流阻值，R0是直流阻值。联立上述两个条件，确定检波电路中R、C分别为470 kΩ、4 700 pF。

2.2.3 波形整形电路

在单片机处理之前，整形电路将检波后的信号变成单片机可以识别的高低电平。LM358内部集成两个运放，经过两次整形后可以得到很好的方波信号。电路中R17、R18起到分压作用，确定输出翻转门限为2.5 V；R13将同向输入的电压叠加在反向输入端；C6、C8为耦合电容，能够隔离直流分量，传递交流信号。当U+大于U+2.5 V时，输出高电平；当U+小于U+2.5 V时，输出低电平。

3 单片机软件设计

3.1 读卡程序流程

读卡程序是根据EM4100射频卡的特点量身定做的一段程序，如图4所示。射频卡以曼彻斯特编码，传输一个数据的时间t＝64/125 kHz＝512 μs。实际使用中，一般传输时间为490 μs<t<520 μs，230 μs<0.5t<280 μs 。所以本文中采样波形时，定时器时间设定为300 μs，保证为采样留有足够的时间。

图4读卡程序流程

3.2 软件代码实现

(1) 125 kHz频率产生程序

//系统初始化

void initial() {

AUXR=0x80;//T0工作1T模式

P3M0=0x04;

P3M1=0x20;//P3.5为推挽式输出

CMOD=0x80;

CCON=0x00;

CL=0x00;

CH=0x00;

CCAP0L=0x20;//配置PCA

CCAP0H=0x01;//工作在16位

CCAPM0=0x48;//软件定时模式

CR=0;//PCA定时器关闭

SCON=0x50;

TMOD=0x22;

TH1=0xfd;

TL1=0xfd;//波特率为9 600 bps

TR1=1;

TH0=212;

TL0=212;

PT0=1;//设置T0中断优先级最高

EA=1;

ET0=1;

TR0=1;

}

//控制I/O产生125 kHz方波

void T0_serv() interrupt 1 using 2 {

fangbo=~fangbo;

}

(2) 读卡程序

//采样16字节数据，即128位

str:temp=0;

temp1=0;

head=0;

CR=0;

CH=0;CL=0;

CR=1;

for(bytec=0;bytec<16;bytec++) {

for(bitc=0;bitc<8;bitc++){

while(CCF0==0);

CCF0=0;

CH=0;CL=0;

if(RF_DATA_IN==1)

temp=1;

else temp=0;

while(RF_DATA_IN==temp) {

if(CCF0==1) {

CR=0;

CCF0=0;

goto str;

}

}

CH=0;CL=0;

temp=~RF_DATA_IN;

temp1=(temp1<<1)|temp;

}

}

CR=0;

//确定数据起始位置

for(bytec=0;bytec<16;bytec++) {

temp1=0x80;

for(bitc=0;bitc<8;bitc++) {

if(head==9) break;

if((Read_RF_Data[bytec]&temp1)==0)

head=0;

else head++;

temp1=temp1>>1;

}

if(head==9) break;

}

//检验数据的奇偶校验是否正确

for(head=0;head<5;head++) {

temp=((ID_Data[bytec]&0x10)>>4)+((ID_Data[bytec]&0x08)>>3)+((ID_Data[bytec]&0x04)>>2)+((ID_Data[bytec]&0x02)>>1);

if((temp&0x01)==(ID_Data[bytec]&0x01)) {

temp1=(ID_Data[bytec]&0xfe)<<3;

bytec++;

temp=((ID_Data[bytec]&0x10)>>4)+((ID_Data[bytec]&0x08)>>3)+((ID_Data[bytec]&0x04)>>2)+((ID_Data[bytec]&0x02)>>1);

if((temp&0x01)==(ID_Data[bytec]&0x01)) {

ID_Data[head]=temp1|((ID_Data[bytec]&0xfe)>>1);

bytec++;

}

else goto str;//校验失败，重新读取

}

else goto str;

}

结语

本文中的读卡电路经过多次试验验证，工作稳定可靠，能够正确识别、读取射频卡内信息，而且器件成本低。理论上，不仅可以实现对射频卡读取的功能，而且能够通过定时器T0的TR0控制125 kHz频率方波的产生，改变感应线圈磁场的方式对可读写射频卡进行编码，实现写卡功能。