采用曼碼調制的非接觸式IC卡譯碼軟件設計

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：陳偉 李彥華   人氣： 發表時間：2011年09月22日

    目前，隨著技術的發展和應用的需求，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據交換，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據交換，不需物理接觸，電路是封裝在內部的，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據的目的。 

    RFID系統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射頻信號的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內，根據時序關系，實現能量傳遞和數據交換。 

    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，基站芯片主要實現高頻接口模塊的功能，用于完成數據的調制、發射和射頻的接收以及數據的解調任務。 

    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生的射頻場內時，由于電磁感應的作用而得到觸發，從射頻卡發出的負載調制信號會在基站天線上產生微弱的調幅，這樣，基站芯片即可回收射頻卡調制數據流。應當說明，當返回的射頻卡調制數據流采用的是曼徹斯特編碼形式時，U2270B通過內部的一系列處理，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； 
    數據存儲容量共64位，包括制造商、發行版本號和用戶代碼； 
    數據的傳送速率有RF／64bit／s、RF／32bit／s和RF／16bit／s三種。 

    卡內數據格式：總共64位，其中包括9個起始位，40個數據位(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。 

    在讀寫器工作狀態下，當ID卡進入讀寫器產生的射頻場內時，依次將卡內64位數據循環輸出，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，數據傳送速率采用RF／64，那么傳送一位數據所需要的時鐘周期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，將會得到第一個數據。之后，就可進行數據的采集。在數據采集時，先采集到起始位9個1，再采集后面的數據。然后進行奇偶校驗和對數據的一些處理。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據的方法。 

    曼徹斯特編碼是在位周期中間產生跳變，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’為傳送一位數據所需要的時間，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，將得第一個數據位1（或0），將當前收到的數據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位con_receive=1(或0)，此狀態位在檢測下一個數據時會用到。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上升沿必產生在位時鐘周期中間，并同時取得第一個數據1，將數據1存入寄存器，并賦給狀態位con_receive=1，用于下一個數據的檢測。 

    2.1 數據采集 

    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據了。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據，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相同的數據1。將此數據存放入存儲器中，并同時將當前邏輯值1賦給狀態位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：當前一個數據值con_receive為1時，得到兩個數據00，并將邏輯值0賦給con_receive；當前一個數據為0時，得到一個數據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，則得到數據00，con_receive的值也相應變為0；又經過T’時間后到達e上升沿，得到與前一個邏輯值相同的數據0；又經過t=1.5T’時間到達f上升沿，由于前一個數據的邏輯值為0，則得到數據1，con_receive也相應變為1；如果檢測到兩個上升沿之間的時間間隔t=2T’時，得到兩個數據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，得到兩個數據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，則采集數據出錯。 

    在采集數據過程中，由于一些干擾或者其他因素，采集數據錯誤是無法避免的，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，如果在連續的重新譯碼一定的次數之后，還沒有得到64位數據則報警等。 

    2.2 數據校驗及數據處理 

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

    2.3 其他一些說明 

    在理想狀態下，傳送一位數據的時間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據1對應著電平下位，位數據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為檢測下降沿、檢測下降沿變為檢測上升沿即可。 

    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，由于在現實工作中，數據信號會受到調制、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NG一定次數之后，還沒有得到正確的64位數據，則可以采用報警或者其它辦法處理。