采用曼码调制的非接触式IC卡译码软件设计

文章出处：http://www.singbon.com 作者：陈伟 李彦华   人气： 发表时间：2011年09月22日

    目前，随着技术的发展和应用的需求，IC卡(又称智能卡)在人们的日常生活中已经得到了广泛应用。通常，IC卡可以分为接触式IC卡和非接触式IC卡两类。接触式IC卡是卡与读卡器直接物理接触进行数据交换，部分金属电路是裸露在外面的，如手机卡、公共IC电话号等。非接触式IC卡又叫射频卡，射频与读卡器之间通过射频信号进行数据交换，不需物理接触，电路是封装在内部的，如公交车的收费卡等。非接触式IC卡与接触式IC卡相比，只有可靠性高，使用方便，不怕雨水、静电以及没有接触划伤等优点，因此，得到了更广泛的应用。这种非接触式IC卡采用的技术称为RFID技术。
  
    射频卡与读卡器之间的射频信号调制方式常见的有FSK(调频)、PSK(调相)、BIPH(双相)、Manchester(曼彻斯特)。其中，曼彻斯特调制方式一般用在低频，低成本的产品中，虽然在国外采用曼码调制的IC 卡已不常用，但由于其价格低廉的优势，目前在我国采用此种调制方式的低端IC卡还具有广泛的应用。在实际应用中，使用者有时会遇到对曼彻斯特编码进行译码的问题，鉴于此，本文介绍了一种译码方法，以供读者作为参考。 

1 无线射频识别(RFID)技术概述 

    1.1 RFID系统的基本工作原理 

    无线射频识别(RFID,radio frequency identification)技术是一种非接触式的自动识别技术，基本原理是利用空间电磁感应或者电磁传播来进行通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据的目的。 

    RFID系统由射频卡和射频卡读写器两部分组成，如图1所示，射频卡与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量传递和数据交换。 

    1.2 射频卡读写器 

    在实际应用硬件电路中，读写器一般由天线、基站芯片、MCU组成。其中，基站芯片主要实现高频接口模块的功能，用于完成数据的调制、发射和射频的接收以及数据的解调任务。 

    下面简单介绍一种射频卡基站芯片U2270B，U2270B是一个能对IC卡进行读写操作的射频卡基站芯片，主要特点有： 

    振荡器能产生100kHz～150kHz的载波频率，并可通过外接电阻进行精确调整，其典型应用频率为125kHz；  
    适用于曼彻斯特编码和双相位编码； 
    带有微处理器接口，可与单片机直接连接； 
    125kHz时的典型读写距离为15mm。 

    在实际应用中，当射频卡进入到由读写器天线产生的射频场内时，由于电磁感应的作用而得到触发，从射频卡发出的负载调制信号会在基站天线上产生微弱的调幅，这样，基站芯片即可回收射频卡调制数据流。应当说明，当返回的射频卡调制数据流采用的是曼彻斯特编码形式时，U2270B通过内部的一系列处理，将与MCU接口兼容的标准曼彻斯特编码信号输出给MCU，U2270B不能完成曼彻斯特编码的解调， 解调工作必须由MCU软件来完成，这也是本文的意义所在。 

    1.3 射频卡 

    射频卡有很多种分类方法，其中按芯片可分为三类：只读卡，读写卡和CPU卡。 

    下面介绍一种只读卡(又称为ID卡)EM4100，它靠读写器感应供电并读出存储在芯片EEPROM中的唯一卡号，卡号在封装前一次写入，封卡后不能更改。 

    EM4100ID卡的主要特点： 

    载波频率RF为125kHz； 
    感应距离为2～15cm； 
    数据存储容量共64位，包括制造商、发行版本号和用户代码； 
    数据的传送速率有RF／64bit／s、RF／32bit／s和RF／16bit／s三种。 

    卡内数据格式：总共64位，其中包括9个起始位，40个数据位(前8位为版本或制造商信息，后32位为用户信息)，10个行校验位，4个列校验位，1个结束停止位。 

    在读写器工作状态下，当ID卡进入读写器产生的射频场内时，依次将卡内64位数据循环输出，直到ID卡离开读写器失电为止。 

2 曼彻斯特译码软件设计 

    假如对EM4100 ID卡进行解码，载波频率RF采用为125kHz，数据传送速率采用RF／64，那么传送一位数据所需要的时钟周期T=512μs。首先，由于曼彻斯特编码包含了同步时钟信号，第一步必须提取出同步时钟信号，并在提取出同步时钟信号的同时，将会得到第一个数据。之后，就可进行数据的采集。在数据采集时，先采集到起始位9个1，再采集后面的数据。然后进行奇偶校验和对数据的一些处理。程序的流程图如图2所示。  

    结合图3来说明一下提取同步时钟信号和取得第一个数据的方法。 

    曼彻斯特编码是在位周期中间产生跳变，所以可以通过检测曼码的上升沿或者下降沿来提取出同步时钟信号，具体方法为：在程序检测出第一个上升沿（或下降沿）之间，如果检测出t=T’（T’为传送一位数据所需要的时间，理想情况下为位时钟周期T）时间的低电平（或高电平），那么此上升沿（或下降沿）必发生在位时钟周期的中间，在取得同步时钟信号的同时，将得第一个数据位1（或0），将当前收到的数据位存放入微控制器的存储器中，并同时将此值赋给一个状态位con_receive=1(或0)，此状态位在检测下一个数据时会用到。以图3为例（本例是通过上升沿来提取同步时钟信号），在b上升沿之前，检测出有t=T’时间的低电平，那么b上升沿必产生在位时钟周期中间，并同时取得第一个数据1，将数据1存入寄存器，并赋给状态位con_receive=1，用于下一个数据的检测。 

    2.1 数据采集 

    在提取出同步时钟信号后，就可以通过检测出两个上升沿（或下降沿）的时间间隔来提取数据了。两个上升沿（或下降沿）的时间间隔总共有t=T’，t=1.5T’，t=2T’三种情况。 

    如果检测到两个上升沿之间的间隔t=T’时，则收到一个与前一个逻辑值相同的数据，例如图3，在b上升沿之后t=T’时间的的c处检测到上升沿，得到与前一个逻辑值con_receive相同的数据1。将此数据存放入存储器中，并同时将当前逻辑值1赋给状态位con_receive；如果检测到两个上升沿之间的时间间隔t=1.5T’时，两种情况：当前一个数据值con_receive为1时，得到两个数据00，并将逻辑值0赋给con_receive；当前一个数据为0时，得到一个数据1，并将逻辑值1赋给con_receive。如图3，在c上升沿之后t=1.5T’时间的d处检测到上升沿，由于在c上升沿得到的逻辑值为1，则得到数据00，con_receive的值也相应变为0；又经过T’时间后到达e上升沿，得到与前一个逻辑值相同的数据0；又经过t=1.5T’时间到达f上升沿，由于前一个数据的逻辑值为0，则得到数据1，con_receive也相应变为1；如果检测到两个上升沿之间的时间间隔t=2T’时，得到两个数据01，并将逻辑值1赋给con_receive。如图3，在f上升沿之后的t=2T’时间的g处检测到上升沿，得到两个数据01； 

    如果检测到两个上升沿之间的时间间隔t不等于T’、1.5T’、2T’中的任何一个，则采集数据出错。 

    在采集数据过程中，由于一些干扰或者其他因素，采集数据错误是无法避免的，出错处理部分可由读者自己决定作如何处理。比如：可以选择为重新开始提取同步时钟信号，重新译码，如果在连续的重新译码一定的次数之后，还没有得到64位数据则报警等。 

    2.2 数据校验及数据处理 

    为了便于对读出的数据进行奇偶机校验，将起始位9个1之后的55个数据按每5位作为一个字节进行存放，在数据全部读出后，根据ID卡的数据结构，对数据进行奇偶校验。奇偶校验正确之后，可以对这些原始数据做进一步的处理以作实验应用。 

    2.3 其他一些说明 

    在理想状态下，传送一位数据的时间T’应该等于位时钟周期T，由于射频场信号的强弱和外界的影响，T’不是一个稳定的值，因此在实际应用中，T’是一个取值范围。例如：例如：当位时钟周期T=512μs，理想状态下，T’=T=512μs，但实际中T’选取一个范围，比如可以取400μs＜T’＜580μs，640μs＜1.5T’＜820μs，870μs＜2T’＜1100μs（这些取值范围并不是固定的，也没有太严格的要求。在实际应用中，最好对所使用的ID卡进行测量一下，然后参考测量的结果来选取。 

    有些ID卡曼彻斯特编码是位数据1对应着电平下位，位数据0对应着电平上跳，当对这种卡进行解码时，只要把程序中检测上升沿变为检测下降沿、检测下降沿变为检测上升沿即可。 

    检测上升沿（或下降沿）可以采用中断法或者扫描法。当采用扫描法时，由于在现实工作中，数据信号会受到调制、解调、噪声各种效应的影响，其上升沿和下降沿存在抖动，可以采用键盘消除抖动的办法消除抖动的影响。 

    如果奇偶校验连续NG一定次数之后，还没有得到正确的64位数据，则可以采用报警或者其它办法处理。