宠物管理系统中RFID读卡器设计

 1 引 言 

    射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是利用无线电波对记录媒体进行读写。射频识别的距离可达几十厘米至几米。根据读写的方式，可以输入数千字节的信息，同时，还具有极高的保密性。RFID系统的卡片与读写器之间，无需物理接触即可完成识别，因此，可实现多目标识别和运动目标识别。低频系统有读写短距离、成本低的特点，主要有125 kHz和134．2 kHz两种频率，可用于门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。本文设计的读卡器属于低频系统，使用EM4095构成读写电路，利用单片机完成Biphase解码，在宠物管理系统中用来对动物标签进行识别。 

    2 工作原理及电路设计 

    2．1 工作原理 

    读卡器采用射频读写芯片EM4095。EM4095的工作模式是由弓I脚SHD和MOD的逻辑电平来控制。当SHD引脚为高电平时，EM4095处于休眠模式。芯片上电时SHD引脚必须为高电平，以便芯片初始化。SHD为低电平时，电路发射射频载波，开始解调天线接收到的AM 信号，解调的数字信号通过DEMOD— OUT引脚送到微控制器，以便进行解码和处理。MOD引脚为高电平时电路处于三态，MOD接地使芯片进入只读状态。 

    EM4095内部集成了锁相环系统，该系统可自适应调整天线谐振频率，发射1OO～150 kHz的载波，完成读取射频卡信息的工作。射频卡本身不带电源，是通过负载调制的方式耦合到应用终端的天线上，需要从EM4O95发送的射频信号中提取能量，所以在读取射频卡数据时，EM4095要连续发射射频载波信号。射频卡内有一个LC串联谐振电路，其谐振频率与射频载波频率一致，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而产生感应电势，当电量累积到一定数量时，就可以作为电源为电路提供工作电压，将卡内信息发送出去。EM4095通过天线接收射频卡发回的信号，并对接收的信号解调，从而得到射频卡中的信息。然后把信息发送给单片机，由单片机按照射频卡的无线通信协议对数据解码、保存或者通过串口传给上位机进行处理。 

    2．2 电路设计 

    本文设计的读卡器用于宠物管理系统的手持终端设备中，工作频率为134．2 kHz。图1是读卡器的电路原理图。 

图1 读写器电路原理图 

    单片机ATmega88负责接收上位机的指令，驱动EM4095以及对EM4095发回的数据进行Biphase解码、校验，向上位机发送卡号。单片机ATmega88的PC2，PD7引脚控制EM4095的工作模式，EM4095解调后的数据输出给单片机的PB0引脚，此引脚具有输入捕获功能。基站天线是用铜制漆包线绕制的，天线线圈的直径远大于漆包线的直径。可以采用下面的公式对天线参数进行计算：

    其中：L为线圈的电感；N 为天线线圈的匝数；U。为磁导率，表征磁介质磁性的物理量， 其值为1．257×10 -6 V·s／(A·m)；R为天线线圈的半径；d为漆包线的直径。本文所用的线圈匝数为120匝，电感为1．54 mH。天线线圈的电感确定后，将天线、电阻(R1)、电容(C21 ，C22 ，C23 )串联构成谐振电路，可以通过下式来确定总电容值，以保证天线的频率与EM4095频率相同。

    其中：F0为谐振频率；动物标签频率为134．2 kHz；L为天线线圈的电感；C为电容并联的总电容值，通过计算可以得到电容值为912．65 pF。 

    在调试过程中，采用3个电容并联代替1个电容串联到电路中的做法，可以起到高频滤波、消除脉冲干扰的作用。另外通过调节C26 的电容值使EM4095的第8引脚DEM0D_IN上的电压峰峰值比ANT1，ANT2引脚上的电压峰峰值小，以便消除无卡时EM4095的杂波输出，便于单片机对数据进行解码。