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电工文摘设计与选型 一种可复用以及低成本的 读卡模块的设计与实现 施耐德电气( 中国) 有限公司裘健 摘要：近年来，R FD ( 射频识别) 标签技术已经被广泛应用于进出控制系统，例如门禁、加油站等。在电力系统领域中，能够识 别使用者的身份和权限在能耗和计费管理中有着十分重要的作用。利用R F I D 技术，用户不需要记住密码，可以使用R F I D - ，来获取用 电的权限，因此R F l D 技术在用电能效管理上具有十分重要的意义。文中所述的渎卡模块用于电力配电系统控制模块，用户通过刷卡来 获取整个电力系统认证的权限。方案主要采用了1 3 5 6 M h z 的R F I D 的标签识别卡，标准基于I S O 一1 5 6 9 3 1 2 3 。 关键词：R F I D 技术进出控制系统能效管理 0 前言 近年来，R F I D ( 射频识别) 标签技术已经被广泛应用于进 出控制系统，例如门禁、加油站等。在电力系统领域中，能 够识别使用者的身份和权限在能耗和计费管理中有着十分重 要的作用。利用R F I D 技术，用户不需要记住密码，可以使 用R F I D 卡，来获取用电的权限，因此R F I O 技术在用电能效管 理上具有十分重要的意义。 1R FID 技术方案 目前R F I D 技术主要的方案是M i f a r e 卡，H I D 卡和E M 公 司的方案它们都需要采用专用芯片进行识别和读卡操作， 然后通过串行或者并行的方式传送到系统的主控制器，并且 占据了一个主控制器的外设，例如S P I 、1 2 C 和U A R T 。因此 这种方案对于简单的R F I D 应用，成本和效率上不是很占有优 势。存在以下三个不足： 1 ) 由于多加了一个专有读卡芯片，成本较高； i ，, 一I ： J- 丝力j - I C o u p l i n g , c o i l 。一。一： ll【P C BT r a c e J 1r ”。“。： f 城t h m m a n c ! 。 T u n i n g De t e c t O t 1 3 5 嘲I t ： 。O s C i l l a t 0 f 一 ： I 产jl 1 一 稍 H八 F i I t e r I M 扪d l e s hr B 一一L 1C l i p 甲 e n d = - - 一一一r 一 一 图11 3 5 6 M h zR F l D 系统原理图 2 0 1 2 44 3 万方数据 电工文摘设计与选型 2 ) 占用主控制器有限的外设和输入输出口： 3 ) 需使用单独的1 3 5 6 M h z 晶体作为载波调制信号。 本系统使用的R F I D 技术的中心载波频率为1 3 5 6 M h z 7 H z ，数据编码符合I S 0 15 6 9 3 2 ( 快速模式) 曼彻斯特编码 标准，并且具有多卡冲突检测的功能。 如图I 所示，这是1 3 5 6 M h z 的R F I D 读写器系统工作流 程。一般情况下，系统必须有输入和输出系统，才可以称为 个完整系统。V C D ( 邻近耦合设备) 和V I C C ( 附近集成电路 卡) 之间的对话通过以下操作方式进行通信： 1 ) V C D 通过1 3 5 6 M h z 频率激活V l C C ： 2 ) V I C C 等待V C D 指令： 3 ) V C D 发送指令； 4 ) V I C C 响应V C D 指令。 通过以上四个步骤，如图2 所示，V C D 通过使用1 0 0 A S K 幅度调制适合以及耦合天线激活了V I C C ，并且为V I C C 提供 了电能。因此一个1 3 5 6 M h z 的载波频率必须产生，可以使用 T b ed o c k 嘲：o m u s tb eo i m r a l i o n a Ia l t e rt 4m a x 图2A S K 调制信号要求 拔 日 - 2 0 1 2 44 4 图313 5 6 M h z 调制检波和曼码脉冲信号输出电路 万方数据 以下的一些方法产生这个载波频率： 1 ) 使用和主控芯片相同的1 3 5 6 M h z 晶振； 2 ) 如果微处理器具有频率分频或者倍频功能块，定义乘 法和值除以，它可以产生1 3 5 6M l z 的频率： 3 ) 使用特定的频率产生芯片。 由于使用了1 0 0 A S K 全幅度调制模式，V C D 发送给V I C C 需要满足6 O u s t l 9 4 4 u s 之间，这里只需要在6 O u s t 1 9 4 4 u s 内操作频率输出端口的开闭即可满足条件。 V C D 激活V I C C 后，V I C C 的身份信息( 如卡号) ，就可 以通过载波传送至V C D 信号处理电路，该频率为4 2 3 5 1 d z 。 如图3 所示，设计检波电路，获取4 2 3 5 K H z 信号，最 关键的是L ，C 的选取。根据公式，F = 2 L c ，可以得到的 L 和C 的值。但在实际的条件下，L 和C 值可能会有一定的偏 差。使用可调电路进行电容补偿，它可以调整到期望值。现 在，V I C C 被激活，并响应与调制载波的V I C C 数据。通过一 S ( ) r ( S t i u to f 卜1 n l n o ) RL c o jvL l O UL ) e f o r cc i l c U i t o ： 电工文摘设计与选型 个二极管和滤波电路，让V I C C 数据信号由M O S F E T 控制，因此 它不会影响被激活的V I C C 信号。检波电路结合M O S F E T 和比 较，是一个曼彻斯特编码的脉冲信号。 为了恢复曼彻斯特编码中带有的时钟信号，采用信号放 大和施密特触发器将信号整理成更易于解码的标准信号。结 果会产生一些延时，但是这是基于时钟解码曼码的方法，这 样就可以解出高灵敏度的V I C C 中的数据。 2 软件设计 。在软件设计上，由于载波数据的时间间隔非常短，最小 间隔为9 4 4 n s ，最长间隔为5 6 6 4 n s ，不能够用中断的方式， 因为需要查询状态位，然后处理，需要时间。因此，这里主 要采用时间等待的方式发送命令，检查起始帧头S O F ( 参见： I S 0 1 5 6 9 3 ) ，根据上升沿与下降沿的时间间隔，这需要占用一 个M C U 的硬件T i m e r ，采用时间处理的方法，用来恢复曼彻斯 l k I L nb i tD n l ，Ht ，i l D lb 1 1 。 、- r ) j I nt J i t ； I ) “Ib i t ；： I ) i - I nb i t ! ； I k t # Ll ，i t ii ! ；引 卜广上：一卜一一广：一广一一I 广一r 一一 1 r 。，一一。广一一一一一I ：霎瑟董 | ! j；翱：| l ：i：I I = ；il；11 捌 | ； _ 獬裁 1蛳I剐 I ， ： I i l I 1 1 1 一 I f 1 1 ：I I - - 琵游峨穗：J |黝嘲I ! j ，t ；| II： ： -IIlI 赫 L - 芝穗m 菇蔫型j ； 一 一 憾娜 驯 。一一T 一一一一。 ，一- 一一一。_ - - _ 一- J j。；一_i-。二二；首7；：，喜!=+，。：羹。、二l；，董、：。：I?j：?，誊。2一。爿；：?。 吲 I I I I t f ：b 矗 I t 一。JL 一L 一I LL 一一I 一一J L 一- L 一一I L i _ _ L - 1 _ 上_ ! 一 I L 。一L ；： ；!； -冒舅”“目_ m 一 ， ，；，ij ， ! ji ， ： ：产 ： 。 1 0 ti ：u Iv t ，r - ，uL D i I I 上Ih it：【) i I L I iID t ab jt 、I ) “L ob lt ：，D a t b l t j产 a It o rc ir c u i 【t I l Rr fi l i ， m IIb it O a ab i tD a t jIh j ， n I；b i1 万方数据 电工文摘设计与选型 特码的时钟周期，从而解得所需的数据。 3 总结 新的方法主要采用了M C U 内部P L L 电路( 或者外部P L L ) 来产生1 3 5 6 M h z 的载频，通过定时的开关这个载频信号，将 数据发送给卡。卡会通过电路，以4 2 3 5 K h z 的副载波返回卡 内部信息，然后通过离散电路输出一个带4 2 3 5 K H z 的调制信 号的曼彻斯特码的调制信号，为了获得不带调制信号的曼彻 斯特码数据，加入了2 阶积分电路，并且采用运放将内部的 调制信号滤除，然后从M C U 的普通1 0 口输入。 在软件上，主要涉及的内容有，发送命令，检查起始帧 头S O F ( R e f = I S 0 1 5 6 9 3 ) ，根据上升沿与下降沿的时间间隔， 2 0 1 2 44 6 这需要占用一个M C U 的硬件T i m e r ，采用时间处理的方法，用 来恢复曼彻斯特码的时钟周期，从而解得所需的数据。 如图5 ，给出了整个数据处理的流程。 采用以上的方法，解决了成本和通用问题： I ) 采用离散电路处理，不需要专用读卡I C ，成本大大降低； 2 ) 对于M C U ，只使用了2 个1 0 口，和一个内部时钟定时器； 3 ) 由于使用了P L L 进行分频和倍频，M C U 可以用标准的晶体 来驱动，这样避免了其他模块时钟偏差的问题； 4 ) 加入调制信号滤除电路，使得M C U 处理曼彻斯特码的时候 不需要计沿触发的次数，也不需要调整I O 口对于上升下降沿 的敏感度。这样对于大部分的M C U 都可以处理，做到通用。 图5V l D 处理V I C C 数据流过程 万方数据