采用曼碼調(diào)制的非接觸式IC卡譯碼軟件設(shè)計(jì)

    目前，隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需求，IC卡(又稱智能卡)在人們的日常生活中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，部分金屬電路是裸露在外面的，如手機(jī)卡、公共IC電話號(hào)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(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不需物理接觸，電路是封裝在內(nèi)部的，如公交車的收費(fèi)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(yōu)點(diǎn)，因此，得到了更廣泛的應(yīng)用。這種非接觸式IC卡采用的技術(shù)稱為RFID技術(shù)。
  
    射頻卡與讀卡器之間的射頻信號(hào)調(diào)制方式常見的有FSK(調(diào)頻)、PSK(調(diào)相)、BIPH(雙相)、Manchester(曼徹斯特)。其中，曼徹斯特調(diào)制方式一般用在低頻，低成本的產(chǎn)品中，雖然在國外采用曼碼調(diào)制的IC 卡已不常用，但由于其價(jià)格低廉的優(yōu)勢，目前在我國采用此種調(diào)制方式的低端IC卡還具有廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，使用者有時(shí)會(huì)遇到對曼徹斯特編碼進(jìn)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(shí)別(RFID)技術(shù)概述 

    1.1 RFID系統(tǒng)的基本工作原理 

    無線射頻識(shí)別(RFID,radio frequency identification)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，基本原理是利用空間電磁感應(yīng)或者電磁傳播來進(jìn)行通信，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的目的。 

    RFID系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量傳遞和數(shù)據(jù)交換。 

    1.2 射頻卡讀寫器 

    在實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)高頻接口模塊的功能，用于完成數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)射和射頻的接收以及數(shù)據(jù)的解調(diào)任務(wù)。 

    下面簡單介紹一種射頻卡基站芯片U2270B，U2270B是一個(gè)能對IC卡進(jìn)行讀寫操作的射頻卡基站芯片，主要特點(diǎn)有： 

    振蕩器能產(chǎn)生100kHz～150kHz的載波頻率，并可通過外接電阻進(jìn)行精確調(diào)整，其典型應(yīng)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(jī)直接連接； 
    125kHz時(shí)的典型讀寫距離為15mm。 

    在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)射頻卡進(jìn)入到由讀寫器天線產(chǎn)生的射頻場內(nèi)時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用而得到觸發(fā)，從射頻卡發(fā)出的負(fù)載調(diào)制信號(hào)會(huì)在基站天線上產(chǎn)生微弱的調(diào)幅，這樣，基站芯片即可回收射頻卡調(diào)制數(shù)據(jù)流。應(yīng)當(dāng)說明，當(dāng)返回的射頻卡調(diào)制數(shù)據(jù)流采用的是曼徹斯特編碼形式時(shí)，U2270B通過內(nèi)部的一系列處理，將與MCU接口兼容的標(biāo)準(zhǔn)曼徹斯特編碼信號(hào)輸出給MCU，U2270B不能完成曼徹斯特編碼的解調(diào)， 解調(diào)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(yīng)供電并讀出存儲(chǔ)在芯片EEPROM中的唯一卡號(hào)，卡號(hào)在封裝前一次寫入，封卡后不能更改。 

    EM4100ID卡的主要特點(diǎn)： 

    載波頻率RF為125kHz； 
    感應(yīng)距離為2～15cm； 
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量共64位，包括制造商、發(fā)行版本號(hào)和用戶代碼； 
    數(shù)據(jù)的傳送速率有RF／64bit／s、RF／32bit／s和RF／16bit／s三種。 

    卡內(nèi)數(shù)據(jù)格式：總共64位，其中包括9個(gè)起始位，40個(gè)數(shù)據(jù)位(前8位為版本或制造商信息，后32位為用戶信息)，10個(gè)行校驗(yàn)位，4個(gè)列校驗(yàn)位，1個(gè)結(jié)束停止位。 

    在讀寫器工作狀態(tài)下，當(dāng)ID卡進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的射頻場內(nèi)時(shí)，依次將卡內(nèi)64位數(shù)據(jù)循環(huán)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(shè)計(jì) 

    假如對EM4100 ID卡進(jìn)行解碼，載波頻率RF采用為125kHz，數(shù)據(jù)傳送速率采用RF／64，那么傳送一位數(shù)據(jù)所需要的時(shí)鐘周期T=512μs。首先，由于曼徹斯特編碼包含了同步時(shí)鐘信號(hào)，第一步必須提取出同步時(shí)鐘信號(hào)，并在提取出同步時(shí)鐘信號(hào)的同時(shí)，將會(huì)得到第一個(gè)數(shù)據(jù)。之后，就可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，先采集到起始位9個(gè)1，再采集后面的數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行奇偶校驗(yàn)和對數(shù)據(jù)的一些處理。程序的流程圖如圖2所示。  

    結(jié)合圖3來說明一下提取同步時(shí)鐘信號(hào)和取得第一個(gè)數(shù)據(jù)的方法。 

    曼徹斯特編碼是在位周期中間產(chǎn)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(shí)鐘信號(hào)，具體方法為：在程序檢測出第一個(gè)上升沿（或下降沿）之間，如果檢測出t=T’（T’為傳送一位數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間，理想情況下為位時(shí)鐘周期T）時(shí)間的低電平（或高電平），那么此上升沿（或下降沿）必發(fā)生在位時(shí)鐘周期的中間，在取得同步時(shí)鐘信號(hào)的同時(shí)，將得第一個(gè)數(shù)據(jù)位1（或0），將當(dāng)前收到的數(shù)據(jù)位存放入微控制器的存儲(chǔ)器中，并同時(shí)將此值賦給一個(gè)狀態(tài)位con_receive=1(或0)，此狀態(tài)位在檢測下一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)用到。以圖3為例（本例是通過上升沿來提取同步時(shí)鐘信號(hào)），在b上升沿之前，檢測出有t=T’時(shí)間的低電平，那么b上升沿必產(chǎn)生在位時(shí)鐘周期中間，并同時(shí)取得第一個(gè)數(shù)據(jù)1，將數(shù)據(jù)1存入寄存器，并賦給狀態(tài)位con_receive=1，用于下一個(gè)數(shù)據(jù)的檢測。 

    2.1 數(shù)據(jù)采集 

    在提取出同步時(shí)鐘信號(hào)后，就可以通過檢測出兩個(gè)上升沿（或下降沿）的時(shí)間間隔來提取數(shù)據(jù)了。兩個(gè)上升沿（或下降沿）的時(shí)間間隔總共有t=T’，t=1.5T’，t=2T’三種情況。 

    如果檢測到兩個(gè)上升沿之間的間隔t=T’時(shí)，則收到一個(gè)與前一個(gè)邏輯值相同的數(shù)據(jù)，例如圖3，在b上升沿之后t=T’時(shí)間的的c處檢測到上升沿，得到與前一個(gè)邏輯值con_receive相同的數(shù)據(jù)1。將此數(shù)據(jù)存放入存儲(chǔ)器中，并同時(shí)將當(dāng)前邏輯值1賦給狀態(tài)位con_receive；如果檢測到兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔t=1.5T’時(shí)，兩種情況：當(dāng)前一個(gè)數(shù)據(jù)值con_receive為1時(shí)，得到兩個(gè)數(shù)據(jù)00，并將邏輯值0賦給con_receive；當(dāng)前一個(gè)數(shù)據(jù)為0時(shí)，得到一個(gè)數(shù)據(jù)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(shí)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(shù)據(jù)00，con_receive的值也相應(yīng)變?yōu)?；又經(jīng)過T’時(shí)間后到達(dá)e上升沿，得到與前一個(gè)邏輯值相同的數(shù)據(jù)0；又經(jīng)過t=1.5T’時(shí)間到達(dá)f上升沿，由于前一個(gè)數(shù)據(jù)的邏輯值為0，則得到數(shù)據(jù)1，con_receive也相應(yīng)變?yōu)?；如果檢測到兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔t=2T’時(shí)，得到兩個(gè)數(shù)據(jù)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(shí)間的g處檢測到上升沿，得到兩個(gè)數(shù)據(jù)01； 

    如果檢測到兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔t不等于T’、1.5T’、2T’中的任何一個(gè)，則采集數(shù)據(jù)出錯(cuò)。 

    在采集數(shù)據(jù)過程中，由于一些干擾或者其他因素，采集數(shù)據(jù)錯(cuò)誤是無法避免的，出錯(cuò)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(shí)鐘信號(hào)，重新譯碼，如果在連續(xù)的重新譯碼一定的次數(shù)之后，還沒有得到64位數(shù)據(jù)則報(bào)警等。 

    2.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理 

    為了便于對讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶機(jī)校驗(yàn)，將起始位9個(gè)1之后的55個(gè)數(shù)據(jù)按每5位作為一個(gè)字節(jié)進(jìn)行存放，在數(shù)據(jù)全部讀出后，根據(jù)ID卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。奇偶校驗(yàn)正確之后，可以對這些原始數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理以作實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。 

    2.3 其他一些說明 

    在理想狀態(tài)下，傳送一位數(shù)據(jù)的時(shí)間T’應(yīng)該等于位時(shí)鐘周期T，由于射頻場信號(hào)的強(qiáng)弱和外界的影響，T’不是一個(gè)穩(wěn)定的值，因此在實(shí)際應(yīng)用中，T’是一個(gè)取值范圍。例如：例如：當(dāng)位時(shí)鐘周期T=512μs，理想狀態(tài)下，T’=T=512μs，但實(shí)際中T’選取一個(gè)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(yán)格的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，最好對所使用的ID卡進(jìn)行測量一下，然后參考測量的結(jié)果來選取。 

    有些ID卡曼徹斯特編碼是位數(shù)據(jù)1對應(yīng)著電平下位，位數(shù)據(jù)0對應(yīng)著電平上跳，當(dāng)對這種卡進(jìn)行解碼時(shí)，只要把程序中檢測上升沿變?yōu)闄z測下降沿、檢測下降沿變?yōu)闄z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(dāng)采用掃描法時(shí)，由于在現(xiàn)實(shí)工作中，數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)受到調(diào)制、解調(diào)、噪聲各種效應(yīng)的影響，其上升沿和下降沿存在抖動(dòng)，可以采用鍵盤消除抖動(dòng)的辦法消除抖動(dòng)的影響。 

    如果奇偶校驗(yàn)連續(xù)NG一定次數(shù)之后，還沒有得到正確的64位數(shù)據(jù)，則可以采用報(bào)警或者其它辦法處理。