作者：樊文輝

這個制作中RFID讀卡器的印制電路板裝有集成電路EM4095(b)讀卡器，其功能是將RFID標簽的數據通過已經安裝的電路板上一些SMD元器件傳輸到ATM18測試板。

也可以用微處理器ATtiny2313制作RFID讀卡器，可以隨意的從EM4102中讀取數據，其中包括從軟件下載的數據。這個制作更有趣的部分是向我們展示如何隨心所欲的做你自己的RFID標簽。我們接著看到如何將傳感器連接到標簽，并且與讀卡器的傳感器讀卡器建立通信傳遞數據。這些傳感器在電氣上是絕緣的并且能在空間自由移動。

一、能量傳遞

EM41022型號的電子標簽的能量獲得是需要通過頻率為125kHz時的電感耦合來實現的，作者認為這個設備能勝任的，自制RFID標簽就不成問題。此外，通過EM4102提供的數據速率不是很高，簡單的微型控制器都適用。

下圖中電路是用來確定從接收線圈傳遞來的能力有多大。RFID讀卡器適用下列推薦數據：電感L=750μH，直徑為0.25mm，線圈匝數為85匝，漆包線直徑為0.25mm，線圈直徑為50mm。

接收線圈(L1)為95匝、1mH，并聯于L1的諧振電容C1調諧與125KHz。發送和接收線圈的位置高于其他元件，且相距20mm。電流和電壓的曲線通過調節R測出如下圖示。下圖(a)是測量電壓與電流的函數關系，而下圖(b)顯示的是傳輸在負載上功率曲線。三條曲線分別顯示調諧于200pF、遠大于，遠小于200pF的情況，以示失諧情況的影響。下圖中可以看到在輸出3V電壓時它能耦合數十毫瓦的能量。一個ATtiny微型控制器在時鐘頻率為1MHz，電壓為3V的情況下電流大概為2mA；在125kHz的情況下電流是低于O.1mA。因此看起來提供微型控制器運行所需的足夠功率不是難題。

RFID集成電路EM4102通過調制讀卡器負載來傳送ID。每個數據位傳遞需要占據125kHz載波的64個時鐘周期，折合為波特率為1953.125BPS。一個完整的數據包32.768ms內完成傳輸。使用125kHz信號作為RFID控制器的時鐘是可以的。這種自動化確保位時鐘與讀卡器同步，由于上述時鐘的慢擺動，電流消耗是非常低的。也意味著CPU只需要計數64個時鐘周期才轉移到下一位：這就是對CPU(ATtiny3)進行匯編編程的原因。

下圖顯示制作的電子標簽的完整電路圖。通過L1和C1形成的諧振回路提供微型控制器時鐘。同時125kHz的AC信號經過二極管整流提供給CPU電源（或功率）。NMOS管T1的導通使諧振電路加上R3負載使振蕩幅度減小，并且它通過調制信號實現微型控制器傳輸數據。但是，信號幅度必須不能過度減少，否則微型控制器因時鐘失步而造成出錯。

本制作的印制電路板的電路如下圖（略）。線圈并聯在C1，并且焊接在C1引線腳的兩側相鄰近的焊點上。

AVR/GCC)嵌入。讀卡器的最佳設計是元器件使用SMD封裝，本制作使用C(AVR/GCC)編程并燒錄芯片。

讀卡器的電路如下下圖示，是非常簡單的并且很容易手工繪制電路板。但是按翻拍會使制作PCB更簡單，裝有EM4095的4號板與5號板通過接口K3連接。在電路板上連接點為ANT1和ANT2外接線圈，其電感量為750μH，這并不嚴格，由于EM4095內部有一個鎖相環會自動調節頻率。

從RFID標簽的數據串是通過EM4095解碼]然后以曼徹斯特碼流方式傳給微型控制器。微型控制器的第一項工作是提取數據位。這項工作是在中斷服務程序中實施的，每秒要進行31250中斷，(8MHz/256=31250)。1個完整的數據位占16個中斷周期見下下圖示。（注：一個數據位占64個125kHz/8μS脈沖，即512μS：定時器一個中斷間隔為1S/31250=32μS，兩者相除512/32=16。可見連續16個低電平則為數據O，連續16個高電平為數據1）。

以上為曼徹斯特碼的代碼片斷。碼長測量由接口PIND．4的電平實現：只有輸入數據串的位數與原來的位數相同時電平是穩定的。當電平改變時，原有位數添入了一個或者兩個半位。根據測量持續時間，一個或者兩個半位儲存在一個先進先出隊列中供后續處理。

解碼程序本身占FIFO隊列的半位。第一個任務是識別數據包的起始位：為了實現這個目的，程序沿著移位寄存器逐個移動半位直到同步序列被找到。后續的數據串被解碼并且在RS232端口輸出（19200波特，8N1格式）。不斷有新的半位數據到達并且在FIFO隊列等待主程序處理，確保沒有丟失數據。RFID讀卡器能讀取任何標準的RFID標簽且與EM4102兼容。

二、線圈

RFID讀寫器與標簽都采用最簡單的自繞線圈，至少在非常少的數量下，特定規格現成的線圈無法購得。計算此類電感空芯線圈的公式如下：

電感其中d是導線的直徑，D是線圈的直徑，N是線圈的圈數。

下表的第4列是根據公式計算的電感量，第5列是用電感測量儀實測的電感量，可以看出，后者比前者偏小且不超過10%，實際制作時根據公式計算的值已經足以使用，也可以根據實測電感找出制作參數來。

三、RFID軟件

根據時鐘速率為125KHz，半個數據位持續32個時鐘周期，為了避免復雜的計算，可以使用定時器0的PWM功能。

設置計時器O計數64就溢出，返回O重新計數，(通過軟件設置OCROA為64-1=63)，并設置了PWM值為50%（軟件設置OCROB為32）。定時器0的PWM發生器每到計數值到達32時，可以安插在高至低的跳變（如圖8最左邊箭頭示）．也可以安插在低至高的跳變。上圖中上面一排是5位曼徹斯特碼流值，下右側標注定時器計數值。

因此，只需通過改變PWM發生器的寄存器堆的一位，我們就可以產生符合曼徹斯特碼編碼的一個0或1。這一過程在中斷服務程序實現。

寄存器IntBit包括了被傳輸的數據位，并且將IntMail設置為1作為應答，表示確認該位已被接收。主程序只是逐位傳輸數據及產生校驗碼，確保系統在一個不穩定的電源電壓系統下能穩定工作，將欠壓檢測閾值設置為1.8V且啟動看門狗。

四、數據包和有效載荷

一個完整的數據包，形成如下表所示。

數據包包括9個部分。前導的同步碼連續9個1不能出現在數據包的其他地方，因此可以用來識別它的開始。正確的數據位和有效荷載在前同步碼的后面。有效載荷由十組4位二進制數或半字節組成。前兩個半字節是客戶ID后面是8位半字節數據跟隨。先發送一個半字節列校驗位（每列10個二進制數中有奇數個1為1否則為0），緊隨其后的是一個0。所以總的數據包包含9（起始）+10×(4+1)（有效載荷）+4（列校）+1（最后位0）=64bits。每位持續64位的125kHz的時鐘周期，所以比特率是1935.125BPS。故一個完整的數據包需要32.768mS傳輸。

使用此協議的RFID標簽，內部含有有8個半字節數據和兩個半字節ID碼，總共有10位十六進制數字或40位二進制數。這足以傳輸大量信息。如果需要進一步擴展，也可照此類推。

五、RFID標簽的建設和擴展

為了使RFID標簽更容易地調整諧振電路，電容器和線圈可以通過插頭和插座相接，以便用不同的線圈來替代試用。經驗表明，諧振電容的最佳值是理論計算值的110%左右。

因為本制作中RFID標簽已經寫入用戶碼，做一個新的RFID標簽就需要修改程序重新寫入。

在印制電路板上的插頭Kl可以用來連接開關、電位器和通過讀卡器進行無線訪問的其它線圈。

線圈可旋轉或移動盡可能實現讀標簽，同理還可以在高壓環境進行電氣隔離。在液態物質中線圈操作暫停，在干燥的情況下又可以恢復。

六、動態ID和狀態請求

第一個例子，我們認為一個RFID標簽可以經過編程在兩個ID代碼之間進行切換，這個思路可以用來制作來一把RFID鑰匙開多把RFID鎖。

第一個方案是使用一個開關在兩種代碼之間來選擇。有兩種實施辦法：遙控改變開關的位置，或通過按鈕改變標簽的ID。此開關是連接接口B．4（ATtiny13的第3腳）和GND之間的端口。

第二個方案多數字輸入量的采集。自從RFID標簽使用了微控制器，實現這一目標有很寬范圍的選項。設計者必須始終考慮電流消耗，因為標簽所有的能量最終均來自傳輸線圈。一個簡單的選項用移位寄存器來實現并行到串行的轉換。如下圖所示，8個開關的狀態串行通過PB4經過K1接口連接到RFID的主板上。

七、帶有兩個模數轉換器的RFID

ATtiny13有兩個A/D轉換器，設計者可以根據此性能來制作可以無線測量電壓的RFID標簽。

該軟件包中包括實現兩路A/D轉換的程序，將模擬量轉換為8位數字量，并且將這些數字量通過ID代碼方式返回至讀卡器。A/D轉換的參考電壓取自ATtiny13的供電的電壓，這有一定的好處也有缺點：例如，如果有必要去讀取的兩個電位器的位置時，它們可以輕易地與ATtiny13的電源連接，滑動片接模擬輸入端。其結果是，轉換的結果與電源電壓無關，被測電壓高低只是與電源電壓‘比例’在變化：稱之為比例轉換。所以被測傳感器必需與ATtiny13同電源供電。如MMA7260加速度測量傳感器。測量兩路加速度經過比例轉換，結果只與加速度有關而與電源電壓無關。如果不是電位器而是獨立電源的話，結果就不是這樣。這種情況下，用Zener二極管或微型3.3V穩壓器用來為微控制器和傳感器提供電源穩壓。用來測量絕對電壓。也就是供應RFID標簽的電壓等于A/D轉換參考電壓，此電壓一定要大于3.3V或更高。這就取決于標簽與讀卡器的距離。還有另一種設計方案是使用如LM385低功耗參考電壓源（如2.5伏）給一路A/D轉換器輸入，另一路則是被測電壓的比例轉換，并以此來校準電源電壓的影響。經過精確的測量和校準，然后才能算出被測電壓。

八、RFID溫度傳感器

Dallas/MaximDS1820的溫度傳感器通過它的單總線接口的連接。這個接口很容易在軟件中實現，盡管它速度相對緩慢。當訪問DS1820的溫度傳感器時，RFID標簽中的微控制器必須停止對讀卡器的響應。

這對讀卡器來說不是問題，因為它發送起始碼期間通常需要等待片刻，經過與傳感器IC通信完成，溫度值轉換為十進制值，然后被轉為ID代碼格式。因此，RFID傳感器提供的溫度值幾乎為“純文本”。下圖顯示了如何將DS1820連接至RFID主板。原則上，軟件可以處理若干溫度傳感器或其他單總線集成電路。

九、RFID傳感器調試

我們前面討論的例子展示它是如何建立自己的RFID標簽。當你測試自己的應用程序開發和調試必須始終牢記。最簡單的方法是使用ISP接口技術。然而，靠來自線圈的能量不足以維持標簽的微控制器編程需要，并為此開發了如下圖的適配器接口。可以通過ISP的接口對包含了RFID和傳感器的軟件的ATtiny13進行編程，而且像RFID主板上的K1一樣，同樣的傳感器可以連接到K3的這塊板上。適配器上的插座K2與讀卡器上的K4連接，然后讀卡器提供給ATtiny13125KHz時鐘，通過它在PB1口進行數據流輸出。這種方法可以很方便的測試新的RFID傳感器軟件。