单片机读取ID卡

只看该作者 · 2019-6-11 22:44

一、非接触卡的读卡原理
本系列**主要探讨125KHz频段下的ID卡，13.5MHz频段IC卡不在本文探讨范围内。

1、简介
ID卡全称是（Identification Card）是一种只读型的非接触式卡，出厂时，厂家会将ID号写死在芯片内部，不允许进行二次修改，国内常见的ID卡为EM4100、EM4102卡等。

2、读卡流程
读卡器通过持续发射特定频率的射频信号，当ID卡进去其工作范围内时，将产生感应电流（想象变压器），ID卡得电后，将自身芯片内的编码信息通过天线发送出去；读卡器接收到从标签发送来的调制信号，经过解调后，得到ID卡的编码信息。

3、工作原理
（1）单片机通过控制 8050(NPN 型)和 8550（ PNP 型）构成了推挽式功率放大电路，再通过LC谐振电路，产生 125KHz 的读卡驱动信号。

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LC谐振电路具有选频能力，它可以将有用的频率成分保留下来，而将无用的频率成分滤除，比如收音机、电视机。收音机的天线会同时接收多个电台发射的不同载波的广播节目，而我们收听时，必须在这众多广播节目中选出我们所要接收的那一套广播节目，这就是选频(选台)。改变谐振电路的谐振频率，使其谐振在所需要接收台的载频上，从而选择出所接收台的广播信号，而滤除掉除此之外的其他台及外来的无用信号，这就完成了选台。

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（2）当有 ID 卡靠近读卡器线圈时，谐振把能量感应到 ID 卡内的线圈上，对卡内的电容进行充电，ID 卡将以此作为电源，通过负载调制的方法，向读卡器发送信息。原理如下所示。
如果变压器的副边突然接入一个大的负载，变压器原边电压就会瞬间降低，切除负载，变压器的原边电压就会马上恢复。前面说了，射频卡相当于变压器的副边，卡内也有这样一个负载，接通负载时射频场的振荡幅度会减小，切除负载，射频场的幅度会恢复。卡片通过负载是否接入来表示发送的数据，读写器探测到射频场的幅度改变，就能知道卡片发送什么数据了。这就是卡片回送数据的原理。
通过S开关的不断切换，将Rmod电阻不断并联，从而更改负载电阻的大小，当谐振回路两端的电压发生变化时，由于线圈电感耦合，这种变化会传递给读写器，表现为读写器线圈两端电压的振幅发生变化，因此产生对读写器电压的调幅，从而产生包络。

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（3）包络检波：
读卡器内部流程如下图所示。

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由于我们需要在产生的载波上，读取ID卡的编码，这时候调制信号的包络就是曼切斯特码，此时就需要包络检波电路来“提取”对应的曼切斯特码。

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包络：当用一个低频信号对一个高频信号进行幅度调制（即调幅）时，低频信号就成了高频信号的包络线。这样的信号称为调幅信号。从调幅信号中将低频信号解调出来的过程，就叫做包络检波。

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4、电路
（1）推挽式功率放大电路

（2）LC谐振电路

（3）包络检波电路

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（4）滤波整形电路

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我们在本文中使用新唐的N76E003单片机作为主控，通过f=1/T可以算出，T约为8us。我们采取PWM输出125KHz载波。

复制

void main(void)

{

    Set_All_GPIO_Quasi_Mode;//所有IO设置为双向模式

        PWM5_P03_OUTPUT_ENABLE;//使能PWM5，通过P03引脚输出

        clr_PWMTYP;//边沿对齐模式

        clr_PWMMOD0;//设置为独立输出模式

        clr_PWMMOD1;

        PWM_CLOCK_DIV_8;//8分频模式

        PWMPH = 0x00;

        PWMPL = 0x0f;

        

    set_SFRPAGE;//PWM4 and PWM5 duty seting is in SFP page 1

    PWM5H = 0x00;               

    PWM5L = 0x08;

    clr_SFRPAGE;                                            

    set_LOAD;//载入周期和占空比

    set_PWMRUN;//开始输出PWM

    while(1)

    {

       //构建你的代码，LOAD会自动重载，PWM持续输出。

    }

}

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单片机读取ID卡（EM41000的数据格式）
（一）EM4100的数据格式

现在让我们来解释一下。
（1）首先第一行，是9个“1”，这是EM4100固定的格式。
（2）之后的D00~D03，就是第一个ID号，P0代表的是第一行的偶校验（例：0000_0/0001_1/0110_0）当不为偶数时，偶校验置1。P0-P9均为每行前四位的偶校验。
（3）PC0~PC3为每列（P0-P9）的偶校验，（例：0000000110_0）
（4）举个栗子：卡号为06001259E3

在完成单片机读卡后，我们会使用单片机模拟ID卡，将使用这种数据格式发送卡号）

只看该作者 · 2019-6-11 22:49

（二）曼切斯特编码
为了后续的单片机读卡及单片机模拟ID卡，故我们需要了解下曼切斯特码（Manchester Encoding）的工作方式。让我们来看看下图

主要观察上图中的四种状态：11,10,01,00

只看该作者 · 2019-6-11 22:50

1、功率放大电路及125Khz载波测量
A点为示波器测量处，signalcarrier为单片机产生125KHz波形

实际波形

只看该作者 · 2019-6-11 22:51

2、LC谐振电路及正弦波测量
B点为示波器测量点

只看该作者 · 2019-6-11 22:52

3、包络检波电路及检波波形
C点为示波器测量点

只看该作者 · 2019-6-11 22:52

4、放大整形电路及输出波形测量
测量点为OutSignal。

只看该作者 · 2019-6-11 22:53

5、波形分析与读码
通过上面最终输出的波形，单片机已经可以识别到输出的曼切斯特码了。
首先我们使用市面上能买到的读卡器，读取一下本次测试用的ID卡卡号
1 E 0 0 6 8 B 0 9 8
通过在EM4100的数据格式一文中的格式，我们进行拆解，如下图所示

下面是一段随机截取的输出波形。我们进行分析

1111111111100110111001000，对照上图列表中的数据，然后发现根本对不上，，，，，
回过头来，我们在来看看关于曼切斯特码的格式。
从低到高跳变表示“1”，从高到低跳变表示“0”。（百度百科）

只看该作者 · 2019-6-11 22:54

这时候我们取反一下上面得到的编码
0000000000011001000110111（这下就可以对应上了吧~~~~~）

现在再让我们来看下维基百科上的相关图片，相信就会一目了然。

只看该作者 · 2019-6-12 10:14

很好，非常透彻。