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摘要：在射频识别应用中，如何对射频芯片输出的数据进行即准确又快速的解码是一个非常关键的问题。本文以EM4100和EM4095芯片为例，通过分析它们的基本构造以及编码方式，得出了一种曼彻斯特解码算法的新思路，并给出了实现这个算法的基本流程。
关键词：曼彻斯特解码算法；射频识别；EM4095；EM4100
中图分类号：TP391.44 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 19-0000-02
The Application and Research of Manchester Decoding Algorithm in Radio Frequency Identification
Liang Zuoquan
(Shanghai Puhua Chengxin Information Technology Co.,Ltd.,Shanghai201112,China)
Abstract:In the application of RFID,the very pivotal problem is that how to decode the data output from RF chips accurately and apace.In this paper,through analysing the basic structure and decoding, for example,the chip EM4100 and EM4095,we can obtain a new thinking about anchester Code Decoding Algorithm,and it gives the basic process of how to realize this algorithm.
Keywords:Manchester Code Decoding Algorithm;Radio Frequency Identification;EM4095;EM4100
一、射频识别读卡系统的构成
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种新兴的应用技术，它是利用射频信号和空间耦合的传输特性，来实现识别功能。目前这种技术潜力巨大，发展速度很快，正在被广泛应用开来。
射频识别读卡系统的结构如图1所示，智能卡和读卡器两个部分构成了整个系统。其中，智能卡包括EM4100芯片和天线两部分，读卡器包括EM4095芯片、天线和微控制器三部分。
在实际应用时，读卡器会不停地向四周发射一种固定频率为125kHz的电磁波，而智能卡内则有一个工作频率与读卡器相对应，也为125kHz的LC串联谐振电路。当智能卡进入读卡器发射的磁场空间时，就会在电磁激励下通过LC串联谐振电路产生共振，并由此获得能量。同时在这个过程中，智能卡内的EM4100芯片将自身的ID信息调制后发送到了读卡器内的EM4095芯片中，EM4095芯片则将获得的ID信息解调后以曼彻斯特码的形式通过DEMOD_OUT引脚输出到微控制器中。在读卡器内还有一个休眠控制引脚SHD，当该引脚处于高电平时EM4095芯片将进入休眠状态，若需要进入工作状态则可以把SHD引脚下拉到低电平，同时也能节省一个微控制器的I/O引脚。
二、EM4095芯片、EM4100芯片以及曼彻斯特编码介绍
EM4095芯片是由一个CMOS集成收发器电路构成的，用作射频识别基站。它的载波频率为100～150kHz，数据采用调幅方式传输，并且能适用于多种智能卡的传输协议。
使用时，EM4095芯片通过外接天线来接收调幅信号。而芯片的操作由SHD和DEMOD_OUT两个引脚来控制：当SHD引脚处于低电平时芯片将开始工作并通过外接天线产生射频电磁场；而当SHD引脚处于高电平时芯片进入休眠状态。天线上的调幅信号被EM4095芯片解调成曼彻斯特码后，将通过引脚DEMOD_OUT输出到微控制器中以进行解码和进一步的处理。
EM4100芯片中包一共含64位信息，此信息分为5组：9位同步头、40个数据位（D00～D93）、10个行校验位（P0～P9）、4个列校验位（PC0 PC3）和1个停止位（SO）。
同步头由9个“1”组成，往下是10组4位数据位和1位行校验位，再往下是1组4位列校验位数据。位“D00～D03”和“D10～D13”为用户特殊标识。S0是一个逻辑为0的停止位。在实际运用中，这64位信息将被不断循环的顺序输出直到能量完全消耗完。
每一个比特位表示一个数据，其中由“0”位上升到“1”位表示数据“l”，由“1”位下降到“0”位则表示数据“0”。
三、曼彻斯特解码算法
（一）DEMOD_OUT引脚上的信号
对曼彻斯特码进行解码，主要是对DEMOD_OUT引脚上的大信号进行解码。
1.DEMOD_OUT引脚上的信号如图4所示，正好与图3所示的曼彻斯特编码相反，即由“1”位下降到“0”位表示数据“1”，由“0”位上升到“1”位则表示数据“0”。
2.当智能卡进入射频磁场时，将循环的输出自带的64位ID信息，由于曼彻斯特编码是用0或1两个“半位”来表示一位数据的，因此DEMOD_OUT引脚上的信号是一个长度有限的序列，它以128个“半位”的数据为周期。
3.EM4095芯片的载波频率为100～150kHz，因此“一位”数据的脉宽为640～427µs，“半位”数据的脉宽为320～213.5µs。
（二）曼彻斯特解码算法
原始数据与曼彻斯特编码的关系如图5所示，列出了所有可能的4种情况。一位的原始数据都可以用“前半位”的值来表示，而“前半位”所在的位置只有当遇到连续而且相同的两个“半位”数据时才能得到判断，具体数值等于这两个连续且相同的半位值的相反值。
如果数据是由DEMOD_OUT引脚通过普通I/O接口传输进入微控制器内，并使用软件延时的方法进行解码，这样识别效率会比较低而且容易出错。而本文采用的是由DEMOD_OUT引脚通过与微控制器的捕获中断功能引脚相连接并传输数据。在实际应用中由边沿方式触发中断，再根据脉冲宽度，通过中断捕获由DEMOD_OUT引脚发出的128个“半位”数据。
在处理完128个数据后，逻辑上把这128个“半位”数据当作一个环形缓冲区，并通过如图5所示的由两个连续且相同的半位值可判断出“前半位”位置，即这128个数据是奇数项还是偶数项有效。而原始的64位数据正是由这个过程得到的有效序列，接下来就可以对这个有效序列进行解码。具体解码流程如图7所示。
解码查询可以在解码时每100MS查询一次并打开中断，而在完成128位数据的采集后关闭中断的方式，可以有效的防止因为读卡器的工况改变而出现误码的情况。
四、结论
本文所设计的解码方法仅仅需要用到微控制器上的1到2个引脚，简化了硬件的接口电路，解码算法简单，移植性很高，多种程序语实现，可以广泛应用到社会工作生活中去。
参考文献：
[1]刘光珍.简析RFID的几个关键技术[J].条码与信息系统,2011,3
[2]刘伟,张益铭.射频识别技术的研究[J].数字技术与应用,2011,7
[3]周剑波.曼彻斯特码解调与测试技巧[J].电子测试,2007,2
[4]丁明军,徐建城.射频卡应用中的曼彻斯特解码技术[J].通信技术,2007,12
[5]EM Microelectronic[M].EM4100 data,2010
[6]EM Microelectronic[M].EM4095 data,2010
[基金项目]国家科技支撑计划项目（2009BAH43B03）
[作者简介]梁佐泉（1974-），男，上海人，工程师，上海普华诚信信息技术有限公司技术总监，主要从事电子政务信息安全和企业信息化领域的研究。
关键词：曼彻斯特解码算法；射频识别；EM4095；EM4100
中图分类号：TP391.44 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 19-0000-02
The Application and Research of Manchester Decoding Algorithm in Radio Frequency Identification
Liang Zuoquan
(Shanghai Puhua Chengxin Information Technology Co.,Ltd.,Shanghai201112,China)
Abstract:In the application of RFID,the very pivotal problem is that how to decode the data output from RF chips accurately and apace.In this paper,through analysing the basic structure and decoding, for example,the chip EM4100 and EM4095,we can obtain a new thinking about anchester Code Decoding Algorithm,and it gives the basic process of how to realize this algorithm.
Keywords:Manchester Code Decoding Algorithm;Radio Frequency Identification;EM4095;EM4100
一、射频识别读卡系统的构成
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种新兴的应用技术，它是利用射频信号和空间耦合的传输特性，来实现识别功能。目前这种技术潜力巨大，发展速度很快，正在被广泛应用开来。
射频识别读卡系统的结构如图1所示，智能卡和读卡器两个部分构成了整个系统。其中，智能卡包括EM4100芯片和天线两部分，读卡器包括EM4095芯片、天线和微控制器三部分。
在实际应用时，读卡器会不停地向四周发射一种固定频率为125kHz的电磁波，而智能卡内则有一个工作频率与读卡器相对应，也为125kHz的LC串联谐振电路。当智能卡进入读卡器发射的磁场空间时，就会在电磁激励下通过LC串联谐振电路产生共振，并由此获得能量。同时在这个过程中，智能卡内的EM4100芯片将自身的ID信息调制后发送到了读卡器内的EM4095芯片中，EM4095芯片则将获得的ID信息解调后以曼彻斯特码的形式通过DEMOD_OUT引脚输出到微控制器中。在读卡器内还有一个休眠控制引脚SHD，当该引脚处于高电平时EM4095芯片将进入休眠状态，若需要进入工作状态则可以把SHD引脚下拉到低电平，同时也能节省一个微控制器的I/O引脚。
二、EM4095芯片、EM4100芯片以及曼彻斯特编码介绍
EM4095芯片是由一个CMOS集成收发器电路构成的，用作射频识别基站。它的载波频率为100～150kHz，数据采用调幅方式传输，并且能适用于多种智能卡的传输协议。
使用时，EM4095芯片通过外接天线来接收调幅信号。而芯片的操作由SHD和DEMOD_OUT两个引脚来控制：当SHD引脚处于低电平时芯片将开始工作并通过外接天线产生射频电磁场；而当SHD引脚处于高电平时芯片进入休眠状态。天线上的调幅信号被EM4095芯片解调成曼彻斯特码后，将通过引脚DEMOD_OUT输出到微控制器中以进行解码和进一步的处理。
EM4100芯片中包一共含64位信息，此信息分为5组：9位同步头、40个数据位（D00～D93）、10个行校验位（P0～P9）、4个列校验位（PC0 PC3）和1个停止位（SO）。
同步头由9个“1”组成，往下是10组4位数据位和1位行校验位，再往下是1组4位列校验位数据。位“D00～D03”和“D10～D13”为用户特殊标识。S0是一个逻辑为0的停止位。在实际运用中，这64位信息将被不断循环的顺序输出直到能量完全消耗完。
每一个比特位表示一个数据，其中由“0”位上升到“1”位表示数据“l”，由“1”位下降到“0”位则表示数据“0”。
三、曼彻斯特解码算法
（一）DEMOD_OUT引脚上的信号
对曼彻斯特码进行解码，主要是对DEMOD_OUT引脚上的大信号进行解码。
1.DEMOD_OUT引脚上的信号如图4所示，正好与图3所示的曼彻斯特编码相反，即由“1”位下降到“0”位表示数据“1”，由“0”位上升到“1”位则表示数据“0”。
2.当智能卡进入射频磁场时，将循环的输出自带的64位ID信息，由于曼彻斯特编码是用0或1两个“半位”来表示一位数据的，因此DEMOD_OUT引脚上的信号是一个长度有限的序列，它以128个“半位”的数据为周期。
3.EM4095芯片的载波频率为100～150kHz，因此“一位”数据的脉宽为640～427µs，“半位”数据的脉宽为320～213.5µs。
（二）曼彻斯特解码算法
原始数据与曼彻斯特编码的关系如图5所示，列出了所有可能的4种情况。一位的原始数据都可以用“前半位”的值来表示，而“前半位”所在的位置只有当遇到连续而且相同的两个“半位”数据时才能得到判断，具体数值等于这两个连续且相同的半位值的相反值。
如果数据是由DEMOD_OUT引脚通过普通I/O接口传输进入微控制器内，并使用软件延时的方法进行解码，这样识别效率会比较低而且容易出错。而本文采用的是由DEMOD_OUT引脚通过与微控制器的捕获中断功能引脚相连接并传输数据。在实际应用中由边沿方式触发中断，再根据脉冲宽度，通过中断捕获由DEMOD_OUT引脚发出的128个“半位”数据。
在处理完128个数据后，逻辑上把这128个“半位”数据当作一个环形缓冲区，并通过如图5所示的由两个连续且相同的半位值可判断出“前半位”位置，即这128个数据是奇数项还是偶数项有效。而原始的64位数据正是由这个过程得到的有效序列，接下来就可以对这个有效序列进行解码。具体解码流程如图7所示。
解码查询可以在解码时每100MS查询一次并打开中断，而在完成128位数据的采集后关闭中断的方式，可以有效的防止因为读卡器的工况改变而出现误码的情况。
四、结论
本文所设计的解码方法仅仅需要用到微控制器上的1到2个引脚，简化了硬件的接口电路，解码算法简单，移植性很高，多种程序语实现，可以广泛应用到社会工作生活中去。
参考文献：
[1]刘光珍.简析RFID的几个关键技术[J].条码与信息系统,2011,3
[2]刘伟,张益铭.射频识别技术的研究[J].数字技术与应用,2011,7
[3]周剑波.曼彻斯特码解调与测试技巧[J].电子测试,2007,2
[4]丁明军,徐建城.射频卡应用中的曼彻斯特解码技术[J].通信技术,2007,12
[5]EM Microelectronic[M].EM4100 data,2010
[6]EM Microelectronic[M].EM4095 data,2010
[基金项目]国家科技支撑计划项目（2009BAH43B03）
[作者简介]梁佐泉（1974-），男，上海人，工程师，上海普华诚信信息技术有限公司技术总监，主要从事电子政务信息安全和企业信息化领域的研究。