单片机读取ID卡（EM4100卡）/ 125KHz RFID 曼彻斯特码 读卡程序

已于 2022-10-14 11:05:28 修改
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分类专栏： MCU 文章标签： 单片机 stm32
于 2021-05-18 15:02:29 首次发布
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一、读卡电路原理图

在这里插入图片描述
这个图是别人画的，不是太懂原理。


MCU产生125K 方波，经过74HC04和4.7欧电阻后到达铜质线圈，ID卡靠近线圈，LM358会输出“曼彻斯特编码”的数据。MCU采集后校验通过得到卡号。


二、曼彻斯特码

【参考资料】


曼彻斯特编码的ID卡每次输出64bit数据，其载波编码为曼彻斯特码。

在这里插入图片描述

曼彻斯特码调制方式下，EM4100卡片每传送一位数据的时间是64个振荡周期。

125KHZ载波时，卡片传送一bit数据理论频率为125KHz / 64 = 1.953125KHz。

得一个周期为1 000 000us / 1.953125KHz = 512us。

曼彻斯特码一个完整的数据跳变为一个周期（512us），

存在空跳则半个跳变为半个周期（256us）。


假设MCU的PC5产生125K方波，PD2作检波。PD2配置为外部中断输入，且中断触发方式为上升沿&下降沿。

  1. 如果捕获到一个边沿，距离上一个边沿时间为512us，则读取此时的PD2电平：
低电平此bit为1
高电平此bit为0
  1. 如果捕获到一个边沿，距离上一个边沿时间为256us，则此次不作判断；
    再次捕获到一个边沿时，判断：
上次bit = 1此次bit为1
上次bit = 0此次bit为0
或者
PD2 = 0此次bit为1
PD2 = 1此次bit为0

三、接收解析程序

以STM8S103为例，主频16MHz

/**
  * @brief  定时器
  * @note   
  * @param  None
  * @retval None
  * @author PWH @ 优快云 Tyrion.Mon
  * @date   2020
  */
void Tim1_Init(void)
{
	Tim1_DeInit();
	TIM1_TimeBaseInit(1, TIM1_COUNTERMODE_UP, 9999, 0); //2分频，计数模式-向上，溢出值，重载值
	TIM1_ARRPreloadConfig(ENABLE);//使能数值自动重装载功能
	TIM1_Cmd(ENABLE);
}

根据此配置得

计数器频率16MHz / 2 = 8MHz
计数周期1000000us / 8MHz = 0.125us
一个周期（512us）计数值为512us / 0.125 = 4096
半个周期（256us）计数值为256us / 0.125 = 2048



因为一次传输64bit，所以一次接收128bit数据，其中肯定包含完整的一组数据。
用一个数组存储采集的数据

uint8_t ManchesterCodeBits[16] = {0}; //125KhzID卡 曼彻斯特码（Manchester code）  一次输出64位数据信息  ,采集两组 64bit*2 = 128bit  128/8=16Bytes

/**
  * @brief  外部中断配置
  * @note   
  * @param  None
  * @retval None
  * @author PWH @ 优快云 Tyrion.Mon
  * @date   2020
  */
void Exti_init(void)
{
    GPIO_Init(GPIOD,GPIO_PIN_2,GPIO_MODE_IN_PU_IT);
    EXTI_SetExtIntSensitivity(EXTI_PORT_GPIOD, EXTI_SENSITIVITY_RISE_FALL);
}

uint8_t CodeBitsRecComplete = 0;	//为0接收，为1校验
/**
  * @brief  PD中断服务函数
  * @note   
  * @param  None
  * @retval None
  * @author PWH  @ 优快云 Tyrion.Mon
  * @date   2020
  */
INTERRUPT_HANDLER(EXTI_PORTD_IRQHandler, 6)
{
	static uint8_t BitsCnt = 0;   //接收到的bit计数，接收完128bit后暂停接收，进入校验步骤
	uint8_t Value = 0;
	uint16_t temp = 0;
	static uint8_t flag = 0;
	if (!CodeBitsRecComplete)
	{
		temp |= TIM1->CNTRH;
		temp <<= 8;
		temp |= TIM1->CNTRL;    //temp为计数器当前值
		if (temp > 3000 && temp < 5000) // 1个周期计数值约4096
		{
			TIM1->CR1 &= 0xFE;    //关定时器
			TIM1->CNTRH = 0;      //清零计数器
			TIM1->CNTRL = 0;
			TIM1->CR1 |= 0x01;    //开定时器
			if (flag)             //上一个跳变为空跳
			{
				Value = ((ManchesterCodeBits[(BitsCnt - 1) / 8] >> (7 - (BitsCnt - 1) % 8)) & 0x01) ? 1 : 0;    //上一bit为1则为1，否则为0
			}
			else
				Value = (GPIOD->IDR) & 0x04 ? 0 : 1;
			flag = 0;
			ManchesterCodeBits[BitsCnt / 8] |= (Value << (7 - BitsCnt % 8));
			BitsCnt++;
			if (BitsCnt > 127)
			{
				CodeBitsRecComplete = 1;
				BitsCnt = 0;
			}
		}
		else if (temp > 1000 && temp < 3000) // 1/2个周期计数值约2048
		{
			flag = 1;     //检测到一个空跳
		}
	}
}

四、EM4100卡片64位数据存储格式和发送格式

在这里插入图片描述

引导码1 1111 1111 （9bit）
D00 - D13版本号之类的（8bit）
D20 - D93卡号（32bit）
Px行校验 （10bit）
PCx列校验 （4bit）
S0停止位 （1bit）


传输顺序

bit 0 - bit 8引导位 1 1111 1111 （9bit）
bit 9 - bit 13D00 D01 D02 D03 P0
bit 14 - bit 18D10 D11 D12 D13 P1
……
bit 54 - bit 58D90 D91 D92 D93 P9
bit 59 - bit 62PC0 PC1 PC2 PC3
bit 63S0


五、数据校验程序

uint8_t GetBitValue(uint8_t bitsCnt)
{
	return (ManchesterCodeBits[bitsCnt / 8] >> (7 - bitsCnt % 8)) & 0x01;
}

/**
  * @brief  数据校验
  * @note   此函数在主循环中执行，或放在过滤函数（例如连续多次读到的数据均无错误才认为读到卡）中执行
  * @param  pBuff 存储卡号的数组
  * @retval None
  * @author PWH   @ 优快云 Tyrion.Mon
  * @date   2020
  */
uint8_t GetCardNO(uint8_t * pBuff)
{
	uint8_t bitsCnt = 0;
	uint8_t i = 0;
	uint8_t j = 0;
	uint16_t Value = 0;
	uint8_t status = CARDFALSE;
	if (!CodeBitsRecComplete) return CARDREADING;     //有卡时，1秒满13次
	//无卡，1秒4 - 6次
	status = CARDFALSE;
	
	/* 找 0 1 1111 1111 （1停止位+9引导位） 如果bit63-bit72仍不是，则没必要继续找 */
	while (bitsCnt <= 63) 
	{
		Value = 0;
		for (j = 0; j <= 9; j++)
		{
			Value <<= 1;
			Value |= GetBitValue(bitsCnt + j);
		}
		if ( Value == 0x01ff ) //找到 0 1 1111 1111
		{
			bitsCnt += 10;	//跳过停止位和引导位
			break;
		}
		else				//没 找到 0 1 1111 1111
		{
			bitsCnt++;
		}
	}
	/* 找到了 0 1 1111 1111 */
	if (bitsCnt != 64)
	{     /* 数据行0校验 */
		if ( (GetBitValue(bitsCnt) + GetBitValue(bitsCnt + 1) + GetBitValue(bitsCnt + 2) + GetBitValue(bitsCnt + 3)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 4) )
		{     /* 数据行1校验 */
			if ( (GetBitValue(bitsCnt + 5) + GetBitValue(bitsCnt + 6) + GetBitValue(bitsCnt + 7) + GetBitValue(bitsCnt + 8)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 9) )  
			{     /* 数据行2校验 */
				if ( (GetBitValue(bitsCnt + 10) + GetBitValue(bitsCnt + 11) + GetBitValue(bitsCnt + 12) + GetBitValue(bitsCnt + 13)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 14) )
				{     /* 数据行3校验 */
					if ( (GetBitValue(bitsCnt + 15) + GetBitValue(bitsCnt + 16) + GetBitValue(bitsCnt + 17) + GetBitValue(bitsCnt + 18)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 19) )
					{     /* 数据行4校验 */
						if ( (GetBitValue(bitsCnt + 20) + GetBitValue(bitsCnt + 21) + GetBitValue(bitsCnt + 22) + GetBitValue(bitsCnt + 23)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 24) )
						{     /* 数据行5校验 */
							if ( (GetBitValue(bitsCnt + 25) + GetBitValue(bitsCnt + 26) + GetBitValue(bitsCnt + 27) + GetBitValue(bitsCnt + 28)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 29) )
							{     /* 数据行6校验 */
								if ( (GetBitValue(bitsCnt + 30) + GetBitValue(bitsCnt + 31) + GetBitValue(bitsCnt + 32) + GetBitValue(bitsCnt + 33)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 34) )
								{     /* 数据行7校验 */
									if ( (GetBitValue(bitsCnt + 35) + GetBitValue(bitsCnt + 36) + GetBitValue(bitsCnt + 37) + GetBitValue(bitsCnt + 38)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 39) )
									{     /* 数据行8校验 */
										if ( (GetBitValue(bitsCnt + 40) + GetBitValue(bitsCnt + 41) + GetBitValue(bitsCnt + 42) + GetBitValue(bitsCnt + 43)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 44) )
										{     /* 数据行9校验 */
											if ( (GetBitValue(bitsCnt + 45) + GetBitValue(bitsCnt + 46) + GetBitValue(bitsCnt + 47) + GetBitValue(bitsCnt + 48)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 49) )
											{     /* 数据列0校验 */
												if ( (GetBitValue(bitsCnt) + GetBitValue(bitsCnt + 5) + GetBitValue(bitsCnt + 10) + GetBitValue(bitsCnt + 15) + GetBitValue(bitsCnt + 20) + GetBitValue(bitsCnt + 25) + GetBitValue(bitsCnt + 30) + GetBitValue(bitsCnt + 35) + GetBitValue(bitsCnt + 40) + GetBitValue(bitsCnt + 45)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 50) )
												{     /* 数据列1校验 */
													if ( (GetBitValue(bitsCnt + 1) + GetBitValue(bitsCnt + 6) + GetBitValue(bitsCnt + 11) + GetBitValue(bitsCnt + 16) + GetBitValue(bitsCnt + 21) + GetBitValue(bitsCnt + 26) + GetBitValue(bitsCnt + 31) + GetBitValue(bitsCnt + 36) + GetBitValue(bitsCnt + 41) + GetBitValue(bitsCnt + 46)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 51) )
													{     /* 数据列2校验 */
														if ( (GetBitValue(bitsCnt + 2) + GetBitValue(bitsCnt + 7) + GetBitValue(bitsCnt + 12) + GetBitValue(bitsCnt + 17) + GetBitValue(bitsCnt + 22) + GetBitValue(bitsCnt + 27) + GetBitValue(bitsCnt + 32) + GetBitValue(bitsCnt + 37) + GetBitValue(bitsCnt + 42) + GetBitValue(bitsCnt + 47)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 52) )
														{     /* 数据列3校验 */
															if ( (GetBitValue(bitsCnt + 3) + GetBitValue(bitsCnt + 8) + GetBitValue(bitsCnt + 13) + GetBitValue(bitsCnt + 18) + GetBitValue(bitsCnt + 23) + GetBitValue(bitsCnt + 28) + GetBitValue(bitsCnt + 33) + GetBitValue(bitsCnt + 38) + GetBitValue(bitsCnt + 43) + GetBitValue(bitsCnt + 48)) % 2 == GetBitValue(bitsCnt + 53) )
															{     /* 停止位 */
																if (GetBitValue(bitsCnt + 54) == 0)
																{
																	status = CARDTRUE;
	                                                                /* 4字节卡号 */
																	pBuff[0] = GetBitValue(bitsCnt + 10) << 7 | GetBitValue(bitsCnt + 11) << 6 | GetBitValue(bitsCnt + 12) << 5 | GetBitValue(bitsCnt + 13) << 4 |  GetBitValue(bitsCnt + 15) << 3 | GetBitValue(bitsCnt + 16) << 2 | GetBitValue(bitsCnt + 17) << 1 | GetBitValue(bitsCnt + 18);
																	pBuff[1] = GetBitValue(bitsCnt + 20) << 7 | GetBitValue(bitsCnt + 21) << 6 | GetBitValue(bitsCnt + 22) << 5 | GetBitValue(bitsCnt + 23) << 4 |  GetBitValue(bitsCnt + 25) << 3 | GetBitValue(bitsCnt + 26) << 2 | GetBitValue(bitsCnt + 27) << 1 | GetBitValue(bitsCnt + 28);
																	pBuff[2] = GetBitValue(bitsCnt + 30) << 7 | GetBitValue(bitsCnt + 31) << 6 | GetBitValue(bitsCnt + 32) << 5 | GetBitValue(bitsCnt + 33) << 4 |  GetBitValue(bitsCnt + 35) << 3 | GetBitValue(bitsCnt + 36) << 2 | GetBitValue(bitsCnt + 37) << 1 | GetBitValue(bitsCnt + 38);
																	pBuff[3] = GetBitValue(bitsCnt + 40) << 7 | GetBitValue(bitsCnt + 41) << 6 | GetBitValue(bitsCnt + 42) << 5 | GetBitValue(bitsCnt + 43) << 4 |  GetBitValue(bitsCnt + 45) << 3 | GetBitValue(bitsCnt + 46) << 2 | GetBitValue(bitsCnt + 47) << 1 | GetBitValue(bitsCnt + 48);
																}
															}
														}
													}
												}
											}
										}
									}
								}
							}
						}
					}
				}
			}
		}
	}
	for (i = 0; i < 16; i++)
	{
		ManchesterCodeBits[i] = 0;
	}
	CodeBitsRecComplete = 0;
	return status;
}


在理解校验原理的基础上用循环结构对校验进行简写

if (bitsCnt != 64)
{
    status = CARDTRUE;
    /* 对10组行数据进行校验 */
    for (i = bitsCnt; i <= (bitsCnt + 45); i += 5)
    {
        Value = 0;
        for (j = 0; j <= 3; j++)
        {
            Value +=  GetBitValue(i + j);   //每行4bit数据累加
        }
        if ( Value % 2 != GetBitValue(i + 4) )
        {
            status = CARDFALSE;
            break;
        }
    }
    if (status == CARDTRUE)
    {
        /* 对4组列数据进行校验 */
        for (i = bitsCnt; i <= (bitsCnt + 3); i++)
        {
            Value = 0;
            for (j = 0; j <= 45; j += 5)
            {
                Value +=  GetBitValue(i + j);   //每列10bit数据累加
            }
            if ( Value % 2 != GetBitValue(i + 50) )
            {
                status = CARDFALSE;
                break;
            }
        }
    }
    if (status == CARDTRUE)
    {
        /* 停止位 */
        if (GetBitValue(bitsCnt + 54) == 0)
        {
            status = CARDTRUE;
            /* 4字节卡号 */
            for (i = 0; i < 4; i++)
            {
                pBuff[i] = 0;
                for (j = 0; j <= 8; j++)
                {
                    if (j != 4)
                    {
                        pBuff[i] <<= 1;
                        pBuff[i] |= GetBitValue(bitsCnt + (i + 1) * 10 + j);
                    }
                }
            }
        }
        else
            status = CARDFALSE;
    }
}



这个只是简单的实现，识别速度慢，偶有识别错误。可以通过优化大大提高识别速度以及达到接近百分百的准确率。
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rfid.zip_125K RFID_125K 51_rfid 单片机_rfid读卡_单片机125k读卡
09-24
压缩包中的"rfid下位机源程序"很可能是51单片机的读卡器程序，用于读取125kHz RFID标签的数据。下位机（Slave Device）通常指的是在系统中执行特定任务的设备，这里是与RFID应答器交互的硬件部分。源程序可能包含了...
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