采用射頻標(biāo)簽多協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)RFID閱讀器的設(shè)計(jì)

概述

近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技術(shù)也在迅速發(fā)展。目前，IC卡已經(jīng)深入到社會(huì)生活的各個(gè)角落，各種各樣的卡大大方便了人們的生活，如銀行使用的信用卡、公交車使用的交通卡、食堂使用的就餐卡、出入管理使用的考勤卡、打電話使用的電話卡、手機(jī)中使用的SIM卡等。IC卡又稱為集成電路卡?？ㄆ瑑?nèi)封裝有集成電路，用以存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)。在IC卡的發(fā)展過(guò)程中正在經(jīng)歷從存儲(chǔ)卡到智能卡，從接觸式卡到非接觸式卡，從近距離卡到遠(yuǎn)距離卡的過(guò)渡，與之相應(yīng)的，能夠讀取卡內(nèi)信息的閱讀器也在不斷的發(fā)展和更新。非接觸式卡又稱射頻卡（應(yīng)答器），使用無(wú)線電調(diào)制方式和閱讀器進(jìn)行信息交換。

射頻識(shí)別技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用無(wú)線電射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信。RFID（Radio Frequency Identification）系統(tǒng)中射頻卡（應(yīng)答器）與閱讀器之間無(wú)需物理接觸即可完成識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，應(yīng)用范圍更加廣泛。圖1是閱讀器和應(yīng)答器組成的一個(gè)完整射頻系統(tǒng)：

從射頻系統(tǒng)中可以看出閱讀器的重要性及它的功能，在整個(gè)通信過(guò)程中閱讀器起到橋梁的作用。

硬件設(shè)計(jì)

考慮到閱讀器在系統(tǒng)中要完成的工作主要是從射頻卡讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)相應(yīng)的處理后送給主機(jī)。在設(shè)計(jì)時(shí)按功能對(duì)閱讀器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，圖2是閱讀器的內(nèi)部功能框圖。圖中閱讀器分為射頻卡數(shù)據(jù)讀取部分（射頻部分）、控制電路部分、主機(jī)接口電路部分。

控制部分

此控制部分是為了輔助RI-R6C-001A工作，因?yàn)镽I-R6C-001A芯片要正常工作，完成射頻閱讀器的功能，不但需要有外圍電路，而且還需要有控制器對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。在此設(shè)計(jì)中選用了PIC16F874單片機(jī)作為控制器，由于此單片機(jī)有豐富的位操作指令，有SPI串行口，精簡(jiǎn)的指令集，能夠很容易的模擬RI-R6C-001A傳送數(shù)據(jù)的時(shí)序以及時(shí)鐘切換時(shí)序。由于RI-R6C-001A對(duì)外只提供 四個(gè)引腳DOUT、DIN、SCLOCK、M-ERR，所以控制器的接口電路相對(duì)較簡(jiǎn)單。DOUT、DIN、SCLOCK三個(gè)引腳分別連接到單片機(jī)的SPI串行口SDI、SDO、SCK三根線上，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳輸。M-ERR引腳用來(lái)檢測(cè)接收到射頻卡中的數(shù)據(jù)是否發(fā)生錯(cuò)誤，若有錯(cuò)誤此引腳變?yōu)楦唠娖?，因此把該引腳接到單片機(jī)的外部中斷輸入引腳端，用于檢測(cè)接收數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤，進(jìn)而單片機(jī)對(duì)其做出相應(yīng)的處理。由于RI-R6C-001A在接收射頻卡中的數(shù)據(jù)并把它發(fā)送給控制器時(shí)，要求控制器要對(duì)其發(fā)送數(shù)據(jù)是否結(jié)束做出判斷，并且RI-R6C-001A不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就不再送時(shí)鐘，所以在此電路設(shè)計(jì)中把RI-R6C-001A的SCLOCK引腳也接到了具有電壓變化中斷功能的RB4引腳，此引腳外接一個(gè)二極管，與軟件結(jié)合起來(lái)，要求當(dāng)控制器供應(yīng)時(shí)鐘時(shí)，RB4引腳處于高電平輸出狀態(tài)，經(jīng)過(guò)二極管，RB4引腳不會(huì)輸入時(shí)鐘；當(dāng)RI-R6C-001A供應(yīng)時(shí)鐘時(shí) ，RB4引腳處于輸入狀態(tài)，SCLOCK信號(hào)輸入此引腳，從而可以對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)是否結(jié)束作出相應(yīng)的判斷。

射頻部分

RI-R6C-001A芯片是TI公司最新開發(fā)的針對(duì)IC卡讀寫的多協(xié)議收發(fā)器，支持的協(xié)議包括： Tag-it協(xié)議、ISO/IEC 15693-2、ISO/IEC 14443-2（TYPE A）。該收發(fā)器由發(fā)送器，接收器，電源供應(yīng)，參考時(shí)鐘和內(nèi)部振蕩器，默認(rèn)的復(fù)位設(shè)置和電源管理，串行通信接口等幾部分組成。該芯片通常是＋5V供電，采用SSOP20封裝，內(nèi)部封裝有發(fā)送編碼器，調(diào)制器，接收器和解調(diào)器，典型發(fā)送功率200mW，有IDLE、POWER DOWN、FULL POWER三種電源管理功能。它提供給用戶數(shù)字接口的信號(hào)線為DIN、DOUT、SCLOCK，通過(guò)這三根線可完成控制器與RI-R6C-001A芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)RI-R6C-001A要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘由單片機(jī)控制，當(dāng)它要接收數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘由該芯片控制。 DOUT除了在接收數(shù)據(jù)期間有把接收到的數(shù)據(jù)輸出給單片機(jī)的功能外，還用來(lái)表征RI-R6C-001A內(nèi)部FIFO的情況。DOUT內(nèi)部下拉，平時(shí)為低電平。輸入數(shù)據(jù)過(guò)程中，當(dāng)RI-R6C-001A的16位FIFO寄存器滿時(shí)，DOUT線會(huì)自動(dòng)跳變?yōu)楦唠娖?，直到FIFO寄存器空，DOUT線又會(huì)跳變?yōu)榈碗娖健Ｔ谲浖O(shè)計(jì)時(shí)單片機(jī)每發(fā)一位數(shù)據(jù)都要檢測(cè)DOUT的狀態(tài)。在DOUT為高電平期間，輸入數(shù)據(jù)無(wú)效。

射頻電路由三大部分組成（見圖4）：RI-R6C-001A應(yīng)用電路，與單片機(jī)相連的接口電路，天線發(fā)送。接收電路：在RI-R6C-001A應(yīng)用電路中，L1、L2、C2組成的T型網(wǎng)絡(luò)以及L3、C9組成的LC網(wǎng)絡(luò)都是起到濾波的效果，使RI-R6C-001A通過(guò)天線接收的數(shù)據(jù)不至于流向發(fā)送端TX-OUT，因?yàn)榇诵酒l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)頻率是13.56MHz，而接收的信號(hào)的載波頻率是13.56MHz/28和13.56MHz/32（FM）或者13.56MHz/32（AM），R-MOD端的電阻R2決定發(fā)送信號(hào)的調(diào)制深度；R3、L4、C10、C11組成串聯(lián)諧振電路，匹配阻抗50 ，可調(diào)電容C11用來(lái)準(zhǔn)確調(diào)整電路諧振點(diǎn)在13.56MHz。這一設(shè)計(jì)有利于閱讀器正確的收發(fā)信息。

系統(tǒng)工作過(guò)程

接收數(shù)據(jù)過(guò)程

單片機(jī)與RI-R6C-001A之間通信必須遵循Tag-it協(xié)議或ISO/IEC 15693，其中Tag-it是TI公司最新開發(fā)的RFID Transponder（應(yīng)答器）的注冊(cè)商標(biāo)，是一個(gè)產(chǎn)品系列。Tag-it完全和ISO/IEC15693兼容，Tag-it應(yīng)答器與閱讀器之間是半雙工通信，首先閱讀器主動(dòng)發(fā)一個(gè)請(qǐng)求（包含命令和參數(shù)），應(yīng)答器被動(dòng)發(fā)一個(gè)應(yīng)答（包含發(fā)送的數(shù)據(jù)和狀態(tài)）。 在軟件設(shè)計(jì)上必須讓單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)滿足RI-R6C-001A的通信要求。由單片機(jī)發(fā)給RI-R6C-001A的命令序列必須符合以下格式：

S1表示傳輸開始，長(zhǎng)度為1位；CMD表示命令字節(jié)，長(zhǎng)度為8位或1位，8位用于普通模式，1位用于寄存器模式；ES1表示傳輸停止。命令字節(jié)：規(guī)定RI-R6C-001A與應(yīng)答器通信時(shí)的有關(guān)參數(shù)，例如：支持的射頻協(xié)議，調(diào)制方式，調(diào)制深度，波特率等。普通模式在每次通信時(shí)命令序列中都要包含使用的有關(guān)參數(shù)，而寄存器模式命令序列中并不含這些參數(shù)，而是由預(yù)先寫入配置寄存器中的數(shù)值所決定；數(shù)據(jù)位是根據(jù)通信時(shí)的要求定的，數(shù)據(jù)位的順序由ISO15693-3或者Tag-it協(xié)議所規(guī)定，具體采用哪一種射頻協(xié)議使閱讀器與應(yīng)答器通信由CMD中指定， 因此數(shù)據(jù)位是任意的，且長(zhǎng)短根據(jù)要求通信的信息而定。單片機(jī)的SPI口正好能滿足這一要求。由于SPI口沒有開始和停止位，為了滿足RI-R6C-001A開始和停止位的要求，起始位是通過(guò)在啟動(dòng)SPI口之前直接用位操作指令先對(duì)DIN置低，然后對(duì)SCLOCK置高，再把DIN置高從而表示開始接收數(shù)據(jù)的起始位，然后啟動(dòng)SPI接口傳輸數(shù)據(jù)； 停止位是通過(guò)在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后把SPI口引腳變成通用的I/O引腳，用位操作指令先把DIN、SCLOCK置高，再把DIN置低，表示傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束。數(shù)據(jù)位：RI-R6C-001A接收單片機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)是在每個(gè)時(shí)鐘SCLOCK的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并且要求數(shù)據(jù)位的值必須被建立且SCLOCK為高電平時(shí)數(shù)據(jù)保持不變，也就是說(shuō)要求單片機(jī)在時(shí)鐘的下降沿送出數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)是穩(wěn)定的，可供閱讀器對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，因此對(duì)控制器SPI口相關(guān)寄存器SSPCON和SSPSTAT進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置就可以滿足此要求。

數(shù)據(jù)傳送

單片機(jī)要接收RI-R6C-001A發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，首先在時(shí)序上必須滿足RI-R6C-001A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序的要求，見圖5。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，是在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿送出數(shù)據(jù)，在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定，因此單片機(jī)應(yīng)該在時(shí)鐘的下降沿采樣數(shù)據(jù)，這同樣可以通過(guò)設(shè)置SSPCON和SSPSTAT寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

時(shí)鐘切換

需要注意的是，當(dāng)單片機(jī)由發(fā)送轉(zhuǎn)換為接收過(guò)程中，它同時(shí)由主動(dòng)轉(zhuǎn)化為被動(dòng)，由發(fā)送時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為接收時(shí)鐘，這里有時(shí)鐘切換問題，應(yīng)滿足圖6所示時(shí)序圖關(guān)系。

由時(shí)序圖知當(dāng)單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)ES1結(jié)束后（在a時(shí)刻）把SPI用到的引腳設(shè)置為通用I/O引腳，要進(jìn)行時(shí)鐘的切換，在第一個(gè)tran期間，通過(guò)位操作指令先把SCLOCK=0，再讓DIN引腳出現(xiàn)一個(gè)正脈沖（b時(shí)刻到c時(shí)刻），單片機(jī)就把時(shí)鐘控制權(quán)交給了RI-R6C-001A，d時(shí)刻表明在RI-R6C-001A控制SCLOCK的時(shí)間內(nèi)DIN引腳為高電平，注意在閱讀器給單片機(jī)送數(shù)據(jù)時(shí)，DIN引腳一直保持高電平，一旦它不再送數(shù)據(jù)，同時(shí)也不再送時(shí)鐘， 在編程時(shí)可以檢測(cè)單片機(jī)的時(shí)鐘輸入端是否由時(shí)鐘輸入，從而決定閱讀器是否還在給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)閱讀器控制SCLOCK時(shí)，它將發(fā)送一個(gè)S2對(duì)應(yīng)于應(yīng)答器發(fā)送過(guò)來(lái)的SOF，2bit數(shù)據(jù)和一個(gè)ES2對(duì)應(yīng)于應(yīng)答器發(fā)送過(guò)來(lái)的EOF。在第二個(gè)tran期間可再次通過(guò)位操作指令讓DIN引腳上產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，此時(shí)單片機(jī)就收回了控制權(quán)，然后按第一次發(fā)數(shù)據(jù)的方式發(fā)數(shù)據(jù)。 在單片機(jī)接收DOUT引腳上數(shù)據(jù)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)單片機(jī)中與SPI接口有關(guān)的寄存器的設(shè)置，可以讓單片機(jī)在輸入的每位數(shù)據(jù)的有效時(shí)間中間采樣數(shù)據(jù)，這一設(shè)置正好與RI-R6C-001A輸出數(shù)據(jù)的時(shí)序相吻合，注意在每次時(shí)鐘切換的過(guò)程中，SCLOCK都是為低電平的。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用PC機(jī)，仿真器以及MPLAB ICE集成開發(fā)環(huán)境完成了軟件的調(diào)試，軟件的主要功能包括：從單片機(jī)發(fā)送符合RI-R6C-001A所要求的命令，數(shù)據(jù)。RI-R6C-001A收到這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加上SOF和EOF后，以請(qǐng)求的形式發(fā)送給應(yīng)答器，并接收應(yīng)答器以應(yīng)答的形式發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后再通過(guò)輸出引腳DOUT 送給單片機(jī)，在編程時(shí)采用了模塊式的結(jié)構(gòu)，利用PIC16F87X匯編和C語(yǔ)言進(jìn)行寫的程序。

該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，已經(jīng)可以使用，如果硬件和軟件設(shè)計(jì)合理，進(jìn)一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、讀寫電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用必然會(huì)更加廣泛。