射頻卡多協(xié)議讀寫(xiě)器的設計和實(shí)現　

引言

　　射頻識別即RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，又稱(chēng)電子標簽、無(wú)線(xiàn)射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)電訊號識別特定目標并讀寫(xiě)相關(guān)數據，而無(wú)需識別系統與特定目標之間建立機械或光學(xué)接觸。隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內RFID行業(yè)也正經(jīng)歷著(zhù)深刻的變革。

　　無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)（RFID）已經(jīng)成為一個(gè)很熱門(mén)的話(huà)題。據業(yè)內人士預測，RFID技術(shù)市場(chǎng)將在未來(lái)五年內在新的產(chǎn)品與服務(wù)上帶來(lái)30至100億美金的商機，隨之而來(lái)的還有服務(wù)器、資料儲存系統、資料庫程序、商業(yè)管理軟件、顧問(wèn)服務(wù)，以及其他電腦基礎建設的龐大需求�；蛟S這些預測過(guò)于樂(lè )觀(guān)，但RFID將會(huì )成為未來(lái)的一個(gè)巨大市場(chǎng)是毫無(wú)疑問(wèn)的。許多高科技公司正在加緊開(kāi)發(fā)RFID專(zhuān)用的軟件和硬件，這些公司包括英特爾、微軟、甲骨文、SAP和SUN，而最近全球最大的零售商沃爾瑪的一項"要求其前100家供應商在2005年1月之前向其配送中心發(fā)送貨盤(pán)和包裝箱時(shí)使用 RFID技術(shù)，2006年1月前在單件商品中使用這項技術(shù)"的決議，把RFID再次推到了聚光燈下。因此可以說(shuō)無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)（RFID）正在成為全球熱門(mén)新科技。

　　RFID系統一般是由讀寫(xiě)器、射頻卡、應用軟件來(lái)組成。其中讀寫(xiě)器的設計是至關(guān)重要的，它決定了系統的穩定性和準確性。

　　除了要求其能支持一系列協(xié)議、標準和收發(fā)器外，對讀寫(xiě)器可能還有其它功能性方面的要求，如高性能、防沖突、遠/近感應距離、移動(dòng)性及功耗。

　　本文就說(shuō)明了怎樣利用EM Microelectronic公司的EM4094 RFID讀寫(xiě)基站（又稱(chēng)讀寫(xiě)芯片、模擬前端模塊、基站芯片、收發(fā)器）來(lái)構建支持多種協(xié)議的13.56MHz通用型或能滿(mǎn)足上述特定要求的特殊RFID讀卡器。

　　硬件結構分析

　　讀寫(xiě)器一般由讀寫(xiě)基站、微控制器（單片機）組成。

　　基本上，讀寫(xiě)基站（如EM4094）為RFID負責對數據進(jìn)行編碼/譯碼，并以適當功率驅動(dòng)RFID讀卡器天線(xiàn)。

　　而讀寫(xiě)基站本身由微控制器驅動(dòng)。該微控制器負責管理不同協(xié)議的幀譯碼任務(wù)，以及與PC或其它后臺控制設備的通信接口（串行接口、USB接口或以太網(wǎng)接口）。

　　一些IC供應商提供集成了模擬前端和微控制器的芯片。在很多情況下，微控制器或集成的存儲器空間不是超出需求就是不夠用，而獨立的模塊允許制造商選擇最適合其設計要求的微控制器和存儲器容量。

　　軟件功能設計需求

　　該讀寫(xiě)器需要支持ISO14443 Type A和B、Sony Felica及ISO15693標準的全部強制命令，并支持EM 13.56MHz收發(fā)器IC的全部指令集�？梢詫�(shí)現不同的通信協(xié)議和防沖突協(xié)議�？梢宰x寫(xiě)的卡片種類(lèi)如下：

　　ISO 14443A&B:

　　MIFARE? Ultralight

　　MIFARE? Classic

　　MIFARE? DESFire

　　MIFARE? PROX

　　MIFARE? PRO

　　lSO 15693

　　ISO 18000-3

　　INSIDE PicoTag

　　HID iClass

　　Tagsys C320

　　eNFC

　　MasterCard PayPass

　　FeliCa

　　KSW TempSens

　　KSW VarioSens

　　讀寫(xiě)基站的選擇

　　目前13.56MHz的多協(xié)議讀寫(xiě)基站基本上有3種常用的：

　　Phlisps公司的RC632

　　TI公司的RI-6C-001

　　EM公司的EM4094

　　三家公司的芯片各有特點(diǎn)，綜合考慮，EM4094具有更好的性?xún)r(jià)比。

　　EM4094的概述

　　EM4094是一個(gè)集成的收發(fā)器芯片，它可用于構建RFID讀卡器的模擬前端模塊。該芯片的數據傳輸及接收鏈路允許傳送和解碼任何通信協(xié)議，因此 EM4094支持所有EM公司的13.56MHz收發(fā)器芯片、ISO15693、ISO14443 A&B、以及Sony Felica協(xié)議。通過(guò)適當設定，EM4094甚至還可以與NFC設備通訊。

　　它具有以下特點(diǎn)：

　　兼容ISO15693、ISO14443；

　　具有可選跨導的使用13.56MHz 石英的振蕩器；

　　使用OOK 的天線(xiàn)驅動(dòng)或使用單一天線(xiàn)驅動(dòng)的ASK模塊；

　　高輸出功率，5V電源下200mW高輸出功率；

　　ASK調制可調范圍從7%到30%；

　　天線(xiàn)短路保護；

　　用于高度可靠通信的多路接收器輸入；

　　帶AGC信號放大器的AM/PM解調；

　　848kHz BPSK內部解調器（ B型）；

　　多種副載波兼容接收（212kHz、 424kHz或848kHz）；

　　多種副載波兼容譯碼（Manchester、BPSK）；

　　內置接收低通濾波器截止頻率可在400kHz及1MHz間進(jìn)行檢波；

　　內置接收高通濾波器截止頻率可在100kHz、200kHz及300kHz間進(jìn)行檢波；

　　可選接收增益；

　　可選擇的串行接口對選擇位進(jìn)行編程；

　　3線(xiàn)SPI控制的降功耗模式， 控制開(kāi)關(guān)機狀態(tài)；

　　輸出功率為100mW （ SO16封裝）、 200mW （ SO20封裝）；

　　工作溫度范圍-40℃到 +85℃；

　　ISO15693、ISO14443 協(xié)議完全兼容；

　　多接收輸入，高通訊可靠性。

　　單片機的選擇

　　單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術(shù)把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時(shí)器/計時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅動(dòng)電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個(gè)小而完善的計算機系統。

　　單片機由芯片內僅有CPU的專(zhuān)用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設計理念是通過(guò)將大量外圍設備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進(jìn)復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專(zhuān)用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。

　　EM4094勝出其它RFID讀卡器芯片一籌的地方是它允許讀卡器制造商自行選擇最適合其處理與功率需求的微控制器。一個(gè)工作頻率為16MHz的帶8 kB程序存儲器的8位微控制器看起來(lái)是實(shí)現一個(gè)讀卡器的最合理選擇，因為它可以實(shí)現所有相關(guān)的標準和事實(shí)標準協(xié)議。對于要求更高的RFID讀卡器應用，16 kB存儲器將可提供更好的編程自由度。

　　EM4094對于單片機的要求

　　EM4094-ISO15693協(xié)議對單片機的要求

　　~3800 字節的程序FLASH內存；

　　~345 字節的SRAM；

　　1個(gè)帶有捕獲模式的定時(shí)器T1 （ICP1 feature）；

　　3 個(gè)I/O接口 （DOUT、 DIN、DCLK）；

　　看門(mén)狗（可設置為2.2s）；

　　8MHz 晶振；

　　RFID 通訊過(guò)程中沒(méi)有不允許外部中斷；

　　支持 ISO15693的優(yōu)化設計。

　　EM4094-ISO14443 A-B-C 協(xié)議對于單片機的要求

　　~15k字節的程序FLASH內存；

　　~500B字節的SRAM；

　　2個(gè)帶有捕獲模式的定時(shí)器T1、T3；

　　看門(mén)狗（可設置為2.2s）；

　　16MHz晶振；

　　RFID 通訊過(guò)程中沒(méi)有不允許外部中斷；

　　提供專(zhuān)用固件來(lái)支持ISO14443 A、B、C 標準。

　　AVR單片機的優(yōu)點(diǎn)

　　ATMEL的AVR系列單片機是一個(gè)優(yōu)秀的RISC 結構單片機系列與MCS51 相比其有以下一些典型特點(diǎn)：

　　AVR的機器周期為1 個(gè)時(shí)鐘周期絕大多數指令為單周期指令因此每MHz時(shí)鐘有接近1MIPS 的性能；

　　程序存貯器與數據存貯器有分開(kāi)的總線(xiàn)程序可以高效地執行8MHz 頻率下工作的AVR 相當于224MHz 頻率下工作的MCS51；

　　內置可重復編程的FLASH 程序存貯器和EEPROM 數據存貯器支持對單片機的在系統編程ISP 在生產(chǎn)中可以先裝配后編程從而縮短工藝流程和節約購買(mǎi)萬(wàn)用編程器的費用并且可以方便地升級或修改程序；

　　內置上電復位電路和看門(mén)狗定時(shí)器電路在提高產(chǎn)品可靠性的同時(shí)降低了電路的成本；

　　部分AVR單片機與MCS51 系列單片機管腳兼容如AT90S1200/2313 對應AT89C1051/2051，AT90S4414/8515 對應AT89C51/52。因此可以做到一套PCB板對應兩套電路增加了用戶(hù)備貨的可選擇性和靈活性；

　　定時(shí)/計數器的功能大大增強串口通信時(shí)波特率發(fā)生不占用定時(shí)器。

射頻卡多協(xié)議讀寫(xiě)器的設計和實(shí)現