多種協(xié)議RFID讀卡器設(shè)計(jì)

　　引言

　　射頻識(shí)別即RFID(Radio Frequency IDentification)技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)RFID行業(yè)也正經(jīng)歷著深刻的變革。

　　無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)已經(jīng)成為一個(gè)很熱門的話題。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，RFID技術(shù)市場將在未來五年內(nèi)在新的產(chǎn)品與服務(wù)上帶來30至100億美金的商機(jī)，隨之而來的還有服務(wù)器、資料儲(chǔ)存系統(tǒng)、資料庫程序、商業(yè)管理軟件、顧問服務(wù)，以及其他電腦基礎(chǔ)建設(shè)的龐大需求。或許這些預(yù)測過于樂觀，但RFID將會(huì)成為未來的一個(gè)巨大市場是毫無疑問的。許多高科技公司正在加緊開發(fā)RFID專用的軟件和硬件，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?shù)囊豁?xiàng)“要求其前100家供應(yīng)商在2005年1月之前向其配送中心發(fā)送貨盤和包裝箱時(shí)使用 RFID技術(shù)，2006年1月前在單件商品中使用這項(xiàng)技術(shù)”的決議，把RFID再次推到了聚光燈下。因此可以說無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)正在成為全球熱門新科技。

　　RFID系統(tǒng)一般是由讀寫器、射頻卡、應(yīng)用軟件來組成。其中讀寫器的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，它決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

　　除了要求其能支持一系列協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和收發(fā)器外，對(duì)讀寫器可能還有其它功能性方面的要求，如高性能、防沖突、遠(yuǎn)/近感應(yīng)距離、移動(dòng)性及功耗。

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

　　硬件結(jié)構(gòu)分析

　　讀寫器一般由讀寫基站、微控制器(單片機(jī))組成。

　　基本上，讀寫基站(如EM4094)為RFID負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼/譯碼，并以適當(dāng)功率驅(qū)動(dòng)RFID讀卡器天線。

　　而讀寫基站本身由微控制器驅(qū)動(dòng)。該微控制器負(fù)責(zé)管理不同協(xié)議的幀譯碼任務(wù)，以及與PC或其它后臺(tái)控制設(shè)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(yīng)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(chǔ)器空間不是超出需求就是不夠用，而獨(dú)立的模塊允許制造商選擇最適合其設(shè)計(jì)要求的微控制器和存儲(chǔ)器容量。

　　軟件功能設(shè)計(jì)需求

　　該讀寫器需要支持ISO14443 Type A和B、Sony Felica及ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的全部強(qiáng)制命令，并支持EM 13.56MHz收發(fā)器IC的全部指令集?？梢詫?shí)現(xiàn)不同的通信協(xié)議和防沖突協(xié)議?？梢宰x寫的卡片種類如下：

　　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

　　讀寫基站的選擇

　　目前13.56MHz的多協(xié)議讀寫基站基本上有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具有更好的性價(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(gòu)建RFID讀卡器的模擬前端模塊。該芯片的數(shù)據(jù)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。通過適當(dāng)設(shè)定，EM4094甚至還可以與NFC設(shè)備通訊。

　　它具有以下特點(diǎn)：

　　兼容ISO15693、ISO14443;

　　具有可選跨導(dǎo)的使用13.56MHz 石英的振蕩器;

　　使用OOK 的天線驅(qū)動(dòng)或使用單一天線驅(qū)動(dòng)的ASK模塊;

　　高輸出功率，5V電源下200mW高輸出功率;

　　ASK調(diào)制可調(diào)范圍從7%到30%;

　　天線短路保護(hù);

　　用于高度可靠通信的多路接收器輸入;

　　帶AGC信號(hào)放大器的AM/PM解調(diào);

　　848kHz BPSK內(nèi)部解調(diào)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(nèi)置接收低通濾波器截止頻率可在400kHz及1MHz間進(jìn)行檢波;

　　內(nèi)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(duì)選擇位進(jìn)行編程;

　　3線SPI控制的降功耗模式， 控制開關(guān)機(jī)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(jī)的選擇

　　單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)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(chǔ)器的8位微控制器看起來是實(shí)現(xiàn)一個(gè)讀卡器的最合理選擇，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)所有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。對(duì)于要求更高的RFID讀卡器應(yīng)用，16 kB存儲(chǔ)器將可提供更好的編程自由度。

　　EM4094對(duì)于單片機(jī)的要求

　　EM4094-ISO15693協(xié)議對(duì)單片機(jī)的要求

　　~3800 字節(jié)的程序FLASH內(nèi)存;

　　~345 字節(jié)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);

　　看門狗(可設(shè)置為2.2s);

　　8MHz 晶振;

　　RFID 通訊過程中沒有不允許外部中斷;

　　支持 ISO15693的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

　　~15k字節(jié)的程序FLASH內(nèi)存;

　　~500B字節(jié)的SRAM;

　　2個(gè)帶有捕獲模式的定時(shí)器T1、T3;

　　看門狗(可設(shè)置為2.2s);

　　16MHz晶振;

　　RFID 通訊過程中沒有不允許外部中斷;

　　提供專用固件來支持ISO14443 A、B、C 標(biāo)準(zhǔn)。

　　AVR單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

　　ATMEL的AVR系列單片機(jī)是一個(gè)優(yōu)秀的RISC 結(jié)構(gòu)單片機(jī)系列與MCS51 相比其有以下一些典型特點(diǎn)：

　　AVR的機(jī)器周期為1 個(gè)時(shí)鐘周期絕大多數(shù)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(shù)據(jù)存貯器有分開的總線程序可以高效地執(zhí)行8MHz 頻率下工作的AVR 相當(dāng)于224MHz 頻率下工作的MCS51;

　　內(nèi)置可重復(fù)編程的FLASH 程序存貯器和EEPROM 數(shù)據(jù)存貯器支持對(duì)單片機(jī)的在系統(tǒng)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(jié)約購買萬用編程器的費(fèi)用并且可以方便地升級(jí)或修改程序;

　　內(nèi)置上電復(fù)位電路和看門狗定時(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(jī)與MCS51 系列單片機(jī)管腳兼容如AT90S1200/2313 對(duì)應(yīng)AT89C1051/2051,AT90S4414/8515 對(duì)應(yīng)AT89C51/52.因此可以做到一套PCB板對(duì)應(yīng)兩套電路增加了用戶備貨的可選擇性和靈活性;

　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器的功能大大增強(qiáng)串口通信時(shí)波特率發(fā)生不占用定時(shí)器。