采用射频标签多协议芯片实现RFID阅读器的设计

概述

近年来随着微电子技术的不断发展，半导体技术和集成电路技术也在迅速发展。目前，IC卡已经深入到社会生活的各个角落，各种各样的卡大大方便了人们的生活，如银行使用的信用卡、公交车使用的交通卡、食堂使用的就餐卡、出入管理使用的考勤卡、打电话使用的电话卡、手机中使用的SIM卡等。IC卡又称为集成电路卡。卡片内封装有集成电路，用以存储和处理数据。在IC卡的发展过程中正在经历从存储卡到智能卡，从接触式卡到非接触式卡，从近距离卡到远距离卡的过渡，与之相应的，能够读取卡内信息的阅读器也在不断的发展和更新。非接触式卡又称射频卡（应答器），使用无线电调制方式和阅读器进行信息交换。

射频识别技术是二十世纪九十年代兴起的一项自动识别技术，它利用无线电射频方式进行非接触式双向通信。RFID（Radio Frequency Identification）系统中射频卡（应答器）与阅读器之间无需物理接触即可完成识别，可实现多目标识别和运动目标识别，应用范围更加广泛。图1是阅读器和应答器组成的一个完整射频系统：

从射频系统中可以看出阅读器的重要性及它的功能，在整个通信过程中阅读器起到桥梁的作用。

硬件设计

考虑到阅读器在系统中要完成的工作主要是从射频卡读取数据，并将数据经相应的处理后送给主机。在设计时按功能对阅读器进行模块化设计，图2是阅读器的内部功能框图。图中阅读器分为射频卡数据读取部分（射频部分）、控制电路部分、主机接口电路部分。

控制部分

此控制部分是为了辅助RI-R6C-001A工作，因为RI-R6C-001A芯片要正常工作，完成射频阅读器的功能，不但需要有外围电路，而且还需要有控制器对其进行适当的控制。在此设计中选用了PIC16F874单片机作为控制器，由于此单片机有丰富的位操作指令，有SPI串行口，精简的指令集，能够很容易的模拟RI-R6C-001A传送数据的时序以及时钟切换时序。由于RI-R6C-001A对外只提供 四个引脚DOUT、DIN、SCLOCK、M-ERR，所以控制器的接口电路相对较简单。DOUT、DIN、SCLOCK三个引脚分别连接到单片机的SPI串行口SDI、SDO、SCK三根线上，用来实现数据的串行传输。M-ERR引脚用来检测接收到射频卡中的数据是否发生错误，若有错误此引脚变为高电平，因此把该引脚接到单片机的外部中断输入引脚端，用于检测接收数据是否有错误，进而单片机对其做出相应的处理。由于RI-R6C-001A在接收射频卡中的数据并把它发送给控制器时，要求控制器要对其发送数据是否结束做出判断，并且RI-R6C-001A不发送数据时就不再送时钟，所以在此电路设计中把RI-R6C-001A的SCLOCK引脚也接到了具有电压变化中断功能的RB4引脚，此引脚外接一个二极管，与软件结合起来，要求当控制器供应时钟时，RB4引脚处于高电平输出状态，经过二极管，RB4引脚不会输入时钟；当RI-R6C-001A供应时钟时 ，RB4引脚处于输入状态，SCLOCK信号输入此引脚，从而可以对发送数据是否结束作出相应的判断。

射频部分

RI-R6C-001A芯片是TI公司最新开发的针对IC卡读写的多协议收发器，支持的协议包括： Tag-it协议、ISO/IEC 15693-2、ISO/IEC 14443-2（TYPE A）。该收发器由发送器，接收器，电源供应，参考时钟和内部振荡器，默认的复位设置和电源管理，串行通信接口等几部分组成。该芯片通常是＋5V供电，采用SSOP20封装，内部封装有发送编码器，调制器，接收器和解调器，典型发送功率200mW，有IDLE、POWER DOWN、FULL POWER三种电源管理功能。它提供给用户数字接口的信号线为DIN、DOUT、SCLOCK，通过这三根线可完成控制器与RI-R6C-001A芯片之间的数据传输。当RI-R6C-001A要发送数据时，时钟由单片机控制，当它要接收数据时，时钟由该芯片控制。 DOUT除了在接收数据期间有把接收到的数据输出给单片机的功能外，还用来表征RI-R6C-001A内部FIFO的情况。DOUT内部下拉，平时为低电平。输入数据过程中，当RI-R6C-001A的16位FIFO寄存器满时，DOUT线会自动跳变为高电平，直到FIFO寄存器空，DOUT线又会跳变为低电平。在软件设计时单片机每发一位数据都要检测DOUT的状态。在DOUT为高电平期间，输入数据无效。

射频电路由三大部分组成（见图4）：RI-R6C-001A应用电路，与单片机相连的接口电路，天线发送。接收电路：在RI-R6C-001A应用电路中，L1、L2、C2组成的T型网络以及L3、C9组成的LC网络都是起到滤波的效果，使RI-R6C-001A通过天线接收的数据不至于流向发送端TX-OUT，因为此芯片发送数据时频率是13.56MHz，而接收的信号的载波频率是13.56MHz/28和13.56MHz/32（FM）或者13.56MHz/32（AM），R-MOD端的电阻R2决定发送信号的调制深度；R3、L4、C10、C11组成串联谐振电路，匹配阻抗50 ，可调电容C11用来准确调整电路谐振点在13.56MHz。这一设计有利于阅读器正确的收发信息。

系统工作过程

接收数据过程

单片机与RI-R6C-001A之间通信必须遵循Tag-it协议或ISO/IEC 15693，其中Tag-it是TI公司最新开发的RFID Transponder（应答器）的注册商标，是一个产品系列。Tag-it完全和ISO/IEC15693兼容，Tag-it应答器与阅读器之间是半双工通信，首先阅读器主动发一个请求（包含命令和参数），应答器被动发一个应答（包含发送的数据和状态）。 在软件设计上必须让单片机发送数据和接收数据满足RI-R6C-001A的通信要求。由单片机发给RI-R6C-001A的命令序列必须符合以下格式：

S1表示传输开始，长度为1位；CMD表示命令字节，长度为8位或1位，8位用于普通模式，1位用于寄存器模式；ES1表示传输停止。命令字节：规定RI-R6C-001A与应答器通信时的有关参数，例如：支持的射频协议，调制方式，调制深度，波特率等。普通模式在每次通信时命令序列中都要包含使用的有关参数，而寄存器模式命令序列中并不含这些参数，而是由预先写入配置寄存器中的数值所决定；数据位是根据通信时的要求定的，数据位的顺序由ISO15693-3或者Tag-it协议所规定，具体采用哪一种射频协议使阅读器与应答器通信由CMD中指定， 因此数据位是任意的，且长短根据要求通信的信息而定。单片机的SPI口正好能满足这一要求。由于SPI口没有开始和停止位，为了满足RI-R6C-001A开始和停止位的要求，起始位是通过在启动SPI口之前直接用位操作指令先对DIN置低，然后对SCLOCK置高，再把DIN置高从而表示开始接收数据的起始位，然后启动SPI接口传输数据； 停止位是通过在数据传输结束后把SPI口引脚变成通用的I/O引脚，用位操作指令先把DIN、SCLOCK置高，再把DIN置低，表示传输数据结束。数据位：RI-R6C-001A接收单片机发来的数据时是在每个时钟SCLOCK的上升沿锁存数据，并且要求数据位的值必须被建立且SCLOCK为高电平时数据保持不变，也就是说要求单片机在时钟的下降沿送出数据，在时钟的上升沿数据是稳定的，可供阅读器对输入的数据进行锁存，因此对控制器SPI口相关寄存器SSPCON和SSPSTAT进行适当设置就可以满足此要求。

数据传送

单片机要接收RI-R6C-001A发过来的数据，首先在时序上必须满足RI-R6C-001A发送数据时序的要求，见图5。发送数据时，是在每个时钟的上升沿送出数据，在每个时钟的下降沿数据稳定，因此单片机应该在时钟的下降沿采样数据，这同样可以通过设置SSPCON和SSPSTAT寄存器来实现。

时钟切换

需要注意的是，当单片机由发送转换为接收过程中，它同时由主动转化为被动，由发送时钟转换为接收时钟，这里有时钟切换问题，应满足图6所示时序图关系。

由时序图知当单片机传输数据ES1结束后（在a时刻）把SPI用到的引脚设置为通用I/O引脚，要进行时钟的切换，在第一个tran期间，通过位操作指令先把SCLOCK=0，再让DIN引脚出现一个正脉冲（b时刻到c时刻），单片机就把时钟控制权交给了RI-R6C-001A，d时刻表明在RI-R6C-001A控制SCLOCK的时间内DIN引脚为高电平，注意在阅读器给单片机送数据时，DIN引脚一直保持高电平，一旦它不再送数据，同时也不再送时钟， 在编程时可以检测单片机的时钟输入端是否由时钟输入，从而决定阅读器是否还在给单片机发送数据。当阅读器控制SCLOCK时，它将发送一个S2对应于应答器发送过来的SOF，2bit数据和一个ES2对应于应答器发送过来的EOF。在第二个tran期间可再次通过位操作指令让DIN引脚上产生一个正脉冲，此时单片机就收回了控制权，然后按第一次发数据的方式发数据。 在单片机接收DOUT引脚上数据的过程中，通过对单片机中与SPI接口有关的寄存器的设置，可以让单片机在输入的每位数据的有效时间中间采样数据，这一设置正好与RI-R6C-001A输出数据的时序相吻合，注意在每次时钟切换的过程中，SCLOCK都是为低电平的。

结束语

通过利用PC机，仿真器以及MPLAB ICE集成开发环境完成了软件的调试，软件的主要功能包括：从单片机发送符合RI-R6C-001A所要求的命令，数据。RI-R6C-001A收到这些数据进行处理，加上SOF和EOF后，以请求的形式发送给应答器，并接收应答器以应答的形式发来的数据，进行处理后再通过输出引脚DOUT 送给单片机，在编程时采用了模块式的结构，利用PIC16F87X汇编和C语言进行写的程序。

该系统经过测试，已经可以使用，如果硬件和软件设计合理，进一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、读写电路简单，应用必然会更加广泛。