基于CRX14的TypeB射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：CRX14 I2C總線 ISO14443標(biāo)準(zhǔn) MC68H908AP16

最近幾年來(lái)，射頻識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展極其迅猛。通過(guò)不斷的技術(shù)更新，射頻系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如票務(wù)、動(dòng)物識(shí)別、工業(yè)自動(dòng)化或者身份識(shí)別。用戶(hù)在考慮射頻識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，需要考慮該系統(tǒng)的工作頻率、作用距離、安全要求和存儲(chǔ)容量。符合ISO14443協(xié)議的射頻系統(tǒng)是目標(biāo)應(yīng)用比較多的一種。該協(xié)議第2部分射頻接口規(guī)定了兩種形式――TypeA和TypeB，本文重點(diǎn)講述針對(duì)TypeB的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 芯片介紹

CRX14是符合ISO14443控制標(biāo)準(zhǔn)的射頻處理芯片，使用雙經(jīng)I2C總線。發(fā)送的數(shù)據(jù)用ASK方式調(diào)制，接收到的數(shù)據(jù)則是將終端負(fù)載變量信號(hào)解調(diào)所得。天線上產(chǎn)生的信號(hào)，采有一個(gè)847kHz的二進(jìn)制BPSK副載波譯碼，發(fā)送的ASK波有10%被調(diào)制。在發(fā)送和接收的方式中，CRX14與終端之間的數(shù)據(jù)傳送速率為106Kb/s。

圖1

CRX14含有一個(gè)自動(dòng)抗沖突的機(jī)制，能夠檢測(cè)和選擇在CRX14有效范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)的多張卡片。防沖突功能基于ST的微電子概率掃描法。CRX14還通過(guò)允許終端鑒定的FRANCE TELECOM技術(shù)提供抗克隆功能。CRX14帶有一個(gè)單片耦合器，易于設(shè)計(jì)成一臺(tái)具有鑒定功能的讀出器或以低成本建立一個(gè)高水平的安全系統(tǒng)。

CRX14內(nèi)部由四部分組成：

①I(mǎi)2C總線控制器管理與應(yīng)用主機(jī)間的串聯(lián)，遵循400kHz的I2C總線規(guī)格，并控制對(duì)所有CRX14寄存器的讀或?qū)懖僮鳌?/P>

②RAM緩沖器是雙向緩沖器，存儲(chǔ)所有即將發(fā)送至終端的請(qǐng)求幀字節(jié)和所有由答復(fù)幀終端發(fā)出的接收字節(jié)。

③發(fā)送器通過(guò)在外部天線上產(chǎn)生一個(gè)13.56MHz的射頻磁場(chǎng)來(lái)對(duì)量程內(nèi)的所有遙控終端上電。該磁場(chǎng)的10%可采用對(duì)流出數(shù)據(jù)的ASK（振幅偏移鍵控制法）調(diào)制。

④接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。該信號(hào)在天線上，由遙控終端的負(fù)載變量產(chǎn)生。接下來(lái)的信號(hào)則由847kHz的BPSK（二進(jìn)制相位偏移鍵控）副載波解碼器解碼。

CRX14內(nèi)部邏輯框圖和引腳圖如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由摩托羅拉單片機(jī)、CRX14射頻芯片、安全模塊（可選）幾部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電路主要分為兩個(gè)部分：一為主控部分，以摩托羅拉單片機(jī)為核心；另一為射頻處理部分，以CRX14為核心。

圖3

主控部分采用摩托羅拉公司的MC68HC08系列單片機(jī)。該系列是高性能8位單片機(jī)，具有速度快、功能強(qiáng)和價(jià)格低的特點(diǎn)?？晒┻x擇的型號(hào)很多，當(dāng)前設(shè)計(jì)中程序空間不用太大，需要I2C接口和UART串行接口，抗干擾能力要強(qiáng)。由于CRX14采用單電源電壓供電（5V500mV），為了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)采用5V單電壓供電。

選擇型號(hào)為MC68HC908AP16的單片機(jī)。芯片資源為1KB RAM，16KB的Flash存儲(chǔ)器空間，I2C接口，工作電壓為3.3V或者5V，總線最高頻率為8MHz等。

鍵盤(pán)采用矩陣排列方式，實(shí)時(shí)掃描鍵值；顯示部分采用SPI接口的標(biāo)準(zhǔn)顯示模塊；電源部分使用外部電源適配器，輸入電壓為9V～12V之間，通過(guò)穩(wěn)壓，提供持續(xù)的5V電源。

安全模塊是為以后擴(kuò)充使用的。如果用戶(hù)需要使用安全認(rèn)證機(jī)制，要吧簡(jiǎn)單地把安全模塊安裝到設(shè)備上。對(duì)安全模塊的操作遵循ISO7816協(xié)議，這方面可供參考的資料很多。

射頻處理部分包括CRX14和天線及匹配電路。CRX14引腳定義和說(shuō)明如表1所列。

表1 CRX14引腳定義和說(shuō)明

射頻處理部分的電路如圖3所示。

天線調(diào)試過(guò)程分3個(gè)部分。

①測(cè)試CRX14的輸出。CRX14的RF OUT輸出信號(hào)為10%ASK調(diào)制波，載波頻率為13.56MHz。輸出波形如圖4所示。

②優(yōu)化天線。天線的輸入阻抗及其匹配電路需要與CRX14輸出的阻抗匹配。因?yàn)镻CB材料或其它的原因?qū)е碌囊恍┘?xì)微的不同，天線的特征也會(huì)改變，比如天線的電感量和電阻量。需要作一些小的調(diào)整，即調(diào)整天線的匹配電路，如圖5，使天線的性能達(dá)到最佳。

因?yàn)樽兓皇翘?，可以使用示波器進(jìn)行調(diào)整。使用兩個(gè)不同的電容代替C8+C8’和C7+C7’。調(diào)整的范圍應(yīng)該介于C8+C8’和C7+C7’的原始值范圍附近（27pF和125pF）。然后，仔細(xì)調(diào)整這些電容，使天線回路上的電壓值達(dá)到最大。實(shí)測(cè)天線端（ANT1）的波形如圖6所示。

③檢查射頻接收部分。從天線返回的信號(hào)直接送到了RF IN端口。因此該點(diǎn)波形幅度比較低，實(shí)測(cè)的波形如圖7所示。

為了增加射頻部分的發(fā)射和接收距離，用戶(hù)可以增加射頻放大和運(yùn)放電路，將發(fā)射和接收的波形進(jìn)行放大。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件的功能主要是控制CRX14，同時(shí)與PC機(jī)進(jìn)行通信，控制CRX14不斷地在量程范圍內(nèi)發(fā)送訪問(wèn)信號(hào)。如果有TypeB的射頻卡在量程范圍內(nèi)，MC68HC908AP16單片機(jī)會(huì)控制CRX14芯片從卡中讀出信息，同時(shí)將這些信息通過(guò)RS-232發(fā)送到PC主機(jī)上。當(dāng)從PC主機(jī)上接收到寫(xiě)卡命令時(shí)，單片機(jī)控制CRX14將信息寫(xiě)入到射頻卡片中。軟件完成按照ISO14443協(xié)議的TypeB類(lèi)型來(lái)設(shè)計(jì)。軟件的總體框圖如圖8所示。

軟件流程如圖9所示。

軟件包含主控程序、射頻處理程序、串口處理程序、中斷處理程序，另外還包含擴(kuò)充的矩陣按鍵掃描程序和顯示模塊驅(qū)動(dòng)程序。有興趣的讀者可以參考相關(guān)資料，文中主要介紹射頻處理部分的程序流程和注意事項(xiàng)。

CRX14提供四個(gè)易失性的寄存器，控制芯片的所有工作。另外提供了04h和05h地址兩個(gè)寄存器，在實(shí)際應(yīng)用中是不能被用戶(hù)使用的。寄存器描述如表2所列。

表2 CRX16引腳定義和說(shuō)明

表3 器件選擇代碼

CRX14遵循I2C總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)。芯片內(nèi)部攜帶有一個(gè)4位的器件鑒定代碼――1010，如表3所列。該鑒定代碼與芯片的3個(gè)使能輸入端（E2、E1、E0）合并在一起，作為I2C選擇相應(yīng)芯片的標(biāo)識(shí)。

圖9

5 結(jié)論

該系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠在約5cm的距離內(nèi)讀寫(xiě)符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)TypeB類(lèi)型的射頻卡，工作穩(wěn)定可靠，成本低。開(kāi)發(fā)成專(zhuān)用射頻讀寫(xiě)設(shè)備，會(huì)具有較高的性?xún)r(jià)比。