基于AVR單片機(jī)射頻卡多協(xié)議讀寫器的設(shè)計(jì)

　　引言

　　射頻識(shí)別(RFID)是利用無(wú)線方式對(duì)電子數(shù)據(jù)載體(電子標(biāo)簽)進(jìn)行識(shí)別的一種新興技術(shù)。與接觸式IC卡和條形碼識(shí)別等系統(tǒng)比較，它有著巨大的優(yōu)勢(shì)。利用射頻識(shí)別技術(shù)，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)量大、分布區(qū)域廣的信息進(jìn)行智能化管理，達(dá)到高效快捷運(yùn)作的目的，特別是在第二代身份證、物流、交通航運(yùn)、自動(dòng)收費(fèi)、超市、門禁系統(tǒng)管理、服務(wù)領(lǐng)域等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)RFID行業(yè)也正經(jīng)歷著深刻的變革。

　　RFID系統(tǒng)一般是由讀寫器、射頻卡、應(yīng)用軟件來(lái)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(shuō)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(lái)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。可以讀寫的卡片種類如下：

　　? ISO 14443AB:

　　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 AB、以及Sony Felica協(xié)議。通過(guò)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

　　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(lái)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。

　　除了BPSK協(xié)議，EM4094沒(méi)有集成其它幀解碼器。一個(gè)集成的848kHz BPSK解碼器可使微控制器不再需要執(zhí)行這一苛求的ISO14443 Type B特殊操作,從而允許讀卡器制造商選擇一個(gè)成本效益比更好的微控制器。

　　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(guò)程中沒(méi)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(guò)程中沒(méi)有不允許外部中斷；

　　?提供專用固件來(lái)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(gòu)買萬(wàn)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。