基于 SDIO 接口的通用 RFID 读写器的开发

    0 引 言 

    射频识别(RFID)是利用无线方式对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种新兴技术。与接触式IC卡和条形码识别等系统比较，它有着巨大的优势。利用射频识别技术，能有效实现对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理，达到高效快捷运作的目的，特别是在第二代身份证、物流、交通航运、自动收费、超市、门禁系统管理、服务领域等方面有着广泛的应用前景。随着我国国民经济的快速发展，国内RFID行业也正经历着深刻的变革。 

    然而，目前市场上的各类RFID读卡设备仍然存在体积较大，接口不统一，传输速率较低等缺陷。已经存在的便携式RFID数据终端的价格却很高，一般用户接收不了，并且一个完整的RFID系统开发周期长，短时间内无法占领市场等问题，都在一定程度上限制了本行业的进一步发展。因此，读卡设备小型化、接口标准化、速率最大化，缩短系统开发周期必然成为今后RFID产业的主要发展趋势。这种便携式设备能够嵌入到现有智能综合平台中，通过SDIO接口连接到智能手机，PDA、笔记本电脑、打印机、手持终端等便携式前端数据采集设备，将获取到的RFID数据通过标准的SDIO接口与平台进行高速传输。可以满足于身份认证、商业物流、电子票据、新一代智能信用卡、产品防伪、POS及银行卡终端等应用。

    1、硬件系统框图 

    硬件系统框图如图1所示。工作流程如下： 

    SDIO接口芯片负责把SD总线上的信息流转化为RS 232串口的信息，这样可以和单片机进行简单的沟通，因为一般的单片机都具有串口。
    CPU根据接收的指令，通过SPI口向RFID读写基站EM4094发出命令，并得到相应的数据(来自于卡片或者EM4094的设置信息)。
    EM4094在得到CPU的命令后，对已经位于天线范围内的卡片进行操作，并返回相应的信息。
    由于EM4094的工作电压为4．5～5．5 V，而SD接口提供的是3．3 V的电压，所以要进行电压转换(DC—DC)；另一方面，为了提高读写距离，将3．3 V转换为5 V是有好处的，但另一方面则增加了功耗，这可以通过合理的控制磁场打开的时间来解决。

    2 、软件功能设计要求 

    读写器的软件功能基本要实现以下3个方面： 

    2．1 需要支持13．56MHz频率下的各种标准可读写卡片 

    3、 SDIO卡接口标准 

    3．1 简介 

    现在的电脑、PDA、智能手机中一般都配有SDIO卡接口。SDIO是带有扩展输入／输出功能的SD尺寸的卡。IO指输入和输出。SDIO可允许制造商开发能通过SDIO兼容插槽添加在产品中的硬件扩展设备。许多基于SDIO的附加产品正在开发中，其中包括无线LAN和通信适配器、数字电视调谐器和GPS附件。SDIO兼容插槽可用于许多PDA和移动电话之上，并计划用于其他更多的产品。 

    3．2 特性 

    兼容规范版本1．01；卡上错误校正；支持CPRM；两个可选的通信协议：SD模式和SPI模式；可变时钟频率：O～25 MHz；通信电压范围：2．0～3. 6 V；工作电压范围：2．O～3．6 V；低电压消耗：自动断电及自动睡醒，智能电源管理；无需额外编程电压；卡片带电插拨保护；正向兼容MMC卡；高速串行接口带随即存取；支持双通道闪存交叉存取；快写技术：一个低成本的方案，能够超高速闪存访问和高可靠数据存储最大读写速率：10 Mb／s；最大10个堆叠的卡(20 MHz，VCC=2．7～3．6 V)；数据寿命：10万次编程／擦除；CE和FCC认证，◎PIP封装技术；尺寸：24 mm宽×32 mm长×1．44 mm厚。

    3．3 工作模式 

    该SD卡的接口可以支持两种操作模式：SD卡模式；SPI模式。主机系统可以选择以上其中任一模式，SD卡模式允许4线的高速数据传输。SPI模式允许简单通用的SPI通道接口，这种模式相对于SD模式的不足之处是丧失了速度。 

    3．4 引脚定义 

    3．4．1 SD卡模式针脚定义 

    SD卡模式针脚定义如表1所示。 

    SD卡的总线概念：
 
    SD总线允许强大的1线到4线数据信号设置。当默认的上电后，SD卡使用DAT0。初始化之后，主机可以改变线宽(即改为2根线，3根线…)。混和的SD卡连接方式也适合于主机。在混和连接中VCC，VSS和CLK的信号连接可以通用。但是，命令，回复和数据(DAT0～DAT3)这几根线，各个SD卡必须从主机分开。 

    这个特性使得硬件和系统上交替使用。SD总线上通信的命令和数据比特流从一个起始位开始，以停止位中止。
CLK：每个时钟周期传输一个命令或数据位。频率可在O～25 MHz之间变化。SD卡的总线管理器可以不受任何限制地自由产生0～25 MHz的频率。 

    CMD：命令从该CMD线上串行传输，一个命令是一次主机到从卡操作；回复从该CMD线上串行传输，一个命令是对之前命令的回答。回复可以来自单机或所有卡。 

    DAT0～DAT2：数据可以从卡传向主机或副vet—sa，数据通过数据线传输。 

    3．4．2 SPI模式针脚定义 

    SPI模式针脚定义如表2所示。 

    注意：SPI模式时，这些信号需要在主机端用10～100 kΩ的电阻上拉。 

    SPI总线概念：SPI总线允许通过2通道(数据入和出)传输比特数据。SPI兼容模式使得MMC主机系统通过很小的改动就可以使用SD卡。SPI模式使用字节传输。 

    所有的数据被融合到一些字节中并aligned to theCS signal(可能是：通过CS信号来校正)。SPI模式的优点就是简化主机的设计。特别地，MMC主机需要小的改动。SPI模式相对于SD模式的不足之处是丧失了速度性能。 

    3．5 连接示意图 

    连接示意图如图2所示。 

    4 、SDIO接口芯片的选择 

    在设计SDIO接口的时候，有2种方法： 

    方法1：用MCU直接模拟SD标准通讯，优点是成本低，缺点是开发难度大，主机端的驱动也要自行设计。方法2：采用现有的SD接口转串口(或者其他MCU自带接口如并口、SPI)的芯片。为了加快开发速度以及保证整个系统的稳定性，本读写器采用第二种方法，即使用现有的成熟的芯片作为连接桥，这样主机端的驱动也不需要设计了(驱动由芯片厂家提供)。目前有的一款芯片为AC2200，它是Arasan公司设计的SDIO接口的专用控制器芯片，可以通过APB，SPI，Parallel以及UART和设备(微处理器)进行通讯。它可以用来设计很多低功耗的产品，如GPS，UWB，cam—era，Zigbee，RFID，scanner等。

    通过APB，SPI，Parallel以及UART接口，使得SD总线的通讯变得简单，用户不必关心复杂的SD协议。
    AC2200可以工作在主机方式。在嵌入式微处理器ARM或者8051的应用系统里，AC2200可以提供子机接口。
    在子机模式下，应用CPU控制AC2200的初始化以及内部寄存器的设置。
    AC2200有1个E2PROM可以选配，E2PROM既可以被SD主机操作也可以被连接AC2200的CPU操作，或者用于AC2200的初始化设备。

    5、 13．56 MHz RFID读写基站的选择 

    在当前的许多RFID应用中，设备制造商不一定能决定客户采用什么读写基站(也为收发器，以下统称读写基站)。因此，为了最大程度地提高自己在某个特定项目中中标的机会，设备制造商必须提供这样的读写器，要么它能支持市场上尽可能多的读写基站芯片，要么它本身至少是比较容易定制的。 

    除了要求其能支持一系列协议、标准和读写基站外，客户对读卡器可能还有其他功能性方面的要求，如高性能、防冲突、远／近感应距离、移动性及功耗。但在单个读卡器中很难同时满足如此之多的要求。为了满足所有这些要求，制造商可能需要提供一系列可满足不同要求的读卡器。所以，需要采用具有多协议的读写基站芯片。 

    目前13．56 MHz的多协议读写基站基本上有3种较为常用：PHLISPS公司的RC632，TI公司的RI一6C一001和EM公司的EM4094。三家公司的芯片各有特点，综合考虑，EM4094具有更好的性价比。 

    5．1 EM4094的概述 

    EM4094是一个集成的收发器芯片，它可用于构建RFID读卡器的模拟前端模块。该芯片的数据传输及接收链路允许传送和解码任何通信协议，因此EM4094支持所有EM公司的13．56 MHz收发器芯片，IS015693，ISOl4443 A&B，以及Sony Felica协议。通过适当设定，EM4094甚至还可以与NFC设备通讯。它具有以下特点： 

    兼容ISO15693、ISO14443；具有可选跨导的使用13．56 MHz石英的振荡器；使用OOK的天线驱动或使用单一天线驱动的ASK模块；高输出功率，5 V电源下200 mW高输出功率；ASK调制可调范围从7％～30％；天线短路保护；用于高度可靠通信的多路接收器输入；带AGC信号放大器的AM／PM解调；848 kHzBPSK内部解调器(B型)；多种副载波兼容接收(212 kHz，424 kHz或848 kHz)；多种副载波兼容译码(Manchester，BPSK)；内置接收低通滤波器截止频率可在400 kHz及1 MHz间进行检波；内置接收高通滤波器截止频率可在100 kHz，200 kHz及300 kHz间进行检波；可选接收增益；可选择的串行接口对选择位进行编程；3线SPI控制的降功耗模式，控制开关机状态；输出功率为100 mW(S016封装)，200 mW(SO20封装)；工作温度范围一40～+85℃；ISO15693，ISO14443协议完全兼容；多接收输入，高通讯可靠性。 

    5．2 工作原理及引脚定义 

    EM4094的工作原理如图3所示，引脚定义如图4所示，具体含义参照表3。 

    6 、结 语 

    无线射频识别具有信息量大、高效便捷、安全的特点，是自动识别的主流技术。低成本、高可靠的即插即用的便携式电子标签识读终端的研究开发有很大的实际意义。本文在研究分析系统作用原理的基础上，给出了SDIO转换芯片和微处理器芯片以及RFID读写基站共同构成了一个完整的便携式读写系统的硬件实现方案。系统结构和成本合理，可靠性已得到试验验证，有较好的应用价值。