射频卡多协议读写器的设计和实现

　　引言

　　射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。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。

　　无线射频识别技术（RFID）已经成为一个很热门的话题。据业内人士预测，RFID技术市场将在未来五年内在新的产品与服务上带来30至100亿美金的商机，随之而来的还有服务器、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务，以及其他电脑基础建设的庞大需求。或许这些预测过于乐观，但RFID将会成为未来的一个巨大市场是毫无疑问的。许多高科技公司正在加紧开发RFID专用的软件和硬件，这些公司包括英特尔、微软、甲骨文、SAP和SUN，而最近全球最大的零售商沃尔玛的一项"要求其前100家供应商在2005年1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用 RFID技术，2006年1月前在单件商品中使用这项技术"的决议，把RFID再次推到了聚光灯下。因此可以说无线射频识别技术（RFID）正在成为全球热门新科技。

　　RFID系统一般是由读写器、射频卡、应用软件来组成。其中读写器的设计是至关重要的，它决定了系统的稳定性和准确性。

　　除了要求其能支持一系列协议、标准和收发器外，对读写器可能还有其它功能性方面的要求，如高性能、防冲突、远/近感应距离、移动性及功耗。

　　本文就说明了怎样利用EM Microelectronic公司的EM4094 RFID读写基站（又称读写芯片、模拟前端模块、基站芯片、收发器）来构建支持多种协议的13.56MHz通用型或能满足上述特定要求的特殊RFID读卡器。

　　硬件结构分析

　　读写器一般由读写基站、微控制器（单片机）组成。

　　基本上，读写基站（如EM4094）为RFID负责对数据进行编码/译码，并以适当功率驱动RFID读卡器天线。

　　而读写基站本身由微控制器驱动。该微控制器负责管理不同协议的帧译码任务，以及与PC或其它后台控制设备的通信接口（串行接口、USB接口或以太网接口）。

　　一些IC供应商提供集成了模拟前端和微控制器的芯片。在很多情况下，微控制器或集成的存储器空间不是超出需求就是不够用，而独立的模块允许制造商选择最适合其设计要求的微控制器和存储器容量。

　　软件功能设计需求

　　该读写器需要支持ISO14443 Type A和B、Sony Felica及ISO15693标准的全部强制命令，并支持EM 13.56MHz收发器IC的全部指令集。可以实现不同的通信协议和防冲突协议。可以读写的卡片种类如下：

　　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

　　读写基站的选择

　　目前13.56MHz的多协议读写基站基本上有3种常用的：

　　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点，综合考虑，EM4094具有更好的性价比。

　　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13.56MHz收发器芯片、ISO15693、ISO14443 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13.56MHz 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，5V电源下200mW高输出功率；

　　ASK调制可调范围从7%到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；

　　848kHz BPSK内部解调器（ B型）；

　　多种副载波兼容接收（212kHz、 424kHz或848kHz）；

　　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400kHz及1MHz间进行检波；

　　内置接收高通滤波器截止频率可在100kHz、200kHz及300kHz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100mW （ SO16封装）、 200mW （ SO20封装）；

　　工作温度范围-40℃到 +85℃；

　　ISO15693、ISO14443 协议完全兼容；

　　多接收输入，高通讯可靠性。

　　单片机的选择

　　单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

　　单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

　　EM4094胜出其它RFID读卡器芯片一筹的地方是它允许读卡器制造商自行选择最适合其处理与功率需求的微控制器。一个工作频率为16MHz的带8 kB程序存储器的8位微控制器看起来是实现一个读卡器的最合理选择，因为它可以实现所有相关的标准和事实标准协议。对于要求更高的RFID读卡器应用，16 kB存储器将可提供更好的编程自由度。

　　EM4094对于单片机的要求

　　EM4094-ISO15693协议对单片机的要求

　　~3800 字节的程序FLASH内存；

　　~345 字节的SRAM；

　　1个带有捕获模式的定时器T1 （ICP1 feature）；

　　3 个I/O接口 （DOUT、 DIN、DCLK）；

　　看门狗（可设置为2.2s）；

　　8MHz 晶振；

　　RFID 通讯过程中没有不允许外部中断；

　　支持 ISO15693的优化设计。

　　EM4094-ISO14443 A-B-C 协议对于单片机的要求

　　~15k字节的程序FLASH内存；

　　~500B字节的SRAM；

　　2个带有捕获模式的定时器T1、T3；

　　看门狗（可设置为2.2s）；

　　16MHz晶振；

　　RFID 通讯过程中没有不允许外部中断；

　　提供专用固件来支持ISO14443 A、B、C 标准。

　　AVR单片机的优点

　　ATMEL的AVR系列单片机是一个优秀的RISC 结构单片机系列与MCS51 相比其有以下一些典型特点：

　　AVR的机器周期为1 个时钟周期绝大多数指令为单周期指令因此每MHz时钟有接近1MIPS 的性能；

　　程序存贮器与数据存贮器有分开的总线程序可以高效地执行8MHz 频率下工作的AVR 相当于224MHz 频率下工作的MCS51；

　　内置可重复编程的FLASH 程序存贮器和EEPROM 数据存贮器支持对单片机的在系统编程ISP 在生产中可以先装配后编程从而缩短工艺流程和节约购买万用编程器的费用并且可以方便地升级或修改程序；

　　内置上电复位电路和看门狗定时器电路在提高产品可靠性的同时降低了电路的成本；

　　部分AVR单片机与MCS51 系列单片机管脚兼容如AT90S1200/2313 对应AT89C1051/2051，AT90S4414/8515 对应AT89C51/52。因此可以做到一套PCB板对应两套电路增加了用户备货的可选择性和灵活性；

　　定时/计数器的功能大大增强串口通信时波特率发生不占用定时器。