基于AVR單片機射頻卡多協議讀寫器的設計

　　引言

　　射頻識別(RFID)是利用無線方式對電子數據載體(電子標簽)進行識別的一種新興技術。與接觸式IC卡和條形碼識別等系統比較，它有著巨大的優勢。利用射頻識別技術，能有效實現對數量大、分布區域廣的信息進行智能化管理，達到高效快捷運作的目的，特別是在第二代身份證、物流、交通航運、自動收費、超市、門禁系統管理、服務領域等方面有著廣泛的應用前景。隨著我國國民經濟的快速發展，國內RFID行業也正經歷著深刻的變革。

　　RFID系統一般是由讀寫器、射頻卡、應用軟件來組成。其中讀寫器的設計是至關重要的，它決定了系統的穩定性和準確性。

　　除了要求其能支持一系列協議、標準和收發器外，對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/近感應距離、移動性及功耗。

　　本文就說明了怎樣利用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、收發器）來構建支持多種協議的13.56MHz通用型或能滿足上述特定要求的特殊RFID讀卡器。

　　硬件結構分析

　　讀寫器一般由讀寫基站、微控制器（單片機）組成。

　　基本上，讀寫基站（如EM4094）為RFID負責對數據進行編碼/譯碼，并以適當功率驅動RFID讀卡器天線。

　　而讀寫基站本身由微控制器驅動。該微控制器負責管理不同協議的幀譯碼任務，以及與PC或其它后臺控制設備的通信接口(串行接口、USB接口或以太網接口)。

　　一些IC供應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器空間不是超出需求就是不夠用，而獨立的模塊允許制造商選擇最適合其設計要求的微控制器和存儲器容量。

　　軟件功能設計需求

　　該讀寫器需要支持ISO14443 Type A和B、Sony Felica及ISO15693標準的全部強制命令，并支持EM 13.56MHz收發器IC的全部指令集。可以實現不同的通信協議和防沖突協議。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，綜合考慮，EM4094具有更好的性價比。

　　EM4094的概述

　　EM4094是一個集成的收發器芯片，它可用于構建RFID讀卡器的模擬前端模塊。該芯片的數據傳輸及接收鏈路允許傳送和解碼任何通信協議，因此 EM4094支持所有EM公司的13.56MHz收發器芯片、ISO15693、ISO14443 AB、以及Sony Felica協議。通過適當設定，EM4094甚至還可以與NFC設備通訊。

　　它具有以下特點：

　　?兼容ISO15693、ISO14443；

　　?具有可選跨導的使用13.56MHz 石英的振蕩器；

　　?使用OOK 的天線驅動或使用單一天線驅動的ASK模塊；

　　?高輸出功率,5V電源下200mW高輸出功率；

　　?ASK調制可調范圍從7%到30%；

　　?天線短路保護；

　　?用于高度可靠通信的多路接收器輸入；

　　?帶AGC信號放大器的AM/PM解調；

　　? 848kHz BPSK內部解調器( 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)；

　　?內置接收低通濾波器截止頻率可在400kHz及1MHz間進行檢波；

　　?內置接收高通濾波器截止頻率可在100kHz、200kHz及300kHz間進行檢波；

　　?可選接收增益；

　　?可選擇的串行接口對選擇位進行編程；

　　? 3線SPI控制的降功耗模式, 控制開關機狀態；

　　?輸出功率為100mW ( SO16封裝)、 200mW ( SO20封裝)；

　　?工作溫度范圍-40℃到 +85℃；

　　?ISO15693、ISO14443 協議完全兼容；

　　?多接收輸入，高通訊可靠性。

　　單片機的選擇

　　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。一個工作頻率為16MHz的帶8 kB程序存儲器的8位微控制器看起來是實現一個讀卡器的最合理選擇，因為它可以實現所有相關的標準和事實標準協議。對于要求更高的RFID讀卡器應用，16 kB存儲器將可提供更好的編程自由度。

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

　　EM4094對于單片機的要求

　　EM4094-ISO15693協議對單片機的要求

　　? ~3800 字節的程序FLASH內存；

　　? ~345 字節的SRAM；

　　? 1個帶有捕獲模式的定時器T1 (ICP1 feature)；

　　? 3 個I/O接口 (DOUT、 DIN、DCLK)；

　　?看門狗（可設置為2.2s）；

　　? 8MHz 晶振；

　　? RFID 通訊過程中沒有不允許外部中斷；

　　?支持 ISO15693的優化設計。

　　EM4094-ISO14443 A-B-C 協議對于單片機的要求

　　? ~15k字節的程序FLASH內存；

　　? ~500B字節的SRAM；

　　? 2個帶有捕獲模式的定時器T1、T3；

　　?看門狗（可設置為2.2s）；

　　? 16MHz晶振；

　　? RFID 通訊過程中沒有不允許外部中斷；

　　?提供專用固件來支持ISO14443 A、B、C 標準。

　　AVR單片機的優點

　　ATMEL的AVR系列單片機是一個優秀的RISC 結構單片機系列與MCS51 相比其有以下一些典型特點：

　　? AVR的機器周期為1 個時鐘周期絕大多數指令為單周期指令因此每MHz時鐘有接近1MIPS 的性能；

　　?程序存貯器與數據存貯器有分開的總線程序可以高效地執行8MHz 頻率下工作的AVR 相當于224MHz 頻率下工作的MCS51；

　　?內置可重復編程的FLASH 程序存貯器和EEPROM 數據存貯器支持對單片機的在系統編程ISP 在生產中可以先裝配后編程從而縮短工藝流程和節約購買萬用編程器的費用并且可以方便地升級或修改程序；

　　?內置上電復位電路和看門狗定時器電路在提高產品可靠性的同時降低了電路的成本；

　　?部分AVR單片機與MCS51 系列單片機管腳兼容如AT90S1200/2313 對應AT89C1051/2051，AT90S4414/8515 對應AT89C51/52。因此可以做到一套PCB板對應兩套電路增加了用戶備貨的可選擇性和靈活性；

　　?定時/計數器的功能大大增強串口通信時波特率發生不占用定時器。