張建軍　包國(guó)鋒　馬一兵

摘 要：介紹如何利用EM Microelectronic公司的射頻卡讀寫基站芯片EM4094和Arasan公司的SDIO接口芯片AC2200來構(gòu)建一種基于通用接口SDIO的即插即用型的RFID讀寫器,它可以在支持SDIO接口的掌上電腦或智能手機(jī)上使用,實(shí)現(xiàn)對(duì)13.56 MHz(ISO15693,ISO14443A/B/C等多種協(xié)議)RFID電子標(biāo)簽的讀寫,插拔方便,尺寸較小,可利用依托設(shè)備取電。這種方案為具有SDIO接口的智能終端提供了一種性能價(jià)格比很高的射頻識(shí)別功能的擴(kuò)展,從而使RFID在各行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛和靈活。

關(guān)鍵詞：SDIO接口；RFID射頻卡；SPI接口；讀寫基站

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-047-04

Development of General RFID Reader-Writer Based on SDIO

ZHANG Jianjun1,BAO Guofeng2,MA Yibing3

(1.Shandong Jiaotong University,Ji′nan,250023,China;

2.Computer Information Center,Subsidiary Provincial Hospital,Shandong University,Ji′nan,250001,China;

3.Shanhai JIN-AN-TE Auto ID R&D; Center,Shanghai,201102,China)

Abstract：How to use EM Microelectronic radio base station chip card readers EM4094 and Arasan′s SDIO interface chip AC2200 to build a common interface based on the SDIO plug-and-play type of RFID readers is introduced.It can be used in the handheld computer or smartphone support SDIO interface,to achieve the 13.56 MHz (ISO15693,ISO14443A/B/C and other agreements) RFID electronic tags to read and write,swapping convenience of a smaller size,can rely on equipment from power.Such programm for SDIO interface with the smart terminal provides a very high price-performance RFID expansion,thus application of FRID in each fields is broader and more flexible.

Keywords：SDIO interface;RFID RF cards;SPI interface;read & write base station

0 引 言

射頻識(shí)別(RFID)是利用無線方式對(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。

然而,目前市場(chǎng)上的各類RFID讀卡設(shè)備仍然存在體積較大,接口不統(tǒng)一,傳輸速率較低等缺陷。已經(jīng)存在的便攜式RFID 數(shù)據(jù)終端的價(jià)格卻很高,一般用戶接收不了,并且一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng),短時(shí)間內(nèi)無法占領(lǐng)市場(chǎng)等問題,都在一定程度上限制了本行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。因此,讀卡設(shè)備小型化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、速率最大化,縮短系統(tǒng)開發(fā)周期必然成為今后RFID產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

這種便攜式設(shè)備能夠嵌入到現(xiàn)有智能綜合平臺(tái)中,通過SDIO接口連接到智能手機(jī),PDA、筆記本電腦、打印機(jī)、手持終端等便攜式前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備,將獲取到的RFID數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)的SDIO接口與平臺(tái)進(jìn)行高速傳輸?？梢詽M足于身份認(rèn)證、商業(yè)物流、電子票據(jù)、新一代智能信用卡、產(chǎn)品防偽、POS及銀行卡終端等應(yīng)用。

1 硬件系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。工作流程如下：

SDIO接口芯片負(fù)責(zé)把SD總線上的信息流轉(zhuǎn)化為RS 232串口的信息,這樣可以和單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的溝通,因?yàn)橐话愕膯纹瑱C(jī)都具有串口。

CPU根據(jù)接收的指令,通過SPI口向RFID讀寫基站EM4094發(fā)出命令,并得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)(來自于卡片或者EM4094的設(shè)置信息)。

EM4094在得到CPU的命令后,對(duì)已經(jīng)位于天線范圍內(nèi)的卡片進(jìn)行操作,并返回相應(yīng)的信息。

由于EM4094的工作電壓為4.5~5.5 V,而SD接口提供的是3.3 V的電壓,所以要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換(DC-DC)；另一方面,為了提高讀寫距離,將3.3 V轉(zhuǎn)換為 5 V是有好處的,但另一方面則增加了功耗,這可以通過合理的控制磁場(chǎng)打開的時(shí)間來解決。

2 軟件功能設(shè)計(jì)要求

讀寫器的軟件功能基本要實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)方面：

2.1 需要支持13.56 MHz頻率下的各種標(biāo)準(zhǔn)可讀寫卡片

ISO 14443A&B;:MIFARE sRUltralight,MIFARE sRClassic,MIFARE sRDESFire,MIFARE sRPROX, MIFARE sRPRO；ISO 15693；ISO 18000-3；INSIDE PicoTag；HID iClass；Tagsys C320；eNFC；MasterCard PayPass；FeliCa；KSW TempSens；KSW VarioSens。

2.2 具有多種Secure Digital (SD)模式

SDIO complaint,version 1.10；SD-1,SD-4,SPI mode；Extended SD form factor。

2.3 具有多種操作系統(tǒng)支持

Microsoft Pocket PC 2002/2003；Windows Mobile 2003；Windows Mobile 5.0；Palm OS 4.1 and up。

3 SDIO卡接口標(biāo)準(zhǔn)

3.1 簡(jiǎn)介

現(xiàn)在的電腦、PDA、智能手機(jī)中一般都配有SDIO卡接口。SDIO是帶有擴(kuò)展輸入/輸出功能的SD尺寸的卡。IO指輸入和輸出。SDIO可允許制造商開發(fā)能通過SDIO兼容插槽添加在產(chǎn)品中的硬件擴(kuò)展設(shè)備。許多基于SDIO的附加產(chǎn)品正在開發(fā)中,其中包括無線LAN和通信適配器、數(shù)字電視調(diào)諧器和GPS附件。SDIO兼容插槽可用于許多PDA和移動(dòng)電話之上,并計(jì)劃用于其他更多的產(chǎn)品。

3.2 特性

兼容規(guī)范版本1.01；卡上錯(cuò)誤校正；支持CPRM；兩個(gè)可選的通信協(xié)議：SD模式和SPI模式；可變時(shí)鐘頻率：0~25 MHz；通信電壓范圍：2.0~3.6 V；工作電壓范圍:2.0~3.6 V；低電壓消耗：自動(dòng)斷電及自動(dòng)睡醒,智能電源管理；無需額外編程電壓；卡片帶電插拔保護(hù)；正向兼容MMC卡；高速串行接口帶隨即存?。恢С蛛p通道閃存交叉存??；快寫技術(shù)：一個(gè)低成本的方案,能夠超高速閃存訪問和高可靠數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

最大讀寫速率： 10 Mb/s；最大10個(gè)堆疊的卡(20 MHz,V CC=2.7~ 3.6 V)；數(shù)據(jù)壽命：10萬(wàn)次編程/擦除；CE和FCC認(rèn)證,◎PIP封裝技術(shù)；尺寸：24 mm寬×32 mm長(zhǎng)× 1.44 mm厚。

3.3 工作模式

該SD卡的接口可以支持兩種操作模式：SD卡模式；SPI模式。

主機(jī)系統(tǒng)可以選擇以上其中任一模式,SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。SPI模式允許簡(jiǎn)單通用的SPI通道接口,這種模式相對(duì)于SD模式的不足之處是喪失了速度。

3.4 引腳定義

3.4.1 SD卡模式針腳定義

SD卡模式針腳定義如表1所示。

表1 SD卡模式針腳

針腳名稱類型描述

1CD DAT3I/O/PP卡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)位3

2CMDPP命令/回復(fù)

3VSSS地

4VCCS供電電壓

5CLKI時(shí)鐘

6CSS2S地

7DAT0I/O/PP數(shù)據(jù)位0

8DAT1I/O/PP數(shù)據(jù)位1

9DAT2I/O/PP數(shù)據(jù)位2

SD卡的總線概念：

SD總線允許強(qiáng)大的1線到4線數(shù)據(jù)信號(hào)設(shè)置。當(dāng)默認(rèn)的上電后,SD卡使用DAT0。初始化之后,主機(jī)可以改變線寬(即改為2根線,3根線…)。混和的SD卡連接方式也適合于主機(jī)。在混和連接中VCC,VSS和CLK的信號(hào)連接可以通用。但是,命令,回復(fù)和數(shù)據(jù)(DAT0～DAT3)這幾根線,各個(gè)SD卡必須從主機(jī)分開。

這個(gè)特性使得硬件和系統(tǒng)上交替使用。SD總線上通信的命令和數(shù)據(jù)比特流從一個(gè)起始位開始,以停止位中止。

CLK：每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)命令或數(shù)據(jù)位。頻率可在0～25 MHz之間變化。SD卡的總線管理器可以不受任何限制地自由產(chǎn)生0～25 MHz的頻率。

CMD：命令從該CMD線上串行傳輸,一個(gè)命令是一次主機(jī)到從卡操作；回復(fù)從該CMD線上串行傳輸,一個(gè)命令是對(duì)之前命令的回答。回復(fù)可以來自單機(jī)或所有卡。

DAT0～DAT3：數(shù)據(jù)可以從卡傳向主機(jī)或副versa,數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸。

3.4.2 SPI模式針腳定義

SPI模式針腳定義如表2所示。

表2 SPI模式針腳

針腳名稱類型描述

1CSI片選(負(fù)有效)

2DII數(shù)據(jù)輸入

3VSSS地

4VCCS供電電壓

5CLKI時(shí)鐘

6VSS2S地

7DOO數(shù)據(jù)輸出

8RSV--

9RSV--

注意：SPI模式時(shí),這些信號(hào)需要在主機(jī)端用10~100 kΩ的電阻上拉。

SPI 總線概念：SPI總線允許通過2通道(數(shù)據(jù)入和出)傳輸比特?cái)?shù)據(jù)。SPI兼容模式使得MMC主機(jī)系統(tǒng)通過很小的改動(dòng)就可以使用ＳＤ卡。SPI模式使用字節(jié)傳輸。

所有的數(shù)據(jù)被融合到一些字節(jié)中并 aligned to the CS signal(可能是：通過CS信號(hào)來校正)。SPI模式的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)化主機(jī)的設(shè)計(jì)。特別地,MMC主機(jī)需要小的改動(dòng)。SPI模式相對(duì)于SD模式的不足之處是喪失了速度性能。

3.5 連接示意圖

連接示意圖如圖2所示。

圖2 SD Card連接示意圖

4 SDIO接口芯片的選擇

在設(shè)計(jì)SDIO接口的時(shí)候,有2種方法：

方法1：用MCU直接模擬SD標(biāo)準(zhǔn)通訊,優(yōu)點(diǎn)是成本低,缺點(diǎn)是開發(fā)難度大,主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)也要自行設(shè)計(jì)。

方法2：采用現(xiàn)有的SD接口轉(zhuǎn)串口(或者其他MCU自帶接口如并口、SPI)的芯片。為了加快開發(fā)速度以及保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,本讀寫器采用第二種方法,即使用現(xiàn)有的成熟的芯片作為連接橋,這樣主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)也不需要設(shè)計(jì)了(驅(qū)動(dòng)由芯片廠家提供)。目前有的一款芯片為AC2200,它是Arasan公司設(shè)計(jì)的SDIO接口的專用控制器芯片,可以通過APB,SPI,Parallel以及UART 和設(shè)備(微處理器)進(jìn)行通訊。它可以用來設(shè)計(jì)很多低功耗的產(chǎn)品,如GPS,UWB,camera,Zigbee,RFID,scanner等。

通過APB,SPI,Parallel以及UART接口,使得SD總線的通訊變得簡(jiǎn)單,用戶不必關(guān)心復(fù)雜的SD協(xié)議。

AC2200可以工作在主機(jī)方式。在嵌入式微處理器 ARM或者8051的應(yīng)用系統(tǒng)里,AC2200可以提供子機(jī)接口。

在子機(jī)模式下,應(yīng)用CPU控制AC2200的初始化以及內(nèi)部寄存器的設(shè)置。

AC2200有1個(gè)E2PROM可以選配,E2PROM 既可以被SD 主機(jī)操作也可以被連接AC2200的CPU操作,或者用于AC2200的初始化設(shè)備。

5 13.56 MHz RFID讀寫基站的選擇

在當(dāng)前的許多RFID應(yīng)用中,設(shè)備制造商不一定能決定客戶采用什么讀寫基站(也為收發(fā)器,以下統(tǒng)稱讀寫基站)。因此,為了最大程度地提高自己在某個(gè)特定項(xiàng)目中中標(biāo)的機(jī)會(huì),設(shè)備制造商必須提供這樣的讀寫器,要么它能支持市場(chǎng)上盡可能多的讀寫基站芯片,要么它本身至少是比較容易定制的。

除了要求其能支持一系列協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和讀寫基站外,客戶對(duì)讀卡器可能還有其他功能性方面的要求,如高性能、防沖突、遠(yuǎn)/近感應(yīng)距離、移動(dòng)性及功耗。但在單個(gè)讀卡器中很難同時(shí)滿足如此之多的要求。為了滿足所有這些要求,制造商可能需要提供一系列可滿足不同要求的讀卡器。所以,需要采用具有多協(xié)議的讀寫基站芯片。

目前13.56 MHz的多協(xié)議讀寫基站基本上有3種較為常用：PHLISPS公司的RC632,TI公司的RI-6C-001和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。

5.1 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13.56 MHz收發(fā)器芯片,ISO15693,ISO14443 A&B;,以及Sony Felica協(xié)議。通過適當(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13.56 MHz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,5 V電源下200 mW高輸出功率；ASK調(diào)制可調(diào)范圍從7%~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)；848 kHz BPSK內(nèi)部解調(diào)器(B型)；多種副載波兼容接收 (212 kHz,424 kHz或 848 kHz)；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400 kHz及 1 MHz間進(jìn)行檢波；內(nèi)置接收高通濾波器截止頻率可在100 kHz, 200 kHz及300 kHz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100 mW(SO16封裝),200 mW(SO20封裝)；工作溫度范圍-40~+85 ℃；ISO15693,ISO14443協(xié)議完全兼容;多接收輸入,高通訊可靠性。

5.2 工作原理及引腳定義

EM4094的工作原理如圖3所示,引腳定義如圖4所示,具體含義參照表3。

圖3 工作原理圖

圖4 引腳定義

6 結(jié) 語(yǔ)

無線射頻識(shí)別具有信息量大、高效便捷、安全的特點(diǎn),是自動(dòng)識(shí)別的主流技術(shù)。低成本、高可靠的即插即用的便攜式電子標(biāo)簽識(shí)讀終端的研究開發(fā)有很大的實(shí)際意義。本文在研究分析系統(tǒng)作用原理的基礎(chǔ)上,給出了SDIO轉(zhuǎn)換芯片和微處理器芯片以及RFID讀寫基站共同構(gòu)成了一個(gè)完整的便攜式讀寫系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本合理,可靠性已得到試驗(yàn)驗(yàn)證,有較好的應(yīng)用價(jià)值。

表3 引腳釋意

引腳名稱功能描述

1OSC IN晶振輸入(無內(nèi)部電容)

2OSC OUT晶振輸出(無內(nèi)部電容)

3VDDA1天線驅(qū)動(dòng)器電源正極

4ANT1RF輸出(10 Ω輸出阻抗)

5VSSA1天線驅(qū)動(dòng)器負(fù)極0 V

6VSSA2天線驅(qū)動(dòng)器負(fù)極0 V

7ANT2RF輸出(10 Ω輸出阻抗)

8VDDA2天線驅(qū)動(dòng)器電源正極

9RF IN2RF輸入PM(最大5V pp,DC耦合到AGD)

10RF IN1RF輸入AM(最大5V pp,DC耦合到AGD)

11D INSPI數(shù)據(jù)輸入/磁場(chǎng)調(diào)制信號(hào)輸入

12D CLKSPI時(shí)鐘信號(hào)

13D OUTSPI數(shù)據(jù)輸出/BPSK位流輸出

14D OUT1BPSK位時(shí)鐘輸出/模擬接收輸出

15VSS電源負(fù)極0 V

16AGD參考電壓2.5 V輸出

17NC未用

18NC未用

19EN使能輸入

20VDD電源正極

參考文獻(xiàn)

［1］吳永祥.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望.微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(22):234-236.

［2］胡建赟,何艷,閔昊.無源射頻電子標(biāo)簽?zāi)M前端的設(shè)計(jì)與分析.半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2006,27(6):27-30.

［3］Klaus Finkenzeller.射頻識(shí)別RFID技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2001.

［4］強(qiáng)強(qiáng),竇延平.基于RFID技術(shù)的AUTO-ID全球網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建.計(jì)算機(jī)工程,2004,30(12):191-193.

［5］Chen Peng,Lai Shengli.The Analysis and Design of a Novel Passive Reflection Modulation.4th International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.Proceedings,IEEE,345E 47th ST,New York,NY 10017 USA.2004:402-405.

［6］黃智偉.無線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

［7］唐承佩,倪江群.基于MF RC500的通用射頻卡讀寫模塊的設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器,2005(7):36-39.

［8］Jose Luis Geijo Perez.如何利用EM4094構(gòu)建一個(gè)通用的13.56MHz讀卡器.http://www.irfid.cn,2007.

［9］何將三,陳國(guó)棟.基于MF RC500的射頻識(shí)別讀寫器設(shè)計(jì).單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2004(11):52-54.

［10］孫連坤,萬(wàn)振凱.基于MFRC500的非接觸讀卡器設(shè)計(jì).儀器儀表用戶,2004,11(5):81-83.

［11］厲魯衛(wèi),包建榮,蔣苗林,等.射頻識(shí)別讀寫設(shè)備應(yīng)用設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2004,25(6):947-950,953.

［12］單承贛,柴斌,姚磊.高集成度TYPEA讀寫器芯片MFRC500及其應(yīng)用.國(guó)外電子元器件,2004(8):34-37.