基于 SDIO 接口的通用 RFID 讀寫(xiě)器的開(kāi)發(fā)

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：張建軍，包國鋒，馬一兵   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月15日

    0 引 言 

    射頻識別(RFID)是利用無(wú)線(xiàn)方式對電子數據載體(電子標簽)進(jìn)行識別的一種新興技術(shù)。與接觸式IC卡和條形碼識別等系統比較，它有著(zhù)巨大的優(yōu)勢。利用射頻識別技術(shù)，能有效實(shí)現對數量大、分布區域廣的信息進(jìn)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(dòng)收費、超市、門(mén)禁系統管理、服務(wù)領(lǐng)域等方面有著(zhù)廣泛的應用前景。隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內RFID行業(yè)也正經(jīng)歷著(zhù)深刻的變革。 

    然而，目前市場(chǎng)上的各類(lèi)RFID讀卡設備仍然存在體積較大，接口不統一，傳輸速率較低等缺陷。已經(jīng)存在的便攜式RFID數據終端的價(jià)格卻很高，一般用戶(hù)接收不了，并且一個(gè)完整的RFID系統開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，短時(shí)間內無(wú)法占領(lǐng)市場(chǎng)等問(wèn)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，讀卡設備小型化、接口標準化、速率最大化，縮短系統開(kāi)發(fā)周期必然成為今后RFID產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢。這種便攜式設備能夠嵌入到現有智能綜合平臺中，通過(guò)SDIO接口連接到智能手機，PDA、筆記本電腦、打印機、手持終端等便攜式前端數據采集設備，將獲取到的RFID數據通過(guò)標準的SDIO接口與平臺進(jìn)行高速傳輸?？梢詽M(mǎn)足于身份認證、商業(yè)物流、電子票據、新一代智能信用卡、產(chǎn)品防偽、POS及銀行卡終端等應用。

    1、硬件系統框圖 

    硬件系統框圖如圖1所示。工作流程如下： 

    SDIO接口芯片負責把SD總線(xiàn)上的信息流轉化為RS 232串口的信息，這樣可以和單片機進(jìn)行簡(jiǎn)單的溝通，因為一般的單片機都具有串口。
    CPU根據接收的指令，通過(guò)SPI口向RFID讀寫(xiě)基站EM4094發(fā)出命令，并得到相應的數據(來(lái)自于卡片或者EM4094的設置信息)。
    EM4094在得到CPU的命令后，對已經(jīng)位于天線(xiàn)范圍內的卡片進(jìn)行操作，并返回相應的信息。
    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)行電壓轉換(DC—DC)；另一方面，為了提高讀寫(xiě)距離，將3．3 V轉換為5 V是有好處的，但另一方面則增加了功耗，這可以通過(guò)合理的控制磁場(chǎng)打開(kāi)的時(shí)間來(lái)解決。

    2 、軟件功能設計要求 

    讀寫(xiě)器的軟件功能基本要實(shí)現以下3個(gè)方面： 

    2．1 需要支持13．56MHz頻率下的各種標準可讀寫(xiě)卡片 

    3、 SDIO卡接口標準 

    3．1 簡(jiǎn)介 

    現在的電腦、PDA、智能手機中一般都配有SDIO卡接口。SDIO是帶有擴展輸入／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(kāi)發(fā)能通過(guò)SDIO兼容插槽添加在產(chǎn)品中的硬件擴展設備。許多基于SDIO的附加產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)中，其中包括無(wú)線(xiàn)LAN和通信適配器、數字電視調諧器和GPS附件。SDIO兼容插槽可用于許多PDA和移動(dòng)電話(huà)之上，并計劃用于其他更多的產(chǎn)品。 

    3．2 特性 

    兼容規范版本1．01；卡上錯誤校正；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：O～25 MHz；通信電壓范圍：2．0～3. 6 V；工作電壓范圍：2．O～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(wú)需額外編程電壓；卡片帶電插撥保護；正向兼容MMC卡；高速串行接口帶隨即存??；支持雙通道閃存交叉存??；快寫(xiě)技術(shù)：一個(gè)低成本的方案，能夠超高速閃存訪(fǎng)問(wèn)和高可靠數據存儲最大讀寫(xiě)速率：10 Mb／s；最大10個(gè)堆疊的卡(20 MHz，VCC=2．7～3．6 V)；數據壽命：10萬(wàn)次編程／擦除；CE和FCC認證，◎PIP封裝技術(shù)；尺寸：24 mm寬×32 mm長(cháng)×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。主機系統可以選擇以上其中任一模式，SD卡模式允許4線(xiàn)的高速數據傳輸。SPI模式允許簡(jiǎn)單通用的SPI通道接口，這種模式相對于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。 

    SD卡的總線(xiàn)概念：
 
    SD總線(xiàn)允許強大的1線(xiàn)到4線(xiàn)數據信號設置。當默認的上電后，SD卡使用DAT0。初始化之后，主機可以改變線(xiàn)寬(即改為2根線(xiàn)，3根線(xiàn)…)?；旌偷腟D卡連接方式也適合于主機。在混和連接中VCC，VSS和CLK的信號連接可以通用。但是，命令，回復和數據(DAT0～DAT3)這幾根線(xiàn)，各個(gè)SD卡必須從主機分開(kāi)。 

    這個(gè)特性使得硬件和系統上交替使用。SD總線(xiàn)上通信的命令和數據比特流從一個(gè)起始位開(kāi)始，以停止位中止。
CLK：每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)命令或數據位。頻率可在O～25 MHz之間變化。SD卡的總線(xiàn)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(xiàn)上串行傳輸，一個(gè)命令是一次主機到從卡操作；回復從該CMD線(xiàn)上串行傳輸，一個(gè)命令是對之前命令的回答?；貜涂梢詠?lái)自單機或所有卡。 

    DAT0～DAT2：數據可以從卡傳向主機或副vet—sa，數據通過(guò)數據線(xiàn)傳輸。 

    3．4．2 SPI模式針腳定義 

    SPI模式針腳定義如表2所示。 

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

    SPI總線(xiàn)概念：SPI總線(xiàn)允許通過(guò)2通道(數據入和出)傳輸比特數據。SPI兼容模式使得MMC主機系統通過(guò)很小的改動(dòng)就可以使用SD卡。SPI模式使用字節傳輸。 

    所有的數據被融合到一些字節中并aligned to theCS signal(可能是：通過(guò)CS信號來(lái)校正)。SPI模式的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)化主機的設計。特別地，MMC主機需要小的改動(dòng)。SPI模式相對于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。 

    4 、SDIO接口芯片的選擇 

    在設計SDIO接口的時(shí)候，有2種方法： 

    方法1：用MCU直接模擬SD標準通訊，優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)難度大，主機端的驅動(dòng)也要自行設計。方法2：采用現有的SD接口轉串口(或者其他MCU自帶接口如并口、SPI)的芯片。為了加快開(kāi)發(fā)速度以及保證整個(gè)系統的穩定性，本讀寫(xiě)器采用第二種方法，即使用現有的成熟的芯片作為連接橋，這樣主機端的驅動(dòng)也不需要設計了(驅動(dòng)由芯片廠(chǎng)家提供)。目前有的一款芯片為AC2200，它是Arasan公司設計的SDIO接口的專(zhuān)用控制器芯片，可以通過(guò)APB，SPI，Parallel以及UART和設備(微處理器)進(jìn)行通訊。它可以用來(lái)設計很多低功耗的產(chǎn)品，如GPS，UWB，cam—era，Zigbee，RFID，scanner等。

    通過(guò)APB，SPI，Parallel以及UART接口，使得SD總線(xiàn)的通訊變得簡(jiǎn)單，用戶(hù)不必關(guān)心復雜的SD協(xié)議。
    AC2200可以工作在主機方式。在嵌入式微處理器ARM或者8051的應用系統里，AC2200可以提供子機接口。
    在子機模式下，應用CPU控制AC2200的初始化以及內部寄存器的設置。
    AC2200有1個(gè)E2PROM可以選配，E2PROM既可以被SD主機操作也可以被連接AC2200的CPU操作，或者用于A(yíng)C2200的初始化設備。

    5、 13．56 MHz RFID讀寫(xiě)基站的選擇 

    在當前的許多RFID應用中，設備制造商不一定能決定客戶(hù)采用什么讀寫(xiě)基站(也為收發(fā)器，以下統稱(chēng)讀寫(xiě)基站)。因此，為了最大程度地提高自己在某個(gè)特定項目中中標的機會(huì )，設備制造商必須提供這樣的讀寫(xiě)器，要么它能支持市場(chǎng)上盡可能多的讀寫(xiě)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、標準和讀寫(xiě)基站外，客戶(hù)對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／近感應距離、移動(dòng)性及功耗。但在單個(gè)讀卡器中很難同時(shí)滿(mǎn)足如此之多的要求。為了滿(mǎn)足所有這些要求，制造商可能需要提供一系列可滿(mǎn)足不同要求的讀卡器。所以，需要采用具有多協(xié)議的讀寫(xiě)基站芯片。 

    目前13．56 MHz的多協(xié)議讀寫(xiě)基站基本上有3種較為常用：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點(diǎn)，綜合考慮，EM4094具有更好的性?xún)r(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(xié)議，因此EM4094支持所有EM公司的13．56 MHz收發(fā)器芯片，IS015693，ISOl4443 A&B，以及Sony Felica協(xié)議。通過(guò)適當設定，EM4094甚至還可以與NFC設備通訊。它具有以下特點(diǎn)： 

    兼容ISO15693、ISO14443；具有可選跨導的使用13．56 MHz石英的振蕩器；使用OOK的天線(xiàn)驅動(dòng)或使用單一天線(xiàn)驅動(dòng)的ASK模塊；高輸出功率，5 V電源下200 mW高輸出功率；ASK調制可調范圍從7％～30％；天線(xiàn)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；848 kHzBPSK內部解調器(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選擇位進(jìn)行編程；3線(xiàn)SPI控制的降功耗模式，控制開(kāi)關(guān)機狀態(tài)；輸出功率為100 mW(S016封裝)，200 mW(SO20封裝)；工作溫度范圍一40～+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。 

    6 、結 語(yǔ) 

    無(wú)線(xiàn)射頻識別具有信息量大、高效便捷、安全的特點(diǎn)，是自動(dòng)識別的主流技術(shù)。低成本、高可靠的即插即用的便攜式電子標簽識讀終端的研究開(kāi)發(fā)有很大的實(shí)際意義。本文在研究分析系統作用原理的基礎上，給出了SDIO轉換芯片和微處理器芯片以及RFID讀寫(xiě)基站共同構成了一個(gè)完整的便攜式讀寫(xiě)系統的硬件實(shí)現方案。系統結構和成本合理，可靠性已得到試驗驗證，有較好的應用價(jià)值。