基于ＳＤＩＯ接口的通用ＲＦＩＤ讀寫器的開發(fā)

張建軍　包國鋒　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上使用,實現(xiàn)對13.56 MHz(ISO15693,ISO14443A/B/C等多種協(xié)議)RFID電子標簽的讀寫,插拔方便,尺寸較小,可利用依托設備取電。這種方案為具有SDIO接口的智能終端提供了一種性能價格比很高的射頻識別功能的擴展,從而使RFID在各行業(yè)的應用更加廣泛和靈活。

關(guān)鍵詞：SDIO接口；RFID射頻卡；SPI接口；讀寫基站

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：B

文章編號：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

射頻識別(RFID)是利用無線方式對電子數(shù)據(jù)載體(電子標簽)進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(tǒng)比較,它有著巨大的優(yōu)勢。利用射頻識別技術(shù),能有效實現(xiàn)對數(shù)量大、分布區(qū)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(tǒng)管理、服務領(lǐng)域等方面有著廣泛的應用前景。隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,國內(nèi)RFID行業(yè)也正經(jīng)歷著深刻的變革。

然而,目前市場上的各類RFID讀卡設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)終端的價格卻很高,一般用戶接收不了,并且一個完整的RFID系統(tǒng)開發(fā)周期長,短時間內(nèi)無法占領(lǐng)市場等問題,都在一定程度上限制了本行業(yè)的進一步發(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(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。

這種便攜式設備能夠嵌入到現(xiàn)有智能綜合平臺中,通過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(shù)據(jù)采集設備,將獲取到的RFID數(shù)據(jù)通過標準的SDIO接口與平臺進行高速傳輸?？梢詽M足于身份認證、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接口芯片負責把SD總線上的信息流轉(zhuǎn)化為RS 232串口的信息,這樣可以和單片機進行簡單的溝通,因為一般的單片機都具有串口。

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,并得到相應的數(shù)據(jù)(來自于卡片或者EM4094的設置信息)。

EM4094在得到CPU的命令后,對已經(jīng)位于天線范圍內(nèi)的卡片進行操作,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打開的時間來解決。

2 軟件功能設計要求

讀寫器的軟件功能基本要實現(xiàn)以下3個方面：

2.1 需要支持13.56 MHz頻率下的各種標準可讀寫卡片

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卡接口標準

3.1 簡介

現(xiàn)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可允許制造商開發(fā)能通過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和移動電話之上,并計劃用于其他更多的產(chǎn)品。

3.2 特性

兼容規(guī)范版本1.01；卡上錯誤校正；支持CPRM；兩個可選的通信協(xié)議：SD模式和SPI模式；可變時鐘頻率：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：自動斷電及自動睡醒,智能電源管理；無需額外編程電壓；卡片帶電插拔保護；正向兼容MMC卡；高速串行接口帶隨即存取；支持雙通道閃存交叉存?。豢鞂懠夹g(shù)：一個低成本的方案,能夠超高速閃存訪問和高可靠數(shù)據(jù)存儲

最大讀寫速率： 10 Mb/s；最大10個堆疊的卡(20 MHz,V CC=2.7~ 3.6 V)；數(shù)據(jù)壽命：10萬次編程/擦除；CE和FCC認證,◎PIP封裝技術(shù)；尺寸：24 mm寬×32 mm長× 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(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。

表1 SD卡模式針腳

針腳名稱類型描述

1CD DAT3I/O/PP卡監(jiān)測數(shù)據(jù)位3

2CMDPP命令/回復

3VSSS地

4VCCS供電電壓

5CLKI時鐘

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總線允許強大的1線到4線數(shù)據(jù)信號設置。當默認的上電后,SD卡使用DAT0。初始化之后,主機可以改變線寬(即改為2根線,3根線…)?；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(shù)據(jù)(DAT0～DAT3)這幾根線,各個SD卡必須從主機分開。

這個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)比特流從一個起始位開始,以停止位中止。

CLK：每個時鐘周期傳輸一個命令或數(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,一個命令是一次主機到從卡操作；回復從該CMD線上串行傳輸,一個命令是對之前命令的回答?；貜涂梢詠碜詥螜C或所有卡。

DAT0～DAT3：數(shù)據(jù)可以從卡傳向主機或副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(負有效)

2DII數(shù)據(jù)輸入

3VSSS地

4VCCS供電電壓

5CLKI時鐘

6VSS2S地

7DOO數(shù)據(jù)輸出

8RSV--

9RSV--

注意：SPI模式時,這些信號需要在主機端用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)傳輸比特數(shù)據(jù)。SPI兼容模式使得MMC主機系統(tǒng)通過很小的改動就可以使用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信號來校正)。SPI模式的優(yōu)點就是簡化主機的設計。特別地,MMC主機需要小的改動。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。

圖2 SD Card連接示意圖

4 SDIO接口芯片的選擇

在設計SDIO接口的時候,有2種方法：

方法1：用MCU直接模擬SD標準通訊,優(yōu)點是成本低,缺點是開發(fā)難度大,主機端的驅(qū)動也要自行設計。

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,這樣主機端的驅(qū)動也不需要設計了(驅(qū)動由芯片廠家提供)。目前有的一款芯片為AC2200,它是Arasan公司設計的SDIO接口的專用控制器芯片,可以通過APB,SPI,Parallel以及UART 和設備(微處理器)進行通訊。它可以用來設計很多低功耗的產(chǎn)品,如GPS,UWB,camera,Zigbee,RFID,scanner等。

通過APB,SPI,Parallel以及UART接口,使得SD總線的通訊變得簡單,用戶不必關(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(tǒng)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(nèi)部寄存器的設置。

AC2200有1個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AC2200的初始化設備。

5 13.56 MHz RFID讀寫基站的選擇

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特定項目中中標的機會,設備制造商必須提供這樣的讀寫器,要么它能支持市場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、標準和讀寫基站外,客戶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、移動性及功耗。但在單個讀卡器中很難同時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,綜合考慮,EM4094具有更好的性價比。

5.1 EM4094的概述

EM4094是一個集成的收發(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13.56 MHz石英的振蕩器；使用OOK 的天線驅(qū)動或使用單一天線驅(qū)動的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；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(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(guān)機狀態(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

無線射頻識別具有信息量大、高效便捷、安全的特點,是自動識別的主流技術(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發(fā)有很大的實際意義。本文在研究分析系統(tǒng)作用原理的基礎上,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)成了一個完整的便攜式讀寫系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本合理,可靠性已得到試驗驗證,有較好的應用價值。

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)動器電源正極

4ANT1RF輸出(10 Ω輸出阻抗)

5VSSA1天線驅(qū)動器負極0 V

6VSSA2天線驅(qū)動器負極0 V

7ANT2RF輸出(10 Ω輸出阻抗)

8VDDA2天線驅(qū)動器電源正極

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/磁場調(diào)制信號輸入

12D CLKSPI時鐘信號

13D OUTSPI數(shù)據(jù)輸出/BPSK位流輸出

14D OUT1BPSK位時鐘輸出/模擬接收輸出

15VSS電源負極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

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