基于 SDIO 接口的通用 RFID 讀寫器的開發(fā)

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

    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(biāo)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(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(shí)現(xiàn)對數(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。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)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(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(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。這種便攜式設(shè)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(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打開的時間來解決。

    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個方面： 

    2．1 需要支持13．56MHz頻率下的各種標(biāo)準(zhǔn)可讀寫卡片 

    3、 SDIO卡接口標(biāo)準(zhǔn) 

    3．1 簡介 

    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：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；卡片帶電插撥保護(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?。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，VCC=2．7～3．6 V)；數(shù)據(jù)壽命：10萬次編程／擦除；CE和FCC認(rèn)證，◎PIP封裝技術(shù)；尺寸：24 mm寬×32 mm長×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卡的總線概念：
 
    SD總線允許強(qiáng)大的1線到4線數(shù)據(jù)信號設(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SD卡必須從主機(jī)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O～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(jī)到從卡操作；回復(fù)從該CMD線上串行傳輸，一個命令是對之前命令的回答?；貜?fù)可以來自單機(jī)或所有卡。 

    DAT0～DAT2：數(shù)據(jù)可以從卡傳向主機(jī)或副vet—sa，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。 

    注意：SPI模式時，這些信號需要在主機(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 theCS signal(可能是：通過CS信號來校正)。SPI模式的優(yōu)點(diǎn)就是簡化主機(jī)的設(shè)計(jì)。特別地，MMC主機(jī)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。 

    4 、SDIO接口芯片的選擇 

    在設(shè)計(jì)SDIO接口的時候，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)動也不需要設(shè)計(jì)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(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，cam—era，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(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特定項(xiàng)目中中標(biāo)的機(jī)會，設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)／近感應(yīng)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，IS015693，ISOl4443 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(hù)；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 kHzBPSK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(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(jié) 語 

    無線射頻識別具有信息量大、高效便捷、安全的特點(diǎn)，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(biāo)簽識讀終端的研究開發(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)用價值。