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基于S6700芯片與ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器設(shè)計(jì)
摘要：采用TI公司最新的多協(xié)議收發(fā)器芯片S6700，結(jié)合MCU設(shè)計(jì)了ISO/IEC15693讀卡器，介紹S6700通信協(xié)議和ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)，給出部分子程序。S6700和MCU的接口非常簡(jiǎn)單。1 綜述
自從20世紀(jì)70年代IC卡誕生以來(lái)，在飛速發(fā)展的微電子技術(shù)的帶動(dòng)下，IC卡已經(jīng)深入到社會(huì)生活的各個(gè)角落，各種各樣的卡大大方便了人們的生活：銀行的食堂卡、信用卡，公交車(chē)使用的交通卡，就餐使用的食堂卡，出入管理使用的考勤卡，打電話使用的付費(fèi)電話卡，手機(jī)中使用的SIM卡等等。
IC卡又稱為集成電路卡。卡片內(nèi)封裝有集成電路，用以存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)。IC卡的發(fā)展經(jīng)歷了從存儲(chǔ)卡到智能卡，從接觸式卡到非接觸式卡，從近距離到遠(yuǎn)距離的過(guò)程。ISO/IEC7816標(biāo)準(zhǔn)定義的卡是接觸卡，讀卡機(jī)具必須和卡的觸點(diǎn)接觸才能和和卡進(jìn)行信息交換，所以磨損嚴(yán)重，容易受污染，使用壽命低，操作速度慢。為此，非接觸式卡技術(shù)迎刃而生。非接觸式卡又稱射頻卡、感應(yīng)卡，采用無(wú)線電調(diào)制方式和讀卡機(jī)具進(jìn)行信息交換。ISO/IEC10536定義的卡稱為密耦合卡；ISO/IEC 14443定義的卡是近耦合卡（PICC），對(duì)應(yīng)讀卡機(jī)具簡(jiǎn)寫(xiě)為PCD；ISO/IEC15693對(duì)應(yīng)的卡是遙耦合卡（VICC），對(duì)應(yīng)的讀卡機(jī)具簡(jiǎn)寫(xiě)為VCD。VICC比PICC具有更遠(yuǎn)的讀卡距離，二者均采用13.56MHz工作頻率，均具有防沖突機(jī)制。
圖1所示的框圖簡(jiǎn)單表示了射頻卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的工作原理。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 S6700芯片
S6700芯片是TI公司最新開(kāi)發(fā)的針對(duì)IC卡讀寫(xiě)的多協(xié)議收發(fā)器。它提供給用戶數(shù)字接口，所以應(yīng)用非常方便。ASIC能夠支持的協(xié)議包括：TI TAGIT協(xié)議、ISO/IEC 15693-2、ISO/IEC 14443-2（TYPE A）等。S6700采用SSOP20封裝， 5V供電，內(nèi)部封裝有發(fā)送調(diào)制器和接收解調(diào)器，采和曼徹斯特編碼方式，典型發(fā)送功率200mW，其ESD保護(hù)符合MILSTD-883標(biāo)準(zhǔn)，有IDLE、POWER DOWN、FULL POWER三種電源管理功能。
筆者利用該ASIC結(jié)合MCU完整的實(shí)現(xiàn)了ISO/IEC 15693-3所規(guī)定的對(duì)VICC操作上層協(xié)議。
ISO/IEC 15693-2所規(guī)定的VCD與VICC通信物理層協(xié)議全部由ASIC實(shí)現(xiàn)，用戶通過(guò)同步串行接口（SPI）遵照ASCI的通信求和ASIC打交道就可以實(shí)現(xiàn)VICC的讀寫(xiě)操作。MCU和ASIC的通信接口有三根線：SCLOCK、DIN、DOUT，分別代表時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線。時(shí)鐘線是雙向的，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由MCU控制，接收數(shù)據(jù)時(shí)由ASIC控制，在時(shí)鐘的上升沿ASIC鎖存數(shù)據(jù)。DOUT除了在接收數(shù)據(jù)期間的數(shù)據(jù)輸出功能外，還用來(lái)表征ASIC內(nèi)部FIFO的情況。DOUT內(nèi)部下拉，平時(shí)為低電平。輸入數(shù)據(jù)過(guò)程中，當(dāng)ASIC的16位FIFO寄存器滿時(shí)，DOUT線會(huì)自動(dòng)跳變?yōu)楦唠娖�，直到FIFO寄存器空出，DOUT線又會(huì)跳變?yōu)榈碗娖�。在DOUT為高電平期間，輸入數(shù)據(jù)無(wú)效。除了通信線外，M_ERR線用來(lái)在同時(shí)讀多張卡的時(shí)候表征數(shù)據(jù)的沖突情況。同樣，M_RR線內(nèi)部下拉，平時(shí)為低電平，沖突時(shí)此線會(huì)升為高電平。
圖2
所設(shè)計(jì)的應(yīng)用電路如圖2所示。圖2中包括三個(gè)部分：ASIC典型應(yīng)用電路、與MCU接口電路和天線電路。R2、L1、C5、C6組成串聯(lián)諧振電路，匹配阻抗50Ω，可調(diào)電容C6用來(lái)準(zhǔn)確調(diào)整電路諧振點(diǎn)在13.56MHz。如果認(rèn)為ASIC 200mW輸出功率不足，也可以再加一級(jí)功放電路，以提高讀寫(xiě)距離。
對(duì)ASIC的操作有三種模式：普通模式、寄存器模式和直接模式。直接模式下，MCU要直接面向處理射頻信號(hào)，比較復(fù)雜，所以此種模式一般不用。普通模式和寄存器模式操作的均是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，其不同在于規(guī)定芯片操作的一些參數(shù)，例如：所采用的射頻協(xié)議、調(diào)制方式及傳輸速率是由命令序列中規(guī)定的還是由寄存器所設(shè)定的。普通模式每條指令均含有該指令使用的參數(shù)，而寄存器模式指令序列中并不含這些參數(shù)，而是由預(yù)先寫(xiě)入的寄存器中的數(shù)值所決定。注意，ASIC上電后必須首先初始化時(shí)間寄存器，芯片才能正常工作。
2.2 VICC——Tag-it HF-1應(yīng)答器
Tag-it是TI公司為其最新開(kāi)發(fā)的RFID TRANSPONDER（應(yīng)答器）的注冊(cè)商標(biāo)，是一個(gè)產(chǎn)品系列。Tag-it完全和ISO/IEC15693兼容，是VICC的一種。按TI的設(shè)想，Tag-it主要應(yīng)用在智能標(biāo)簽領(lǐng)域內(nèi)，例如：特快專遞、航空行李管理，電子門(mén)票等等。
Tag-it內(nèi)有64位的UID（卡號(hào)）和8位的AFI（應(yīng)用識(shí)別號(hào)）、8位的DSFID（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式），用來(lái)標(biāo)識(shí)卡和特定應(yīng)用的特征。卡內(nèi)有2Kbit EEPROM，分成64個(gè)塊，每個(gè)塊32個(gè)bit。每個(gè)塊均可以鎖定，以保護(hù)數(shù)據(jù)免予修改。AFI、DSFID和32個(gè)塊均可讀可寫(xiě)，用以存儲(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)。Tag-it采用13.56MHz的載波頻率，工作于“READER TALKS FIRST”模式下，即：一問(wèn)一答的模式。卡內(nèi)有防沖突機(jī)制，可以同時(shí)讀多張卡而不會(huì)造成沖突。
事實(shí)上一張卡可以有多種應(yīng)用，不同的塊可以存儲(chǔ)不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)，即所謂的“一卡通”。遺憾的是，Tag-it內(nèi)沒(méi)有邏輯加密電路，無(wú)法實(shí)現(xiàn)密碼功能，這限制了Tag-it在其它保密性要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。
3 通信協(xié)議
發(fā)給ASIC的命令序列必須符合ASIC通信協(xié)議和ISO/IEC15693-3規(guī)范。
3.1 命令結(jié)構(gòu)
在普通模式下，命令序列結(jié)構(gòu)如下：
起如位S1命令字節(jié)（8位）*數(shù)據(jù)結(jié)束位ES1*在寄存器模式下，命令字節(jié)是1位，且該位為1。
*起邕位S1：起始位波形是當(dāng)SCLOCK位高電平時(shí)DIN發(fā)生一個(gè)上升沿。
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