AT88RF256型射頻卡讀寫器的設(shè)計(jì)

1 引言
　　隨著計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，IC卡已經(jīng)融人人們的日常生活并發(fā)展成幾個(gè)大類，其中，非接觸IC卡的出現(xiàn)引起了人們的特別關(guān)注。射頻卡屬于非接觸IC卡，它避免了普通IC卡與讀卡器之間的物理接觸，減少了卡的磨損，所以受到廣泛的歡迎。射頻卡也是射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)的組成部分之一。

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，以F簡(jiǎn)稱RFID)技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信并交換數(shù)據(jù)，以達(dá)到識(shí)別目的。典型的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Read／Write Device)及數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)等組成。電子標(biāo)簽也稱射頻卡，具有智能讀寫及加密通信能力。


2 系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)
　　筆者設(shè)計(jì)的射頻卡讀寫系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、讀寫器和射頻卡組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 射頻卡讀寫器
　　射頻卡讀寫器主要由PICl6型單片機(jī)和北京威利姆興公司生產(chǎn)的AT—RFMODCl6系列射頻基站模塊組成。該模塊采用一種常見(jiàn)的U2270B型非接觸卡讀寫基站電路。電路內(nèi)部集成了由片上電源、振蕩器和線圈激勵(lì)器組成的能量傳輸線路，用來(lái)給射頻卡提供工作電源；還集成了信號(hào)放大和天線驅(qū)動(dòng)線路來(lái)完成與射頻卡之間的信號(hào)發(fā)送與接收。AT—RFMOD06與PICl6的接口電路如圖2所示。

AF—RFMOD06模塊的引腳功能如表1所示。該模塊采用單列9引腳封裝，內(nèi)部集成了時(shí)鐘、射頻驅(qū)動(dòng)、濾波、放大、調(diào)制解調(diào)等模擬電路，所以按照?qǐng)D2連接好數(shù)字接口電路后，只需選擇適當(dāng)?shù)奶炀€和諧振電容器即可完成射頻電路的設(shè)計(jì)。

在圖2中，基站天線和振蕩電容器組成了LC振蕩電路，系統(tǒng)要求產(chǎn)生的振蕩頻率限定在125 kHz(±5％)，天線的振蕩幅度最高可以達(dá)到120 V，一般不要大于80 V，可以通過(guò)和天線線圈串聯(lián)的電阻器來(lái)調(diào)節(jié)天線的振蕩幅度。振蕩電容的耐壓值應(yīng)大于100 V。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，參數(shù)設(shè)定為C=2 200 DF，L=680μ H．R=82Ω 。

2．2 AT88RF256型射頻卡
　　AT88RF256—12卡是美國(guó)ATMEL公司推出的一款基于125 kHz工作頻率的感應(yīng)卡，可以加密．?dāng)?shù)據(jù)量為256位。作為典型的低頻、加密和可讀寫卡．AT88RF256一12在市場(chǎng)上有著廣泛的應(yīng)用前景。AT88RF256—12由電路和線圈組成．電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電路的L1引腳和L2引腳與線圈連接，當(dāng)線圈的電感為10．1 mH時(shí)，卡片的工作頻率為125 kHz。其工作電源由片內(nèi)線圈與電路內(nèi)置電容產(chǎn)生LC振蕩蓄電提供．AT88RF 256一12設(shè)計(jì)時(shí)把電容內(nèi)置到電路中，既減少了卡的加工環(huán)節(jié)．又提高了模塊及成卡的成品率和可靠性。LC振蕩產(chǎn)生的電能經(jīng)卡片內(nèi)的電源電路變換后分別提供給控制部分和EEPROM單元。


3 編解碼及軟件流程
3．1 射頻卡的寄存器和命令
　　卡片內(nèi)部的EEPROM分為lO頁(yè)．每頁(yè)包括32位，其內(nèi)容如表2所示。

用戶對(duì)卡的操作包括讀卡、寫卡、核對(duì)密碼、停止卡等，必須按以下7個(gè)命令格式來(lái)執(zhí)行上述操作：
　　0A2A1A010：寫第A2A1A0頁(yè)32位的EEPROM；
　　0A2Al A001：讀第A2A1A0頁(yè)32位的EEPROM；
　　000011：數(shù)據(jù)固化命令(8位)；
　　010011：寫卡片控制位命令(24住)：
　　000111：寫卡片密碼命令：
　　011000：停止卡命令：
　　011100：核對(duì)密碼命令。

3．2 射頻卡的控制要點(diǎn)
3．2．1 編碼要求
　　AT88RF256卡在默認(rèn)狀態(tài)下讀卡片用MILLLER(密勒)碼，寫命令數(shù)據(jù)用MANCHESTER(曼徹斯特)碼。初始化下，密勒碼元寬度是。128μ8，曼徹斯特碼元寬度是256μs。

3．2．2 發(fā)送命令的時(shí)間
　　讀寫器要對(duì)卡片發(fā)送命令，除了卡片要進(jìn)入射頻場(chǎng)內(nèi)獲取能量外，發(fā)送時(shí)間也受限制。卡片進(jìn)入射頻場(chǎng)后，按如下格式向讀寫卡器循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)：起始位；32~152位(長(zhǎng)度可自行設(shè)定)的ID數(shù)據(jù)；停止位；8位收聽(tīng)窗(Listening Window)。

　　圖4示出基站模塊的DATA OUT引腳的輸出波形，在每個(gè)數(shù)據(jù)包之間都有一個(gè)持續(xù)8位密勒碼元寬度的低電平狀態(tài)的收聽(tīng)窗。只有在收聽(tīng)窗第2位至第7位，射頻才可以接收讀寫卡器發(fā)送的讀、寫命令。所以本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵是如何捕捉到收聽(tīng)窗，這屬于讀卡和解碼操作的一部分，解碼是建立在對(duì)基站模塊DATA OUT引腳的波形分析的基礎(chǔ)上的。

3．2．3 發(fā)送命令格式
　　基站根據(jù)需要在7種命令格式中選擇向射頻卡發(fā)送的命令，當(dāng)發(fā)送帶有數(shù)據(jù)的命令時(shí)，在命令的最后要添加一個(gè)bit的校驗(yàn)位．校驗(yàn)位是命令字和所有參數(shù)的奇校驗(yàn)?？ㄆ邮盏矫詈笠葘?duì)奇偶校驗(yàn)位．只有當(dāng)校驗(yàn)位正確時(shí)才真正地執(zhí)行命令，否則將返回ID，不執(zhí)行命令。這樣可以有效避免因?yàn)榭臻g干擾而對(duì)卡片數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤操作．大大提高卡片讀寫的可靠性。

3．2．4 多張卡沖突
　　在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,多張卡片同時(shí)進(jìn)場(chǎng)時(shí)，DATAOUT引腳的波形相當(dāng)于若干個(gè)卡片單獨(dú)進(jìn)場(chǎng)時(shí)的波形的疊加,無(wú)法選定某一卡片進(jìn)行讀寫。出現(xiàn)這種情況時(shí),為了避免誤寫卡的操作，等待檢測(cè)到只有惟一的卡片在場(chǎng)內(nèi)時(shí)再進(jìn)行所需的操作。

3．3 程序設(shè)計(jì)
　　已知密勒碼元寬度為128μs，卡片ID的長(zhǎng)度是32位，只能在收聽(tīng)窗的第2位至第7位發(fā)送命令。下面是用PIC單片機(jī)編寫的收聽(tīng)窗程序。其中RB口的OUT引腳輸入的是基站模塊DATA OUT引腳的信號(hào)，參考圖2。出錯(cuò)返回5AH，正確返回OH。

LISTEN： MOVLW ．80
　　　　　MOVWF CARDDEL．
LISLOOP：MOVIJW ．70
　　　　　MOVWF D1
　　　　　BTFSC RB,OUT
　　　　　GOTO LISTEN2
LISTENl：NOP
　　　　　BTFSC RB,OUT
　　　　　GOTO LISTEN0
　　　　　DECFSZ D1．1
　　　　　GOTO LISTENl
　　　　　RETLW OH
LISlEN2：NOP
　　　　　BTFSS RB,OUT
　　　　　GOTO LISTIEN0
　　　　　DECFSZ D1，1
　　　　　GOTO LJSTEN2
　　　　　RETLW 5AH
LISTEN0：DECFSZ CARDDEL，1
　　　　　GOTO LISLOOP
　　　　　RETLW 5AH

　　在正確跟蹤收聽(tīng)窗的基礎(chǔ)上，以曼徹斯特編碼格式向射頻卡第5頁(yè)寫入32位數(shù)據(jù)為例，如圖5所示。每當(dāng)成功寫入某頁(yè)32位數(shù)據(jù)后。卡片循環(huán)發(fā)送新寫入的數(shù)據(jù)，直至卡片退場(chǎng)。這就方便了用戶對(duì)寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)
　　由于基站模塊集成了調(diào)制解調(diào)功能，所以通信上只需注重基帶信號(hào)的處理，降低了設(shè)計(jì)難度。這套射頻卡讀寫器已經(jīng)應(yīng)用到電能表預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)中，替代了一批原先使用的普通IC卡電表，系統(tǒng)的可靠性得到用戶的肯定，加上射頻卡操作便捷，該系統(tǒng)的應(yīng)用前景十分看好。