基于S6700芯片與ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：IC卡 RFID ISO/IEC15693 讀卡器
1 綜述
自從20世紀(jì)70年代IC卡誕生以來，在飛速發(fā)展的微電子技術(shù)的帶動下，IC卡已經(jīng)深入到社會生活的各個角落，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?？ㄆ瑑?nèi)封裝有集成電路，用以存儲和處理數(shù)據(jù)。IC卡的發(fā)展經(jīng)歷了從存儲卡到智能卡，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），對應(yīng)讀卡機(jī)具簡寫為PCD；ISO/IEC15693對應(yīng)的卡是遙耦合卡（VICC），對應(yīng)的讀卡機(jī)具簡寫為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所示的框圖簡單表示了射頻卡讀寫系統(tǒng)的工作原理。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 S6700芯片
S6700芯片是TI公司最新開發(fā)的針對IC卡讀寫的多協(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的讀寫操作。MCU和ASIC的通信接口有三根線：SCLOCK、DIN、DOUT，分別代表時鐘線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線。時鐘線是雙向的，發(fā)送數(shù)據(jù)時由MCU控制，接收數(shù)據(jù)時由ASIC控制，在時鐘的上升沿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，還用來表征ASIC內(nèi)部FIFO的情況。DOUT內(nèi)部下拉，平時為低電平。輸入數(shù)據(jù)過程中，當(dāng)ASIC的16位FIFO寄存器滿時，DOUT線會自動跳變?yōu)楦唠娖?，直到FIFO寄存器空出，DOUT線又會跳變?yōu)榈碗娖?。在DOUT為高電平期間，輸入數(shù)據(jù)無效。除了通信線外，M_ERR線用來在同時讀多張卡的時候表征數(shù)據(jù)的沖突情況。同樣，M_RR線內(nèi)部下拉，平時為低電平，沖突時此線會升為高電平。
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，也可以再加一級功放電路，以提高讀寫距離。
對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，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，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公司為其最新開發(fā)的RFID TRANSPONDER（應(yīng)答器）的注冊商標(biāo)，是一個產(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，電子門票等等。
Tag-it內(nèi)有64位的UID（卡號）和8位的AFI（應(yīng)用識別號）、8位的DSFID（數(shù)據(jù)存儲格式），用來標(biāo)識卡和特定應(yīng)用的特征?？▋?nèi)有2Kbit EEPROM，分成64個塊，每個塊32個bit。每個塊均可以鎖定，以保護(hù)數(shù)據(jù)免予修改。AFI、DSFID和32個塊均可讀可寫，用以存儲用戶的數(shù)據(jù)。Tag-it采用13.56MHz的載波頻率，工作于“READER TALKS FIRST”模式下，即：一問一答的模式?？▋?nèi)有防沖突機(jī)制，可以同時讀多張卡而不會造成沖突。
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)沒有邏輯加密電路，無法實(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DIN發(fā)生一個上升沿。
*命令字節(jié)：規(guī)定ASIC與VICC通訊時的有關(guān)參數(shù)。例如，2DH，表示支持的射頻協(xié)議是15693（1 out of 4），AM調(diào)制方式，調(diào)制率100%，返回?cái)?shù)據(jù)波特率6.67kb/s。注意：命令字節(jié)的發(fā)送順序是高位在先，即：MSB FIRST。
*數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)域內(nèi)容由15693-3所規(guī)定。
15693-3命令的一般格式是：
| 起始位S1 | FLAGS | 命令序號 | 命令內(nèi)容 | CRC16 | 結(jié)束位ES1 |
15693命令序列中，F(xiàn)LAGS規(guī)定著命令內(nèi)容中某些可選域存在與否。注意到S1和ES1在ASIC命令序列中已經(jīng)存在，所以只須把15693命令序列中FLAGS、命令序號、命令內(nèi)容、CRC16等域的內(nèi)容取出填入ASIC序列中的數(shù)據(jù)域打包。注意：數(shù)據(jù)域的發(fā)送順序是低位在先，即：LSB FIRST。
例如：發(fā)送字節(jié)20H的波形是：
*結(jié)束位ES1：結(jié)束位波形是當(dāng)SCLOCK高電平時DIN發(fā)生一個下跳沿。
3.2 響應(yīng)結(jié)構(gòu)
VICC響應(yīng)的一般格式是：
| 起始位S2 | FLAGS | 響應(yīng)內(nèi)容 | CRC16 | 結(jié)束位ES2 |
*起臺位S2：表示VICC響應(yīng)數(shù)據(jù)的開始，定義為當(dāng)SCLOCK為高電平時DOUT發(fā)生一個上升沿。
*結(jié)束位ES2：表示VICC響應(yīng)數(shù)據(jù)的結(jié)束，定義為當(dāng)SCLOCK為高電平時DOUT發(fā)生一個下降沿。
3.3 通信過程注意的問題
①時間寄存器初始化。初始化序列是：S1 01111011 00000001 11000ES1。
②發(fā)送順序。命令字節(jié)（8位）發(fā)送的順序是MSB FIRST，其它數(shù)據(jù)均是LSB FIRST。
③FIFO管理。發(fā)送每一位時都要檢測DOUT的電平。DOUT高電平時停止發(fā)送，直到DOUT恢復(fù)為低電平。
④時鐘線切換。命令發(fā)送過程中，雙向時鐘SCLOCK線由MCU控制，發(fā)送完畢，在接收VICC響應(yīng)之前必須進(jìn)行時鐘線的切換，將控制權(quán)交由ASIC控制。
MCU放棄時鐘線控制波形（TRAN1）：
MCU獲得時線控制波形（TRAN2）：
⑤CRC校驗(yàn)。CRC16校驗(yàn)是對15693-3規(guī)定的FLAGS、命令序列號、命令內(nèi)容等字節(jié)的校驗(yàn)，不包括起始位和命令字節(jié)（8位）。
⑥適當(dāng)延時。例如：發(fā)送命令字節(jié)后適當(dāng)延時約100μs，以利ASIC正確動作。
3.4 舉例
以讀一個扇區(qū)為例，采用普通模式，VCD和VICC交互的完整過程如下：
（發(fā)送）S1（起始位）2D（命令字節(jié)）40（FLAGS）
20（讀扇區(qū)命令序號）01（扇區(qū)號）00
（校驗(yàn)LOW BYTE）F2（校驗(yàn)HIGH BYTE）
ES1（結(jié)束位）TRAN1（SCLOCK切換）
（接收）S2（起始位）00（FLAGS）00（扇區(qū)安全狀態(tài)）
31（數(shù)據(jù)1）32（數(shù)據(jù)2）33（數(shù)據(jù)3）34（數(shù)據(jù)4）BD 7F（校驗(yàn)）ES2（結(jié)束位）
3.5 關(guān)于反沖突算法
ISO/IEC 15693中描述的VICC反沖突算法非常費(fèi)解，筆者通過實(shí)踐摸索解決了這個問題，此處作為一簡單說明。該算法基本上是一種搜索算法，卡內(nèi)相對應(yīng)的是一種比較應(yīng)答機(jī)制。舉例說明，假如READER磁場范圍內(nèi)有兩張卡，其UID分別是E00700000158D1D2和E0070000015869E8，這樣當(dāng)READER采用NON-ADDRESSED模式指令去讀的時候，兩張卡均會回答，M_ERR線會跳變?yōu)楦唠娖奖硎緮?shù)據(jù)沖突。INVENTORY命令用來查詢當(dāng)前磁場范圍內(nèi)卡的卡號，專用用于解決沖突問題。其參數(shù)包括：FLAGS、COMMAND、MASKLENGTH、MASKVALUE。一種最簡單的情況，設(shè)定：FLAGS.6=Nb_slots_flag=1，MAKLENGTH=4，MASKVALUE=0，當(dāng)命令序列發(fā)送后，MASKVALUE會被自動與卡的UID的最低位比較，因?yàn)?≠2≠8，所以兩張卡均不回答。同樣的命令，如果MASKVALUE=2，則第一張卡就會回答；當(dāng)MASKVALUE=8時第二張卡回答。如果兩張卡的卡號是：E00700000158D1D2和E0070000015869E2，則當(dāng)MASKLENGTH=4，MASKVALUE=2時兩張卡均回答，就會發(fā)生沖突。解決的方法是：令MASKLENGTH=8，MASKVALUE=X2，X從0到F自增。這樣，X2=D2時第一張卡回答，X2=E2時，第二張卡回答。依此類推?？ǖ腢ID最低位沖突的概率為62‰，最低兩位沖突的榔為4‰。理解了此算法，就很容易理解標(biāo)準(zhǔn)中所描述的復(fù)雜算法。筆者采用這種逐位搜索算法編的讀多卡程序，連續(xù)讀3張卡的時間不超過500ms。
4 軟件設(shè)計(jì)
筆者利用仿真器和PC機(jī)作為調(diào)試工具，采用8051匯編語言編程并調(diào)試通過了ISO/IEC15693-3所要求的所有命令。軟件的主要功能包括：從PCRS232口接收命令數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次分揀處理后打包成ASIC命令序列，并發(fā)送給VICC。然后，接收VICC的響應(yīng)，進(jìn)行一定的分揀處理后通過RS232發(fā)送給PC機(jī)。本文只描述有關(guān)與VICC通信的部分。程序見網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版。http://www.dpj.com.cn。
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