基于 SDIO 接口的通用 RFID 讀寫器的開發(fā)

文章出處：http://www.luckydriving.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據載體(電子標簽)進行識別的一種新興技術。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，能有效實現對數量大、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、服務領域等方面有著廣泛的應用前景。隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，國內RFID行業(yè)也正經歷著深刻的變革。 

    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。已經存在的便攜式RFID數據終端的價格卻很高，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，短時間內無法占領市場等問題，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產業(yè)的主要發(fā)展趨勢。這種便攜式設備能夠嵌入到現有智能綜合平臺中，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據采集設備，將獲取到的RFID數據通過標準的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、新一代智能信用卡、產品防偽、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，并得到相應的數據(來自于卡片或者EM4094的設置信息)。
    EM4094在得到CPU的命令后，對已經位于天線范圍內的卡片進行操作，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，所以要進行電壓轉換(DC—DC)；另一方面，為了提高讀寫距離，將3．3 V轉換為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以下3個方面： 

    2．1 需要支持13．56MHz頻率下的各種標準可讀寫卡片 

    3、 SDIO卡接口標準 

    3．1 簡介 

    現在的電腦、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兼容插槽添加在產品中的硬件擴展設備。許多基于SDIO的附加產品正在開發(fā)中，其中包括無線LAN和通信適配器、數字電視調諧器和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；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??；快寫技術：一個低成本的方案，能夠超高速閃存訪問和高可靠數據存儲最大讀寫速率：10 Mb／s；最大10個堆疊的卡(20 MHz，VCC=2．7～3．6 V)；數據壽命：10萬次編程／擦除；CE和FCC認證，◎PIP封裝技術；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線的高速數據傳輸。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總線允許強大的1線到4線數據信號設置。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，回復和數據(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據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據位。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。回復可以來自單機或所有卡。 

    DAT0～DAT2：數據可以從卡傳向主機或副vet—sa，數據通過數據線傳輸。 

    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(數據入和出)傳輸比特數據。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。 

    所有的數據被融合到一些字節(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。 

    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，主機端的驅動也要自行設計。方法2：采用現有的SD接口轉串口(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，即使用現有的成熟的芯片作為連接橋，這樣主機端的驅動也不需要設計了(驅動由芯片廠家提供)。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，用戶不必關心復雜的SD協議。
    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，需要采用具有多協議的讀寫基站芯片。 

    目前13．56 MHz的多協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，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，它可用于構建RFID讀卡器的模擬前端模塊。該芯片的數據傳輸及接收鏈路允許傳送和解碼任何通信協議，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的天線驅動或使用單一天線驅動的ASK模塊；高輸出功率，5 V電源下200 mW高輸出功率；ASK調制可調范圍從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；848 kHzBPSK內部解調器(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，控制開關機狀態(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 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。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轉換芯片和微處理器芯片以及RFID讀寫基站共同構成了一個完整的便攜式讀寫系統(tǒng)的硬件實現方案。系統(tǒng)結構和成本合理，可靠性已得到試驗驗證，有較好的應用價值。