基于RI-R6C-001A IC与ISO15693标准的读卡器设计

    摘要：文中给出了采用TI公司最新的射频收发器芯片RI-R6C-001A，并结合微处理器设计ISO/IEC15693读卡器的具体方法，同时介绍了RI-R6C-001A的通信协议和ISO/IEC15693标准。

    关键词：IC卡；射频识别；ISO15693；读卡器

１　概述

ＩＣ卡的发展经历了从存储卡到智能卡、从接触式卡到非接触式卡、以及从近距离到远距离的过程。对于接触卡（ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１６标准定义），读卡机必须和卡的触点接触才能与卡进行信息交换，因此存在磨损严重、易受污染、寿命短、操作费时等缺点。为解决上述问题，人们开始采用非接触式卡技术。

非接触式卡又称射频卡或感应卡。它采用无线电调制方式和读卡机进行信息交换。射频识别?ＲＦＩＤ?技术是从九十年代兴起的一项自动识别技术。它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并可进行数据交换。

    ＲＦＩＤ与磁卡、ＩＣ卡等接触式识别技术不同，ＲＦＩＤ系统的电子标签和读写器之间无须物理接触就可完成识别，因此它具有多目标识别、运动目标识别的特点。

目前ＩＳＯ／ＩＥＣ１０５３６定义的卡称为密耦合卡；ＩＳＯ／ＩＥＣ １４４４３定义的卡则是近耦合卡（ＰＩＣＣ），对应的读卡机简写为ＰＣＤ；而ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３对应的卡是遥耦合卡（ＶＩＣＣ），对应的读卡机简写为ＶＣＤ。ＶＩＣＣ比ＰＩＣＣ具有更远的读卡距离（为１ｍ左右），二者均采用１３．５６ＭＨｚ工作频率，并都具有防冲突机制。

２　硬件设计

图１所示是一个射频读写系统的工作原理图，它主要由ＡＳＩＣ和ＶＩＣＣ两部分组成。

２．１ ＡＳＩＣ电路的工作原理

对于图１所示的射频读写系统，ＩＳＯ／ＩＥＣ １５６９３－２所规定的ＶＣＤ与ＶＩＣＣ通信物理层协议全部可由ＡＳＩＣ芯片ＲＩ－Ｒ６Ｃ００１来实现，用户通过同步串行接口（ＳＰＩ），并遵照ＡＳＣＩ的通信要求就可实现ＶＩＣＣ的读写操作。ＭＣＵ和ＡＳＩＣ的通信接口有三根线：ＳＣＬＯＣＫ、ＤＩＮ、ＤＯＵＴ，分别代表时钟线、数据输入线、数据输出线。时钟线是双向的，发送数据时由ＭＣＵ控制，接收数据时则由ＡＳＩＣ控制， ＡＳＩＣ在时钟的上升沿锁存数据。ＤＯＵＴ除了具有在接收数据期间的数据输出功能外，还有表征ＡＳＩＣ内部ＦＩＦＯ的功能。ＤＯＵＴ带有内部下拉，平时为低电平。输入数据过程中，当ＡＳＩＣ的１６位ＦＩＦＯ寄存器满时，ＤＯＵＴ线会自动跳变为高电平，直到ＦＩＦＯ寄存器为空，ＤＯＵＴ线又会跳变为低电平。在ＤＯＵＴ为高电平期间，输入数据无效。除了通信线外，系统还有一条Ｍ＿ＥＲＲ线，用于在同时读多张卡的时候表征数据的冲突情况。同样，Ｍ＿ＥＲＲ线也有内部下拉，平时为低电平，冲突时此线会升为高电平。

对ＡＳＩＣ的操作有三种模式：普通模式、寄存器模式和直接模式。直接模式下，ＭＣＵ要直接面向射频信号处理，比较复杂，所以此种模式一般不用。普通模式和寄存器模式均为标准的数字信号操作，其区别在于规定芯片操作的一些参数不同（例如规定所采用的射频协议、调制方式及传输速率是在命令序列中规定，还是由寄存器来设定的）。普通模式每条指令均含有该指令使用的参数，而寄存器模式指令序列中并不含这些参数，而是由预先写入的寄存器中的数值来决定。若使ＲＩ－Ｒ６Ｃ－００１Ａ芯片正常工作，ＡＳＩＣ上电后必须首先初始化时间寄存器。

    ２．２ ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ应答器

ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ应答器完全兼容于ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３标准协议。ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ应答器内有国际统一且不重复的８字节（６４ｂｉｔ）唯一识别内码（Ｕｎｉｑｕｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ，简称ＵＩＤ）。图２是ＵＩＤ唯一识别内码的格式示意图，其中第１～４８ｂｉｔ共６字节为生产厂商的产品编码；第４９～５６ｂｉｔ的１个字节为厂商代码（ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１６－６／ＡＭ１），最高字节固定为“ＥＯ”；８位ＡＦＩ（应用识别号）和８位ＤＳＦＩＤ（数据存储格式）用来对卡和特定应用的特征进行标识。卡内有２ｋｂｉｔ ＥＥＰＲＯＭ，分成６４个块，每块３２个ｂｉｔ。每个块均可以锁定，以保护数据不被修改。ＡＦＩ、ＤＳＦＩＤ和３２个块均可读可写，用以存储用户数据。ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ采用１３．５６ＭＨｚ的载波频率，工作于“ＲＥＡＤＥＲ ＴＡＬＫＳ ＦＩＲＳＴ”模式，即一问一答的模式。卡内有防冲突机制，可以同时读取多张卡而不会造成冲突。特别应当指出：ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ内没有逻辑加密电路，无法实现密码功能，也正是这一点限制了ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ在其它保密性要求较高领域的应用。

３　通信协议

发给ＡＳＩＣ的命令序列必须符合ＡＳＩＣ通信协议和ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３－３规范。

３．１ 命令结构

图３所示是该系统的命令序列时序图。在普通模式下，该系统的命令序列结构如下：

起始位（Ｓ１）：收发器和微处理器之间的通信开始位，当ＳＣＬＯＣＫ位保持高电平时，将在ＤＩＮ产生一个上升沿（参见图３）。

命令字节：用于规定ＡＳＩＣ与ＶＩＣＣ通讯时的有关参数。如果该端为３０Ｈ则表示该系统支持的射频协议是ＩＳＯ１５６９３（２５６选１），采用ＦＭ调制方式，调制率１０％，返回数据波特率为６．６７ｋｂ／ｓ。注意：命令字节的发送顺序是高位在先，即：ＭＳＢ ＦＩＲＳＴ。

数据：数据域内容由１５６９３－３规定?这个数据一般发送到ＴＡＧ。

结束位（ＥＳ１）：收发器和微处理器之间的通信结束位，当ＳＣＬＯＣＫ位保持高电平时，将在ＤＩＮ产生一个下降沿（见图３）。

通常在寄存器模式下，命令字节是１位，且该位为１。

ＩＳＯ１５６９３－３命令的一般格式如下：

在ＩＳＯ１５６９３命令序列中，ＦＬＡＧＳ用于规定命令内容中某些可选域的存在。由于Ｓ１和ＥＳ１在ＡＳＩＣ命令序列中已经存在，所以只须把ＩＳＯ１５６９３命令序列中ＦＬＡＧＳ、命令序号、命令内容、ＣＲＣ１６等域的内容取出并填入ＡＳＩＣ序列中的数据域然后打包即可。数据域的发送顺序为低位在先，即：ＬＳＢ ＦＩＲＳＴ。

３．２ 响应结构

图４所示是ＶＩＣＣ的响应时序。ＶＩＣＣ响应的一般格式是：

其中起始位Ｓ２用于表示ＶＩＣＣ响应数据的开始，其定义是当ＳＣＬＯＣＫ为高电平时，ＤＯＵＴ产生一个上升沿（参见图４）。而结束位ＥＳ２则表示ＶＩＣＣ响应数据的结束。它被定义为当ＳＣＬＯＣＫ为高电平时，ＤＯＵＴ产生一个下降沿（如图４）。

４　结束语

考虑到命令字节（８位）发送的顺序是ＭＳＢ ＦＩＲＳＴ，其它数据均是ＬＳＢ ＦＩＲＳＴ；而且“Ｓ１ ０１１１１０１１ ０００００００１ １１０００ＥＳ１”是时间寄存器的初始化序列；同时，在命令发送过程中，双向时钟ＳＣＬＯＣＫ线由ＭＣＵ控制，因此，在接收ＶＩＣＣ响应之前必须进行时钟线的切换，以将控制权交由ＡＳＩＣ控制。对于ＦＩＦＯ管理，发送每一位时都要检测ＤＯＵＴ的电平，ＤＯＵＴ为高时停止发送，直到ＤＯＵＴ恢复到低电平为止。发送命令字节后，应适当延时，以利于ＡＳＩＣ正确动作，同时应考虑电路的抗干扰能力。对于ＩＳＯ１５６９３－３规定的ＦＬＡＧＳ、命令序列号、命令内容等字节，还应进行ＣＲＣ１６校验。关于反碰撞问题，可采用“二进制搜索”算法并选用曼彻斯特编码。为实现这种算法，需要一组命令并由应答器处理，同时应答器要拥有唯一的序列号（ＵＩＤ），例如磁场中有两张卡，其ＵＩＤ分别是：“Ｅ００７０００００２３４Ｄ１Ｅ１”和“Ｅ００７０００００２３４Ｄ２Ｄ８”，那么，用命令来查询当前磁场范围内卡的卡号，就能很好的解决碰撞问题。