基于RI-R6C-001A IC與ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器設(shè)計

摘要：文中給出了采用TI公司最新的射頻收發(fā)器芯片RI-R6C-001A，并結(jié)合微處理器設(shè)計ISO/IEC15693讀卡器的具體方法，同時介紹了RI-R6C-001A的通信協(xié)議和ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：IC卡；射頻識別；ISO15693；讀卡器

１　概述

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、以及從近距離到遠(yuǎn)距離的過程。對于接觸卡（ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１６標(biāo)準(zhǔn)定義），讀卡機(jī)必須和卡的觸點接觸才能與卡進(jìn)行信息交換，因此存在磨損嚴(yán)重、易受污染、壽命短、操作費時等缺點。為解決上述問題，人們開始采用非接觸式卡技術(shù)。

非接觸式卡又稱射頻卡或感應(yīng)卡。它采用無線電調(diào)制方式和讀卡機(jī)進(jìn)行信息交換。射頻識別?ＲＦＩＤ?技術(shù)是從九十年代興起的一項自動識別技術(shù)。它利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識別目的并可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

ＲＦＩＤ與磁卡、ＩＣ卡等接觸式識別技術(shù)不同，ＲＦＩＤ系統(tǒng)的電子標(biāo)簽和讀寫器之間無須物理接觸就可完成識別，因此它具有多目標(biāo)識別、運(yùn)動目標(biāo)識別的特點。

目前ＩＳＯ／ＩＥＣ１０５３６定義的卡稱為密耦合卡；ＩＳＯ／ＩＥＣ １４４４３定義的卡則是近耦合卡（ＰＩＣＣ），對應(yīng)的讀卡機(jī)簡寫為ＰＣＤ；而ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３對應(yīng)的卡是遙耦合卡（ＶＩＣＣ），對應(yīng)的讀卡機(jī)簡寫為ＶＣＤ。ＶＩＣＣ比ＰＩＣＣ具有更遠(yuǎn)的讀卡距離（為１ｍ左右），二者均采用１３．５６ＭＨｚ工作頻率，并都具有防沖突機(jī)制。

２　硬件設(shè)計

圖１所示是一個射頻讀寫系統(tǒng)的工作原理圖，它主要由ＡＳＩＣ和ＶＩＣＣ兩部分組成。

２．１ ＡＳＩＣ電路的工作原理

對于圖１所示的射頻讀寫系統(tǒng)，ＩＳＯ／ＩＥＣ １５６９３－２所規(guī)定的ＶＣＤ與ＶＩＣＣ通信物理層協(xié)議全部可由ＡＳＩＣ芯片ＲＩ－Ｒ６Ｃ００１來實現(xiàn)，用戶通過同步串行接口（ＳＰＩ），并遵照ＡＳＣＩ的通信要求就可實現(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)時則由ＡＳＩＣ控制， ＡＳＩＣ在時鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。ＤＯＵＴ除了具有在接收數(shù)據(jù)期間的數(shù)據(jù)輸出功能外，還有表征ＡＳＩＣ內(nèi)部ＦＩＦＯ的功能。ＤＯＵＴ帶有內(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寄存器為空，ＤＯＵＴ線又會跳變?yōu)榈碗娖健Ｔ冢模希眨詾楦唠娖狡陂g，輸入數(shù)據(jù)無效。除了通信線外，系統(tǒng)還有一條Ｍ＿ＥＲＲ線，用于在同時讀多張卡的時候表征數(shù)據(jù)的沖突情況。同樣，Ｍ＿ＥＲＲ線也有內(nèi)部下拉，平時為低電平，沖突時此線會升為高電平。

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要直接面向射頻信號處理，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均為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號操作，其區(qū)別在于規(guī)定芯片操作的一些參數(shù)不同（例如規(guī)定所采用的射頻協(xié)議、調(diào)制方式及傳輸速率是在命令序列中規(guī)定，還是由寄存器來設(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)值來決定。若使ＲＩ－Ｒ６Ｃ－００１Ａ芯片正常工作，ＡＳＩＣ上電后必須首先初始化時間寄存器。

２．２ ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ應(yīng)答器

ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ應(yīng)答器完全兼容于ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ應(yīng)答器內(nèi)有國際統(tǒng)一且不重復(fù)的８字節(jié)（６４ｂｉｔ）唯一識別內(nèi)碼（Ｕｎｉｑｕｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ，簡稱ＵＩＤ）。圖２是ＵＩＤ唯一識別內(nèi)碼的格式示意圖，其中第１～４８ｂｉｔ共６字節(jié)為生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品編碼；第４９～５６ｂｉｔ的１個字節(jié)為廠商代碼（ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１６－６／ＡＭ１），最高字節(jié)固定為“ＥＯ”；８位ＡＦＩ（應(yīng)用識別號）和８位ＤＳＦＩＤ（數(shù)據(jù)存儲格式）用來對卡和特定應(yīng)用的特征進(jìn)行標(biāo)識?？▋?nèi)有２ｋｂｉｔ ＥＥＰＲＯＭ，分成６４個塊，每塊３２個ｂｉｔ。每個塊均可以鎖定，以保護(hù)數(shù)據(jù)不被修改。ＡＦＩ、ＤＳＦＩＤ和３２個塊均可讀可寫，用以存儲用戶數(shù)據(jù)。ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ采用１３．５６ＭＨｚ的載波頻率，工作于“ＲＥＡＤＥＲ ＴＡＬＫＳ ＦＩＲＳＴ”模式，即一問一答的模式?？▋?nèi)有防沖突機(jī)制，可以同時讀取多張卡而不會造成沖突。特別應(yīng)當(dāng)指出：ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ內(nèi)沒有邏輯加密電路，無法實現(xiàn)密碼功能，也正是這一點限制了ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ在其它保密性要求較高領(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)

圖３所示是該系統(tǒng)的命令序列時序圖。在普通模式下，該系統(tǒng)的命令序列結(jié)構(gòu)如下：

起始位（Ｓ１）：收發(fā)器和微處理器之間的通信開始位，當(dāng)ＳＣＬＯＣＫ位保持高電平時，將在ＤＩＮ產(chǎn)生一個上升沿（參見圖３）。

命令字節(jié)：用于規(guī)定ＡＳＩＣ與ＶＩＣＣ通訊時的有關(guān)參數(shù)。如果該端為３０Ｈ則表示該系統(tǒng)支持的射頻協(xié)議是ＩＳＯ１５６９３（２５６選１），采用ＦＭ調(diào)制方式，調(diào)制率１０％，返回數(shù)據(jù)波特率為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規(guī)定?這個數(shù)據(jù)一般發(fā)送到ＴＡＧ。

結(jié)束位（ＥＳ１）：收發(fā)器和微處理器之間的通信結(jié)束位，當(dāng)ＳＣＬＯＣＫ位保持高電平時，將在ＤＩＮ產(chǎn)生一個下降沿（見圖３）。

通常在寄存器模式下，命令字節(jié)是１位，且該位為１。

ＩＳＯ１５６９３－３命令的一般格式如下：

在ＩＳＯ１５６９３命令序列中，ＦＬＡＧＳ用于規(guī)定命令內(nèi)容中某些可選域的存在。由于Ｓ１和ＥＳ１在ＡＳＩＣ命令序列中已經(jīng)存在，所以只須把ＩＳＯ１５６９３命令序列中ＦＬＡＧＳ、命令序號、命令內(nèi)容、ＣＲＣ１６等域的內(nèi)容取出并填入ＡＳＩＣ序列中的數(shù)據(jù)域然后打包即可。數(shù)據(jù)域的發(fā)送順序為低位在先，即：ＬＳＢ ＦＩＲＳＴ。

３．２ 響應(yīng)結(jié)構(gòu)

圖４所示是ＶＩＣＣ的響應(yīng)時序。ＶＩＣＣ響應(yīng)的一般格式是：

其中起始位Ｓ２用于表示ＶＩＣＣ響應(yīng)數(shù)據(jù)的開始，其定義是當(dāng)ＳＣＬＯＣＫ為高電平時，ＤＯＵＴ產(chǎn)生一個上升沿（參見圖４）。而結(jié)束位ＥＳ２則表示ＶＩＣＣ響應(yīng)數(shù)據(jù)的結(jié)束。它被定義為當(dāng)ＳＣＬＯＣＫ為高電平時，ＤＯＵＴ產(chǎn)生一個下降沿（如圖４）。

４　結(jié)束語

考慮到命令字節(jié)（８位）發(fā)送的順序是ＭＳＢ ＦＩＲＳＴ，其它數(shù)據(jù)均是ＬＳＢ ＦＩＲＳＴ；而且“Ｓ１ ０１１１１０１１ ０００００００１ １１０００ＥＳ１”是時間寄存器的初始化序列；同時，在命令發(fā)送過程中，雙向時鐘ＳＣＬＯＣＫ線由ＭＣＵ控制，因此，在接收ＶＩＣＣ響應(yīng)之前必須進(jìn)行時鐘線的切換，以將控制權(quán)交由ＡＳＩＣ控制。對于ＦＩＦＯ管理，發(fā)送每一位時都要檢測ＤＯＵＴ的電平，ＤＯＵＴ為高時停止發(fā)送，直到ＤＯＵＴ恢復(fù)到低電平為止。發(fā)送命令字節(jié)后，應(yīng)適當(dāng)延時，以利于ＡＳＩＣ正確動作，同時應(yīng)考慮電路的抗干擾能力。對于ＩＳＯ１５６９３－３規(guī)定的ＦＬＡＧＳ、命令序列號、命令內(nèi)容等字節(jié)，還應(yīng)進(jìn)行ＣＲＣ１６校驗。關(guān)于反碰撞問題，可采用“二進(jìn)制搜索”算法并選用曼徹斯特編碼。為實現(xiàn)這種算法，需要一組命令并由應(yīng)答器處理，同時應(yīng)答器要擁有唯一的序列號（ＵＩＤ），例如磁場中有兩張卡，其ＵＩＤ分別是：“Ｅ００７０００００２３４Ｄ１Ｅ１”和“Ｅ００７０００００２３４Ｄ２Ｄ８”，那么，用命令來查詢當(dāng)前磁場范圍內(nèi)卡的卡號，就能很好的解決碰撞問題。