基于CRX14的TypeB射頻系統設計
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關(guān)鍵詞：CRX14 I2C總線(xiàn) ISO14443標準 MC68H908AP16
最近幾年來(lái)，射頻識別系統的發(fā)展極其迅猛。通過(guò)不斷的技術(shù)更新，射頻系統的應用領(lǐng)域非常廣泛，如票務(wù)、動(dòng)物識別、工業(yè)自動(dòng)化或者身份識別。用戶(hù)在考慮射頻識別系統時(shí)，需要考慮該系統的工作頻率、作用距離、安全要求和存儲容量。符合ISO14443協(xié)議的射頻系統是目標應用比較多的一種。該協(xié)議第2部分射頻接口規定了兩種形式――TypeA和TypeB，本文重點(diǎn)講述針對TypeB的設計方法和經(jīng)驗總結。
1 芯片介紹
CRX14是符合ISO14443控制標準的射頻處理芯片，使用雙經(jīng)I2C總線(xiàn)。發(fā)送的數據用ASK方式調制，接收到的數據則是將終端負載變量信號解調所得。天線(xiàn)上產(chǎn)生的信號，采有一個(gè)847kHz的二進(jìn)制BPSK副載波譯碼，發(fā)送的ASK波有10%被調制。在發(fā)送和接收的方式中，CRX14與終端之間的數據傳送速率為106Kb/s。
圖1
CRX14含有一個(gè)自動(dòng)抗沖突的機制，能夠檢測和選擇在CRX14有效范圍內同時(shí)出現的多張卡片。防沖突功能基于ST的微電子概率掃描法。CRX14還通過(guò)允許終端鑒定的FRANCE TELECOM技術(shù)提供抗克隆功能。CRX14帶有一個(gè)單片耦合器，易于設計成一臺具有鑒定功能的讀出器或以低成本建立一個(gè)高水平的安全系統。
CRX14內部由四部分組成：
①I(mǎi)2C總線(xiàn)控制器管理與應用主機間的串聯(lián)，遵循400kHz的I2C總線(xiàn)規格，并控制對所有CRX14寄存器的讀或寫(xiě)操作。
②RAM緩沖器是雙向緩沖器，存儲所有即將發(fā)送至終端的請求幀字節和所有由答復幀終端發(fā)出的接收字節。
③發(fā)送器通過(guò)在外部天線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)13.56MHz的射頻磁場(chǎng)來(lái)對量程內的所有遙控終端上電。該磁場(chǎng)的10%可采用對流出數據的ASK（振幅偏移鍵控制法）調制。
CRX14內部邏輯框圖和引腳圖如圖1所示。
2 總體設計方案
整個(gè)系統由摩托羅拉單片機、CRX14射頻芯片、安全模塊（可選）幾部分構成，系統框圖如圖2所示。
3 硬件電路設計
整個(gè)電路主要分為兩個(gè)部分：一為主控部分，以摩托羅拉單片機為核心；另一為射頻處理部分，以CRX14為核心。
圖3
選擇型號為MC68HC908AP16的單片機。芯片資源為1KB RAM，16KB的Flash存儲器空間，I2C接口，工作電壓為3.3V或者5V，總線(xiàn)最高頻率為8MHz等。
鍵盤(pán)采用矩陣排列方式，實(shí)時(shí)掃描鍵值；顯示部分采用SPI接口的標準顯示模塊；電源部分使用外部電源適配器，輸入電壓為9V～12V之間，通過(guò)穩壓，提供持續的5V電源。
射頻處理部分包括CRX14和天線(xiàn)及匹配電路。CRX14引腳定義和說(shuō)明如表1所列。
表1 CRX14引腳定義和說(shuō)明
| 引腳定義 | 說(shuō) 明 |
| RF OUT | 天線(xiàn)輸出驅動(dòng)器 |
| RFIN | 天線(xiàn)輸入濾波器 |
| VCC/GND | 電源電壓/地 |
| GND_RF | 射頻電路地 |
| OSC1/OSC2 | 振蕩器輸入 |
| PLL_RC | PLL-RC濾波器輸入 |
| Vref | 發(fā)送器基準電壓 |
| OSC_SEL | 13.56MHz/32768Hz頻率選擇 |
| RESET | 復位 |
| SCL | I2C時(shí)鐘 |
| SDA | I2C雙向數據 |
| E0 | I2C芯片使能 |
| E1 | I2C芯片使能 |
| E2 | I2C芯片使能 |
射頻處理部分的電路如圖3所示。
天線(xiàn)調試過(guò)程分3個(gè)部分。
①測試CRX14的輸出。CRX14的RF OUT輸出信號為10%ASK調制波，載波頻率為13.56MHz。輸出波形如圖4所示。
②優(yōu)化天線(xiàn)。天線(xiàn)的輸入阻抗及其匹配電路需要與CRX14輸出的阻抗匹配。因為PCB材料或其它的原因導致的一些細微的不同，天線(xiàn)的特征也會(huì )改變，比如天線(xiàn)的電感量和電阻量。需要作一些小的調整，即調整天線(xiàn)的匹配電路，如圖5，使天線(xiàn)的性能達到最佳。
因為變化不是太大，可以使用示波器進(jìn)行調整。使用兩個(gè)不同的電容代替C8+C8’和C7+C7’。調整的范圍應該介于C8+C8’和C7+C7’的原始值范圍附近（27pF和125pF）。然后，仔細調整這些電容，使天線(xiàn)回路上的電壓值達到最大。實(shí)測天線(xiàn)端（ANT1）的波形如圖6所示。
③檢查射頻接收部分。從天線(xiàn)返回的信號直接送到了RF IN端口。因此該點(diǎn)波形幅度比較低，實(shí)測的波形如圖7所示。
4 軟件設計
軟件的功能主要是控制CRX14，同時(shí)與PC機進(jìn)行通信，控制CRX14不斷地在量程范圍內發(fā)送訪(fǎng)問(wèn)信號。如果有TypeB的射頻卡在量程范圍內，MC68HC908AP16單片機會(huì )控制CRX14芯片從卡中讀出信息，同時(shí)將這些信息通過(guò)RS-232發(fā)送到PC主機上。當從PC主機上接收到寫(xiě)卡命令時(shí)，單片機控制CRX14將信息寫(xiě)入到射頻卡片中。軟件完成按照ISO14443協(xié)議的TypeB類(lèi)型來(lái)設計。軟件的總體框圖如圖8所示。
軟件包含主控程序、射頻處理程序、串口處理程序、中斷處理程序，另外還包含擴充的矩陣按鍵掃描程序和顯示模塊驅動(dòng)程序。有興趣的讀者可以參考相關(guān)資料，文中主要介紹射頻處理部分的程序流程和注意事項。
CRX14提供四個(gè)易失性的寄存器，控制芯片的所有工作。另外提供了04h和05h地址兩個(gè)寄存器，在實(shí)際應用中是不能被用戶(hù)使用的。寄存器描述如表2所列。
表2 CRX16引腳定義和說(shuō)明
| I2C地址 | 長(cháng)度/B | 訪(fǎng)問(wèn) | 目 的 | |
| 00h | 參數寄存器 | 1 | 寫(xiě) | 設置參數寄存器 |
| 讀 | 讀參數寄存器 | |||
| 01h | 輸入/輸出幀寄存器 | 36 | 寫(xiě) | 存儲和發(fā)送請求幀到終端存儲終端應答幀 |
| 02h | 鑒定寄存器 | 無(wú)效 | 寫(xiě) | 開(kāi)始鑒定過(guò)程 |
| 讀 | 獲得鑒定過(guò)程 | |||
| 03h | 插槽標志寄存器 | 1 | 寫(xiě) | 啟動(dòng)自動(dòng)抗沖突過(guò)程 |
| 讀 | 返回數據FFh | |||
| 04h | 保留 | 無(wú)效 | 讀和寫(xiě) | 保留，不能使用 |
| 05h | 保留 | 無(wú)效 | 讀和寫(xiě) | 保留，不能使用 |
表3 器件選擇代碼
| 芯片鑒定代碼 | 芯片使能輸入端口 | 讀/寫(xiě) | ||||||
| 位7 | 位6 | 位5 | 位4 | 位3 | 位2 | 位1 | 位0 | |
| CRX14芯片選擇 | 1 | 0 | 1 | 0 | E2 | E1 | E0 | 讀/寫(xiě) |
CRX14遵循I2C總結標準。芯片內部攜帶有一個(gè)4位的器件鑒定代碼――1010，如表3所列。該鑒定代碼與芯片的3個(gè)使能輸入端（E2、E1、E0）合并在一起，作為I2C選擇相應芯片的標識。
圖9
5 結論
該系統已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗測試，能夠在約5cm的距離內讀寫(xiě)符合ISO14443標準TypeB類(lèi)型的射頻卡，工作穩定可靠，成本低。開(kāi)發(fā)成專(zhuān)用射頻讀寫(xiě)設備，會(huì )具有較高的性?xún)r(jià)比。
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