基于S6700芯片與ISO/IEC15693標準的讀卡器設計

　　摘要：采用TI公司最新的多協(xié)議收發(fā)器芯片S6700，結合MCU設計了ISO/IEC15693讀卡器，介紹S6700通信協(xié)議和ISO/IEC15693標準，給出部分子程序。S6700和MCU的接口非常簡(jiǎn)單。

    關(guān)鍵詞：IC卡 RFID ISO/IEC15693 讀卡器

1 綜述

　　自從20世紀70年代IC卡誕生以來(lái)，在飛速發(fā)展的微電子技術(shù)的帶動(dòng)下，IC卡已經(jīng)深入到社會(huì )生活的各個(gè)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(chē)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(huà)使用的付費電話(huà)卡，手機中使用的SIM卡等等。

　　IC卡又稱(chēng)為集成電路卡?？ㄆ瑑确庋b有集成電路，用以存儲和處理數據。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，從近距離到遠距離的過(guò)程。ISO/IEC7816標準定義的卡是接觸卡，讀卡機具必須和卡的觸點(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(chēng)射頻卡、感應卡，采用無(wú)線(xiàn)電調制方式和讀卡機具進(jìn)行信息交換。ISO/IEC10536定義的卡稱(chēng)為密耦合卡；ISO/IEC 14443定義的卡是近耦合卡（PICC），對應讀卡機具簡(jiǎn)寫(xiě)為PCD；ISO/IEC15693對應的卡是遙耦合卡（VICC），對應的讀卡機具簡(jiǎn)寫(xiě)為VCD。VICC比PICC具有更遠的讀卡距離，二者均采用13.56MHz工作頻率，均具有防沖突機制。

圖1所示的框圖簡(jiǎn)單表示了射頻卡讀寫(xiě)系統的工作原理。

2 硬件設計

2.1 S6700芯片

　　S6700芯片是TI公司最新開(kāi)發(fā)的針對IC卡讀寫(xiě)的多協(xié)議收發(fā)器。它提供給用戶(hù)數字接口，所以應用非常方便。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，內部封裝有發(fā)送調制器和接收解調器，采和曼徹斯特編碼方式，典型發(fā)送功率200mW，其ESD保護符合MILSTD-883標準，有IDLE、POWER DOWN、FULL POWER三種電源管理功能。

　　筆者利用該ASIC結合MCU完整的實(shí)現了ISO/IEC 15693-3所規定的對VICC操作上層協(xié)議。

　　ISO/IEC 15693-2所規定的VCD與VICC通信物理層協(xié)議全部由ASIC實(shí)現，用戶(hù)通過(guò)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VICC的讀寫(xiě)操作。MCU和ASIC的通信接口有三根線(xiàn)：SCLOCK、DIN、DOUT，分別代表時(shí)鐘線(xiàn)、數據輸入線(xiàn)、數據輸出線(xiàn)。時(shí)鐘線(xiàn)是雙向的，發(fā)送數據時(shí)由MCU控制，接收數據時(shí)由ASIC控制，在時(shí)鐘的上升沿ASIC鎖存數據。DOUT除了在接收數據期間的數據輸出功能外，還用來(lái)表征ASIC內部FIFO的情況。DOUT內部下拉，平時(shí)為低電平。輸入數據過(guò)程中，當ASIC的16位FIFO寄存器滿(mǎn)時(shí)，DOUT線(xiàn)會(huì )自動(dòng)跳變?yōu)楦唠娖?，直到FIFO寄存器空出，DOUT線(xiàn)又會(huì )跳變?yōu)榈碗娖?。在DOUT為高電平期間，輸入數據無(wú)效。除了通信線(xiàn)外，M_ERR線(xiàn)用來(lái)在同時(shí)讀多張卡的時(shí)候表征數據的沖突情況。同樣，M_RR線(xiàn)內部下拉，平時(shí)為低電平，沖突時(shí)此線(xiàn)會(huì )升為高電平。

　　所設計的應用電路如圖2所示。圖2中包括三個(gè)部分：ASIC典型應用電路、與MCU接口電路和天線(xiàn)電路。R2、L1、C5、C6組成串聯(lián)諧振電路，匹配阻抗50Ω，可調電容C6用來(lái)準確調整電路諧振點(diǎn)在13.56MHz。如果認為ASIC 200mW輸出功率不足，也可以再加一級功放電路，以提高讀寫(xiě)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準的數字信號，其不同在于規定芯片操作的一些參數，例如：所采用的射頻協(xié)議、調制方式及傳輸速率是由命令序列中規定的還是由寄存器所設定的。普通模式每條指令均含有該指令使用的參數，而寄存器模式指令序列中并不含這些參數，而是由預先寫(xiě)入的寄存器中的數值所決定。注意，ASIC上電后必須首先初始化時(shí)間寄存器，芯片才能正常工作。

2.2 VICC——Tag-it HF-1應答器

　　Tag-it是TI公司為其最新開(kāi)發(fā)的RFID TRANSPONDER（應答器）的注冊商標，是一個(gè)產(chǎn)品系列。Tag-it完全和ISO/IEC15693兼容，是VICC的一種。按TI的設想，Tag-it主要應用在智能標簽領(lǐng)域內，例如：特快專(zhuān)遞、航空行李管理，電子門(mén)票等等。

　　Tag-it內有64位的UID（卡號）和8位的AFI（應用識別號）、8位的DSFID（數據存儲格式），用來(lái)標識卡和特定應用的特征?？▋扔?Kbit EEPROM，分成64個(gè)塊，每個(gè)塊32個(gè)bit。每個(gè)塊均可以鎖定，以保護數據免予修改。AFI、DSFID和32個(gè)塊均可讀可寫(xiě)，用以存儲用戶(hù)的數據。Tag-it采用13.56MHz的載波頻率，工作于“READER TALKS FIRST”模式下，即：一問(wèn)一答的模式?？▋扔蟹罌_突機制，可以同時(shí)讀多張卡而不會(huì )造成沖突。

　　事實(shí)上一張卡可以有多種應用，不同的塊可以存儲不同應用的數據，即所謂的“一卡通”。遺憾的是，Tag-it內沒(méi)有邏輯加密電路，無(wú)法實(shí)現密碼功能，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規范。

3.1 命令結構

　　在普通模式下，命令序列結構如下：

　　*在寄存器模式下，命令字節是1位，且該位為1。

　　*起邕位S1：起始位波形是當SCLOCK位高電平時(shí)DIN發(fā)生一個(gè)上升沿。

　　*命令字節：規定ASIC與VICC通訊時(shí)的有關(guān)參數。例如，2DH，表示支持的射頻協(xié)議是15693（1 out of 4），AM調制方式，調制率100%，返回數據波特率6.67kb/s。注意：命令字節的發(fā)送順序是高位在先，即：MSB FIRST。

　　*數據：數據域內容由15693-3所規定。

　　15693-3命令的一般格式是：

　　15693命令序列中，FLAGS規定著(zhù)命令內容中某些可選域存在與否。注意到S1和ES1在A(yíng)SIC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、命令內容、CRC16等域的內容取出填入ASIC序列中的數據域打包。注意：數據域的發(fā)送順序是低位在先，即：LSB FIRST。

　　例如：發(fā)送字節20H的波形是：

　　*結束位ES1：結束位波形是當SCLOCK高電平時(shí)DIN發(fā)生一個(gè)下跳沿。

3.2 響應結構

　　VICC響應的一般格式是：

　　*起臺位S2：表示VICC響應數據的開(kāi)始，定義為當SCLOCK為高電平時(shí)DOUT發(fā)生一個(gè)上升沿。

　　*結束位ES2：表示VICC響應數據的結束，定義為當SCLOCK為高電平時(shí)DOUT發(fā)生一個(gè)下降沿。

3.3 通信過(guò)程注意的問(wèn)題

　?、贂r(shí)間寄存器初始化。初始化序列是：S1 01111011 00000001 11000ES1。

　?、诎l(fā)送順序。命令字節（8位）發(fā)送的順序是MSB FIRST，其它數據均是LSB FIRST。

　?、跢IFO管理。發(fā)送每一位時(shí)都要檢測DOUT的電平。DOUT高電平時(shí)停止發(fā)送，直到DOUT恢復為低電平。

　?、軙r(shí)鐘線(xiàn)切換。命令發(fā)送過(guò)程中，雙向時(shí)鐘SCLOCK線(xiàn)由MCU控制，發(fā)送完畢，在接收VICC響應之前必須進(jìn)行時(shí)鐘線(xiàn)的切換，將控制權交由ASIC控制。

　　MCU放棄時(shí)鐘線(xiàn)控制波形（TRAN1）：

　　MCU獲得時(shí)線(xiàn)控制波形（TRAN2）：

　?、軨RC校驗。CRC16校驗是對15693-3規定的FLAGS、命令序列號、命令內容等字節的校驗，不包括起始位和命令字節（8位）。

　?、捱m當延時(shí)。例如：發(fā)送命令字節后適當延時(shí)約100μs，以利ASIC正確動(dòng)作。

3.4 舉例

　　以讀一個(gè)扇區為例，采用普通模式，VCD和VICC交互的完整過(guò)程如下：

　?。òl(fā)送）S1（起始位）2D（命令字節）40（FLAGS）

　　20（讀扇區命令序號）01（扇區號）00

　?。ㄐｒ濴OW BYTE）F2（校驗HIGH BYTE）

　　ES1（結束位）TRAN1（SCLOCK切換）

　?。ń邮眨㏒2（起始位）00（FLAGS）00（扇區安全狀態(tài)）

　　31（數據1）32（數據2）33（數據3）34（數據4）BD 7F（校驗）ES2（結束位）

3.5 關(guān)于反沖突算法

　　ISO/IEC 15693中描述的VICC反沖突算法非常費解，筆者通過(guò)實(shí)踐摸索解決了這個(gè)問(wèn)題，此處作為一簡(jiǎn)單說(shuō)明。該算法基本上是一種搜索算法，卡內相對應的是一種比較應答機制。舉例說(shuō)明，假如READER磁場(chǎng)范圍內有兩張卡，其UID分別是E00700000158D1D2和E0070000015869E8，這樣當READER采用NON-ADDRESSED模式指令去讀的時(shí)候，兩張卡均會(huì )回答，M_ERR線(xiàn)會(huì )跳變?yōu)楦唠娖奖硎緮祿_突。INVENTORY命令用來(lái)查詢(xún)當前磁場(chǎng)范圍內卡的卡號，專(zhuān)用用于解決沖突問(wèn)題。其參數包括：FLAGS、COMMAND、MASKLENGTH、MASKVALUE。一種最簡(jiǎn)單的情況，設定：FLAGS.6=Nb_slots_flag=1，MAKLENGTH=4，MASKVALUE=0，當命令序列發(fā)送后，MASKVALUE會(huì )被自動(dòng)與卡的UID的最低位比較，因為0≠2≠8，所以?xún)蓮埧ň换卮?。同樣的命令，如果MASKVALUE=2，則第一張卡就會(huì )回答；當MASKVALUE=8時(shí)第二張卡回答。如果兩張卡的卡號是：E00700000158D1D2和E0070000015869E2，則當MASKLENGTH=4，MASKVALUE=2時(shí)兩張卡均回答，就會(huì )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(shí)第一張卡回答，X2=E2時(shí)，第二張卡回答。依此類(lèi)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，就很容易理解標準中所描述的復雜算法。筆者采用這種逐位搜索算法編的讀多卡程序，連續讀3張卡的時(shí)間不超過(guò)500ms。

4 軟件設計

　　筆者利用仿真器和PC機作為調試工具，采用8051匯編語(yǔ)言編程并調試通過(guò)了ISO/IEC15693-3所要求的所有命令。軟件的主要功能包括：從PCRS232口接收命令數據，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，進(jìn)行一定的分揀處理后通過(guò)RS232發(fā)送給PC機。本文只描述有關(guān)與VICC通信的部分。程序見(jiàn)網(wǎng)絡(luò )補充版。http://www.dpj.com.cn。