基于AVR單片機(jī)射頻卡多協(xié)議讀寫器的設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　電源設(shè)計(jì)

　　首先，我們簡要討論一下EM4094的電源設(shè)計(jì)。該芯片有三個(gè)不同的電源引腳，其中的VDDA1和VDDA2用于給內(nèi)部的天線驅(qū)動(dòng)器ANT1和ANT2供電。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器可獨(dú)立受電。由于這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器可能產(chǎn)生或同步較大的電流，因此建議在VDDA1和VDDA2兩引腳之間接入一個(gè)3.3μF的電容以給天線提供足夠的能量。另外，我們還建議在該電容邊上并聯(lián)兩個(gè)電容值分別為1nF和100nF的電容，以對(duì)電源進(jìn)行去耦和濾波。

　　第三個(gè)電源引腳VDD用于給所有其它的內(nèi)部模塊供電。在這條電源線上，工程師將不得不為了上面提到的同樣原因接入兩個(gè)電容值分別為1nF和100nF的濾波電容，它們最好采用由COG和X7R等介電材料制成的陶瓷電容，因此類電容的容差小和溫度穩(wěn)定性較高。這里很重要的一點(diǎn)是，應(yīng)對(duì)這三條電源線施加相同的電壓(3.3V或5V)。這些電源線還應(yīng)當(dāng)與模擬地相連。

　　振蕩器輸入

　　連接在OSCIN和OSCOUT兩個(gè)引腳上的外部晶體提供13.56MHz的信號(hào)，這一信號(hào)將被送至天線驅(qū)動(dòng)器的輸出端?？缃佑诰д駜啥说膬蓚€(gè)NPO電容用于確保晶振的起振和穩(wěn)定性。NPO電容值由EM4094的可選跨導(dǎo)(通過一個(gè)寄存器標(biāo)識(shí)選擇)和晶體參數(shù)決定。

　　
圖1 工作原理圖

　　帶隙參考輸出(AGD)

　　帶隙參考電壓被不同的內(nèi)部模塊用作模擬參考電壓。為了確保讀卡器芯片的穩(wěn)定性和可靠性，用一個(gè)1nF和 100nF的電容對(duì)AGD電壓進(jìn)行適當(dāng)去耦是非常重要的。如同在前文所說的那樣，我們推薦使用采用COG或X7R電介質(zhì)材料制造的陶瓷電容。

　　天線驅(qū)動(dòng)器輸出

　　ANT1和ANT2為天線驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)輸出端，它們可同相或反相驅(qū)動(dòng)，這使得有可能用不同的方式連接讀卡器天線，以及依據(jù)所選擇結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生四個(gè)不同功率等級(jí)的天線。EM4094還可與一個(gè)遠(yuǎn)端天線一起使用，此時(shí)EM4094的輸出阻抗必須與通信線路阻抗相匹配。

　　若采用同軸電纜，那么在只使用一個(gè)天線驅(qū)動(dòng)器的情況下，EM4094的輸出阻抗將必須在10歐姆(ANT1可選)和50歐姆之間進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)兩個(gè)天線并聯(lián)使用時(shí)，EM4094的輸出阻抗將必須在5歐姆(ANT1可遷)到50歐姆之間進(jìn)行調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)良好的阻抗匹配，開發(fā)人員可借助Smith圖表選擇使用一個(gè)LC PI網(wǎng)絡(luò)和選擇合適的元件參數(shù)值。

　　如果讀卡器天線能夠與EM4094集成在同一塊PCB板上，那么你可使用直接天線相連方法(見圖2)。在這種情況下，天線和串聯(lián)電容形成LC串聯(lián)回路。這一回路的諧振頻率為讀卡器的頻率。串聯(lián)電阻用于抑制品質(zhì)因數(shù)并將天線的電流設(shè)定在EM4094的額定值以下。當(dāng)天線工作在其諧振頻率時(shí)，直接連接天線可獲得較高的功率。有關(guān)IC天線的不同連接方式可參見EM4094應(yīng)用指南。

圖 2 引腳定義

　　收發(fā)器信號(hào)接收

　　RFIN1和RFIN2是該IC接收鏈上的兩個(gè)輸入引腳，它們被EM4094用來解調(diào)收發(fā)器送過來的數(shù)據(jù)流，其引腳 上的電壓必須設(shè)定在GND和VDD之間，這兩個(gè)解調(diào)輸入必須具有相同的性能和呈現(xiàn)出相同的靈敏度。配合一個(gè)外部匹配阻抗電路，這兩個(gè)輸入端可用于解調(diào)輸入的相位或幅度調(diào)制信號(hào)。未使用的輸入腳應(yīng)當(dāng)通過一個(gè)10nF的電容接至模擬地。輸入引腳的高靈敏度使得讀卡器即便在電子標(biāo)簽的最小電源級(jí)別上仍能有較遠(yuǎn)的讀取距離。

表1

　　關(guān)閉讀卡器芯片

　　EN引腳用于使能或關(guān)閉讀卡器IC。該輸入引腳可由一個(gè)外部微控制器進(jìn)行控制。當(dāng)EN引腳為高電平時(shí)，EM4094進(jìn)入激活模式，其輸出在天線上產(chǎn)生 13.56MHz信號(hào)；當(dāng)EN引腳為低電平時(shí)，讀卡器芯片進(jìn)入睡眠模式，這樣可大大降低讀卡器芯片的功耗。在設(shè)計(jì)手提式讀卡器時(shí)，EM4094的這一性能特別有用，它可提高電池的使用壽命。

　　數(shù)據(jù)輸入與輸出

　　在SPI模式下，DIN引腳用于輸入數(shù)據(jù)，DOUT引腳用于輸出數(shù)據(jù)，DCLK用作SPI的時(shí)鐘信號(hào)。一個(gè)SPI接口可用來設(shè)置讀卡器芯片的內(nèi)部位寄存器及設(shè)定不同模塊的參數(shù)。在正常模式下，通過施加在DIN引腳上的邏輯電平來打開或關(guān)閉天線驅(qū)動(dòng)器，DIN發(fā)出的應(yīng)答信息可直接在DOUT腳上讀取。

　　安全功能

　　當(dāng)前的許多RFID應(yīng)用都采用加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或?qū)ι矸葸M(jìn)行證明。有些加密算法是公開的，有些則不對(duì)外公開。有些供應(yīng)商在源代碼或目標(biāo)代碼、或其它獨(dú)立的安全元件(如SIM卡)中提供他們獨(dú)特的加密算法。當(dāng)然，多種可選方案使得設(shè)計(jì)可十分靈活。你可以在一個(gè)傳統(tǒng)的微控制器或一個(gè)安全的控制器中實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)算法，另外一個(gè)選擇是用一個(gè)負(fù)責(zé)安全操作的獨(dú)立元件來構(gòu)建一個(gè)接口。將這兩種方案混合運(yùn)用當(dāng)然也是可以的。EM通過SIM卡提供其專有加密算法。

　　固件程序設(shè)計(jì)

　　程序?qū)哟蝿澐?P>　　固件結(jié)構(gòu)分為幾層，每一層都有特定的功能：

　　? Level1 –執(zhí)行解碼任務(wù)；

　　? Level2 –執(zhí)行底層數(shù)據(jù)發(fā)送和變換任務(wù)；

　　? Level3 –執(zhí)行上層數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)--- main loop 、 bootloader 以及 simcard；

　　? Level4 -執(zhí)行UART 通訊任務(wù)。

　　主程序設(shè)計(jì)

　　? Main loop (level3) 定期查詢UART的接收緩沖區(qū) (level4)，并根據(jù)有效命令執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。所有執(zhí)行的任務(wù)都會(huì)返回信息，包括任務(wù)錯(cuò)誤。

　　? UART 數(shù)據(jù)接收是異步執(zhí)行的。只有對(duì)之前命令的響應(yīng)完全送出后，才會(huì)執(zhí)行下一條命令。

　　?通常和卡片通訊的命令由硬件定時(shí)器進(jìn)行控制 (T0、 T1、 T2、T3用于接收 ，T1用于發(fā)送)。

　　?定時(shí)器計(jì)數(shù)值由AVR時(shí)鐘信號(hào)完成。

　　?有些程序需要中斷觸發(fā)，這就要求具有很高的捕獲能力。

　　?正如其他一些重要的任務(wù)，發(fā)送 (level2)和捕獲 (level1)的任務(wù)可以并行進(jìn)行，而不會(huì)互相干擾。

　　數(shù)據(jù)處理

　　應(yīng)用軟件為Uplink (send)任務(wù)準(zhǔn)備好命令子節(jié)。所有任務(wù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)位流放入 data_buffer 數(shù)組。為了讓前臺(tái)捕獲程序與后臺(tái)處理分開，捕獲任務(wù)將信息存入一對(duì)數(shù)組. [data bit, validity bit]。通過level1/store_bit funcTIon ，把捕獲任務(wù)得到得一對(duì)信息存入到由capture_cnt 和capture_bit_count 變量索引的capture數(shù)組。capture 緩沖區(qū)在執(zhí)行捕獲前要初始化；data bit為0，valid bit為1。所有位有效。接收到的數(shù)據(jù)可以在后臺(tái)進(jìn)行查找。這種邏輯可以給出一個(gè)有序的確定的信息，而不需要異步處理或優(yōu)先可重入中斷處理。

　　結(jié)束語

　　無線射頻識(shí)別具有信息量大、高效便捷、安全的特點(diǎn)，是自動(dòng)識(shí)別的主流技術(shù)。低成本、高可靠的電子標(biāo)簽識(shí)讀終端的研究開發(fā)有很大的實(shí)際意義。本文在研究分析系統(tǒng)作用原理的基礎(chǔ)上，給出了AVR微處理器芯片以及RFID讀寫基站共同構(gòu)成了一個(gè)完整的射頻卡讀寫系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本合理，可靠性已得到試驗(yàn)驗(yàn)證, 有較好的應(yīng)用價(jià)值。