基于ＳＤＩＯ接口的通用ＲＦＩＤ讀寫器的開發

張建軍　包國鋒　馬一兵

摘 要：介紹如何利用EM Microelectronic公司的射頻卡讀寫基站芯片EM4094和Arasan公司的SDIO接口芯片AC2200來構建一種基于通用接口SDIO的即插即用型的RFID讀寫器,它可以在支持SDIO接口的掌上電腦或智能手機上使用,實現對13.56 MHz(ISO15693,ISO14443A/B/C等多種協議)RFID電子標簽的讀寫,插拔方便,尺寸較小,可利用依托設備取電。這種方案為具有SDIO接口的智能終端提供了一種性能價格比很高的射頻識別功能的擴展,從而使RFID在各行業的應用更加廣泛和靈活。

關鍵詞：SDIO接口；RFID射頻卡；SPI接口；讀寫基站

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-047-04

Development of General RFID Reader-Writer Based on SDIO

ZHANG Jianjun1,BAO Guofeng2,MA Yibing3

(1.Shandong Jiaotong University,Ji′nan,250023,China;

2.Computer Information Center,Subsidiary Provincial Hospital,Shandong University,Ji′nan,250001,China;

3.Shanhai JIN-AN-TE Auto ID R&D; Center,Shanghai,201102,China)

Abstract：How to use EM Microelectronic radio base station chip card readers EM4094 and Arasan′s SDIO interface chip AC2200 to build a common interface based on the SDIO plug-and-play type of RFID readers is introduced.It can be used in the handheld computer or smartphone support SDIO interface,to achieve the 13.56 MHz (ISO15693,ISO14443A/B/C and other agreements) RFID electronic tags to read and write,swapping convenience of a smaller size,can rely on equipment from power.Such programm for SDIO interface with the smart terminal provides a very high price-performance RFID expansion,thus application of FRID in each fields is broader and more flexible.

Keywords：SDIO interface;RFID RF cards;SPI interface;read & write base station

0 引 言

射頻識別(RFID)是利用無線方式對電子數據載體(電子標簽)進行識別的一種新興技術。與接觸式IC卡和條形碼識別等系統比較,它有著巨大的優勢。利用射頻識別技術,能有效實現對數量大、分布區域廣的信息進行智能化管理,達到高效快捷運作的目的,特別是在第二代身份證、物流、交通航運、自動收費、超市、門禁系統管理、服務領域等方面有著廣泛的應用前景。隨著我國國民經濟的快速發展,國內RFID行業也正經歷著深刻的變革。

然而,目前市場上的各類RFID讀卡設備仍然存在體積較大,接口不統一,傳輸速率較低等缺陷。已經存在的便攜式RFID 數據終端的價格卻很高,一般用戶接收不了,并且一個完整的RFID系統開發周期長,短時間內無法占領市場等問題,都在一定程度上限制了本行業的進一步發展。因此,讀卡設備小型化、接口標準化、速率最大化,縮短系統開發周期必然成為今后RFID產業的主要發展趨勢。

這種便攜式設備能夠嵌入到現有智能綜合平臺中,通過SDIO接口連接到智能手機,PDA、筆記本電腦、打印機、手持終端等便攜式前端數據采集設備,將獲取到的RFID數據通過標準的SDIO接口與平臺進行高速傳輸。可以滿足于身份認證、商業物流、電子票據、新一代智能信用卡、產品防偽、POS及銀行卡終端等應用。

1 硬件系統框圖

硬件系統框圖如圖1所示。工作流程如下：

SDIO接口芯片負責把SD總線上的信息流轉化為RS 232串口的信息,這樣可以和單片機進行簡單的溝通,因為一般的單片機都具有串口。

CPU根據接收的指令,通過SPI口向RFID讀寫基站EM4094發出命令,并得到相應的數據(來自于卡片或者EM4094的設置信息)。

EM4094在得到CPU的命令后,對已經位于天線范圍內的卡片進行操作,并返回相應的信息。

由于EM4094的工作電壓為4.5~5.5 V,而SD接口提供的是3.3 V的電壓,所以要進行電壓轉換(DC-DC)；另一方面,為了提高讀寫距離,將3.3 V轉換為 5 V是有好處的,但另一方面則增加了功耗,這可以通過合理的控制磁場打開的時間來解決。

2 軟件功能設計要求

讀寫器的軟件功能基本要實現以下3個方面：

2.1 需要支持13.56 MHz頻率下的各種標準可讀寫卡片

ISO 14443A&B;:MIFARE sRUltralight,MIFARE sRClassic,MIFARE sRDESFire,MIFARE sRPROX, MIFARE sRPRO；ISO 15693；ISO 18000-3；INSIDE PicoTag；HID iClass；Tagsys C320；eNFC；MasterCard PayPass；FeliCa；KSW TempSens；KSW VarioSens。

2.2 具有多種Secure Digital (SD)模式

SDIO complaint,version 1.10；SD-1,SD-4,SPI mode；Extended SD form factor。

2.3 具有多種操作系統支持

Microsoft Pocket PC 2002/2003；Windows Mobile 2003；Windows Mobile 5.0；Palm OS 4.1 and up。

3 SDIO卡接口標準

3.1 簡介

現在的電腦、PDA、智能手機中一般都配有SDIO卡接口。SDIO是帶有擴展輸入/輸出功能的SD尺寸的卡。IO指輸入和輸出。SDIO可允許制造商開發能通過SDIO兼容插槽添加在產品中的硬件擴展設備。許多基于SDIO的附加產品正在開發中,其中包括無線LAN和通信適配器、數字電視調諧器和GPS附件。SDIO兼容插槽可用于許多PDA和移動電話之上,并計劃用于其他更多的產品。

3.2 特性

兼容規范版本1.01；卡上錯誤校正；支持CPRM；兩個可選的通信協議：SD模式和SPI模式；可變時鐘頻率：0~25 MHz；通信電壓范圍：2.0~3.6 V；工作電壓范圍:2.0~3.6 V；低電壓消耗：自動斷電及自動睡醒,智能電源管理；無需額外編程電壓；卡片帶電插拔保護；正向兼容MMC卡；高速串行接口帶隨即存取；支持雙通道閃存交叉存取；快寫技術：一個低成本的方案,能夠超高速閃存訪問和高可靠數據存儲

最大讀寫速率： 10 Mb/s；最大10個堆疊的卡(20 MHz,V CC=2.7~ 3.6 V)；數據壽命：10萬次編程/擦除；CE和FCC認證,◎PIP封裝技術；尺寸：24 mm寬×32 mm長× 1.44 mm厚。

3.3 工作模式

該SD卡的接口可以支持兩種操作模式：SD卡模式；SPI模式。

主機系統可以選擇以上其中任一模式,SD卡模式允許4線的高速數據傳輸。SPI模式允許簡單通用的SPI通道接口,這種模式相對于SD模式的不足之處是喪失了速度。

3.4 引腳定義

3.4.1 SD卡模式針腳定義

SD卡模式針腳定義如表1所示。

表1 SD卡模式針腳

針腳名稱類型描述

1CD DAT3I/O/PP卡監測數據位3

2CMDPP命令/回復

3VSSS地

4VCCS供電電壓

5CLKI時鐘

6CSS2S地

7DAT0I/O/PP數據位0

8DAT1I/O/PP數據位1

9DAT2I/O/PP數據位2

SD卡的總線概念：

SD總線允許強大的1線到4線數據信號設置。當默認的上電后,SD卡使用DAT0。初始化之后,主機可以改變線寬(即改為2根線,3根線…)。混和的SD卡連接方式也適合于主機。在混和連接中VCC,VSS和CLK的信號連接可以通用。但是,命令,回復和數據(DAT0～DAT3)這幾根線,各個SD卡必須從主機分開。

這個特性使得硬件和系統上交替使用。SD總線上通信的命令和數據比特流從一個起始位開始,以停止位中止。

CLK：每個時鐘周期傳輸一個命令或數據位。頻率可在0～25 MHz之間變化。SD卡的總線管理器可以不受任何限制地自由產生0～25 MHz的頻率。

CMD：命令從該CMD線上串行傳輸,一個命令是一次主機到從卡操作；回復從該CMD線上串行傳輸,一個命令是對之前命令的回答。回復可以來自單機或所有卡。

DAT0～DAT3：數據可以從卡傳向主機或副versa,數據通過數據線傳輸。

3.4.2 SPI模式針腳定義

SPI模式針腳定義如表2所示。

表2 SPI模式針腳

針腳名稱類型描述

1CSI片選(負有效)

2DII數據輸入

3VSSS地

4VCCS供電電壓

5CLKI時鐘

6VSS2S地

7DOO數據輸出

8RSV--

9RSV--

注意：SPI模式時,這些信號需要在主機端用10~100 kΩ的電阻上拉。

SPI 總線概念：SPI總線允許通過2通道(數據入和出)傳輸比特數據。SPI兼容模式使得MMC主機系統通過很小的改動就可以使用ＳＤ卡。SPI模式使用字節傳輸。

所有的數據被融合到一些字節中并 aligned to the CS signal(可能是：通過CS信號來校正)。SPI模式的優點就是簡化主機的設計。特別地,MMC主機需要小的改動。SPI模式相對于SD模式的不足之處是喪失了速度性能。

3.5 連接示意圖

連接示意圖如圖2所示。

圖2 SD Card連接示意圖

4 SDIO接口芯片的選擇

在設計SDIO接口的時候,有2種方法：

方法1：用MCU直接模擬SD標準通訊,優點是成本低,缺點是開發難度大,主機端的驅動也要自行設計。

方法2：采用現有的SD接口轉串口(或者其他MCU自帶接口如并口、SPI)的芯片。為了加快開發速度以及保證整個系統的穩定性,本讀寫器采用第二種方法,即使用現有的成熟的芯片作為連接橋,這樣主機端的驅動也不需要設計了(驅動由芯片廠家提供)。目前有的一款芯片為AC2200,它是Arasan公司設計的SDIO接口的專用控制器芯片,可以通過APB,SPI,Parallel以及UART 和設備(微處理器)進行通訊。它可以用來設計很多低功耗的產品,如GPS,UWB,camera,Zigbee,RFID,scanner等。

通過APB,SPI,Parallel以及UART接口,使得SD總線的通訊變得簡單,用戶不必關心復雜的SD協議。

AC2200可以工作在主機方式。在嵌入式微處理器 ARM或者8051的應用系統里,AC2200可以提供子機接口。

在子機模式下,應用CPU控制AC2200的初始化以及內部寄存器的設置。

AC2200有1個E2PROM可以選配,E2PROM 既可以被SD 主機操作也可以被連接AC2200的CPU操作,或者用于AC2200的初始化設備。

5 13.56 MHz RFID讀寫基站的選擇

在當前的許多RFID應用中,設備制造商不一定能決定客戶采用什么讀寫基站(也為收發器,以下統稱讀寫基站)。因此,為了最大程度地提高自己在某個特定項目中中標的機會,設備制造商必須提供這樣的讀寫器,要么它能支持市場上盡可能多的讀寫基站芯片,要么它本身至少是比較容易定制的。

除了要求其能支持一系列協議、標準和讀寫基站外,客戶對讀卡器可能還有其他功能性方面的要求,如高性能、防沖突、遠/近感應距離、移動性及功耗。但在單個讀卡器中很難同時滿足如此之多的要求。為了滿足所有這些要求,制造商可能需要提供一系列可滿足不同要求的讀卡器。所以,需要采用具有多協議的讀寫基站芯片。

目前13.56 MHz的多協議讀寫基站基本上有3種較為常用：PHLISPS公司的RC632,TI公司的RI-6C-001和EM公司的EM4094。三家公司的芯片各有特點,綜合考慮,EM4094具有更好的性價比。

5.1 EM4094的概述

EM4094是一個集成的收發器芯片,它可用于構建RFID讀卡器的模擬前端模塊。該芯片的數據傳輸及接收鏈路允許傳送和解碼任何通信協議,因此EM4094支持所有EM公司的13.56 MHz收發器芯片,ISO15693,ISO14443 A&B;,以及Sony Felica協議。通過適當設定,EM4094甚至還可以與NFC設備通訊。

它具有以下特點：

兼容ISO15693、ISO14443；具有可選跨導的使用13.56 MHz石英的振蕩器；使用OOK 的天線驅動或使用單一天線驅動的ASK模塊；高輸出功率,5 V電源下200 mW高輸出功率；ASK調制可調范圍從7%~30%；天線短路保護；用于高度可靠通信的多路接收器輸入；帶AGC信號放大器的AM/PM解調；848 kHz BPSK內部解調器(B型)；多種副載波兼容接收 (212 kHz,424 kHz或 848 kHz)；多種副載波兼容譯碼(Manchester,BPSK)；內置接收低通濾波器截止頻率可在400 kHz及 1 MHz間進行檢波；內置接收高通濾波器截止頻率可在100 kHz, 200 kHz及300 kHz間進行檢波；可選接收增益；可選擇的串行接口對選擇位進行編程；3線SPI控制的降功耗模式,控制開關機狀態；輸出功率為100 mW(SO16封裝),200 mW(SO20封裝)；工作溫度范圍-40~+85 ℃；ISO15693,ISO14443協議完全兼容;多接收輸入,高通訊可靠性。

5.2 工作原理及引腳定義

EM4094的工作原理如圖3所示,引腳定義如圖4所示,具體含義參照表3。

圖3 工作原理圖

圖4 引腳定義

6 結 語

無線射頻識別具有信息量大、高效便捷、安全的特點,是自動識別的主流技術。低成本、高可靠的即插即用的便攜式電子標簽識讀終端的研究開發有很大的實際意義。本文在研究分析系統作用原理的基礎上,給出了SDIO轉換芯片和微處理器芯片以及RFID讀寫基站共同構成了一個完整的便攜式讀寫系統的硬件實現方案。系統結構和成本合理,可靠性已得到試驗驗證,有較好的應用價值。

表3 引腳釋意

引腳名稱功能描述

1OSC IN晶振輸入(無內部電容)

2OSC OUT晶振輸出(無內部電容)

3VDDA1天線驅動器電源正極

4ANT1RF輸出(10 Ω輸出阻抗)

5VSSA1天線驅動器負極0 V

6VSSA2天線驅動器負極0 V

7ANT2RF輸出(10 Ω輸出阻抗)

8VDDA2天線驅動器電源正極

9RF IN2RF輸入PM(最大5V pp,DC耦合到AGD)

10RF IN1RF輸入AM(最大5V pp,DC耦合到AGD)

11D INSPI數據輸入/磁場調制信號輸入

12D CLKSPI時鐘信號

13D OUTSPI數據輸出/BPSK位流輸出

14D OUT1BPSK位時鐘輸出/模擬接收輸出

15VSS電源負極0 V

16AGD參考電壓2.5 V輸出

17NC未用

18NC未用

19EN使能輸入

20VDD電源正極

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