基于TRF7960的多協(xié)議射頻讀卡器設計

出處：李冬發(fā) 發(fā)布于：2010-09-08 17:23:23

摘要：設計了一款基于TRF7960和STCllF32XE單片機的多協(xié)議自適應功能的射頻讀卡器，給出了射頻讀卡器的具體硬件和軟件設計方案，并對設計中的難點作了分析。該讀卡器支持多協(xié)議，支持防碰撞和多標簽識別，功能完備，操作靈活，可以為各種RFID應用提供靈活有效的解決方案，同時也可為學習RFID技術的人員提供一個多協(xié)議、低價位的開發(fā)平臺。

　　引言

　　無線射頻識別技術(RFID)作為一項先進的自動識別和數(shù)據(jù)采集技術，已經(jīng)廣泛應用到生產(chǎn)制造、物流管理、公共安全等各個領域，并帶動了讀寫機具和各類應用產(chǎn)品及系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)和推廣應用。目前，在我國應用于13．56 MHz的無線射頻識別技術領域主要有2個ISO標準，一個是IS014443，另一個是ISO15693。ISO14443定義了TYPE A、TYPE B兩種類型協(xié)議，通信速率為106 kb／s，它們的區(qū)別主要在于載波的調(diào)制深度及位的編碼方式。ISO15693讀寫距離較遠，而ISO14443讀寫距離稍近，但后者應用較廣泛。這三種協(xié)議的卡在各個領域都有著比較廣泛的應用，而國內(nèi)現(xiàn)有的13．56 MHz的射頻讀卡器，一般僅支持一種協(xié)議，且功能較為單一。基于這種現(xiàn)狀，本文提出了基于TI公司的TRF7960射頻芯片和宏晶公司的STCllF32XE高速單片機來設計多協(xié)議射頻讀卡器的設計方案。在該讀卡器上擴展了點陣圖形液晶LCD和串行存儲器W25X80以及USB芯片PL2303等外圍設備。LCD可以顯示各種圖形和漢字，串行存儲器用來存儲點陣字庫、圖形庫等，USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過該USB接口和PC管理軟件通信。該讀卡器使用方便，簡單，成本低，電路運行穩(wěn)定，可以應用到各種場合。

　　1 讀卡器的硬件設計

　　STCllF32XE單片機是宏晶科技公司設計生產(chǎn)的單時鐘／機器周期(IT)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成高可靠復位電路，可用在高速通信、智能控制、強干擾等場合。STCllF32XE內(nèi)部有32 KB的Flash，29 KB的EEPROM和1 280字節(jié)的SRAM。本文采用的STCllF32XE是LQFP-44引腳，除了EA、ALE、PSEN和RST引腳可以定義為通用I／O外，還多了1個P4口。編程支持ISP功能，使用起來比較方便。

　　TRF7960是TI(德州儀器)公司推出的高頻(13．56MHz)多標準射頻識別(RFID)閱讀器IC產(chǎn)品系列之一。TRF7960采用超小32-pin QFN的封裝設計，支持ISO／IEC 14443A／B、ISO／IEC 15693、ISO／IEC 18000-3以及TI公司的非接觸支付商務與Tag-It應答器產(chǎn)品系列。采用TRF7960的讀卡器為微控制器提供了內(nèi)部時鐘，只需1個13．56 MHz的晶振就能工作，而不需要2個標準晶體，從而有助于降低終端讀卡器產(chǎn)品的總物料單成本。由于組件很少，讀卡器IC耗電、占用的空間也很少，因此可以解決敏感度和噪聲衰減問題。其他集成功能還包括故障檢查、數(shù)據(jù)格式化、成幀以及適合多讀卡器環(huán)境的防碰撞支持等。TRF7960與微控制器之間通信可以使用8位并行或者串行(SPI)的靈活的通信方式。該芯片還具有寬泛的操作電壓(2．7～5．5 V)。TRF7960非常適用于安全訪問控制、產(chǎn)品以及非接觸支付系統(tǒng)等應用。

　　為了使用STCllF32XE單片機內(nèi)部1 KB的擴展SRAM，此處采用的是8位并行模擬總線接口方式，用單片機的P1口和TRF7960的DO～D7相連，用P2．6、P2．7、P3．2作為控制線分別和TRF7960的DATA CLK、EN、IRQ引腳相連。需要注意，為了使TRF7960通信接口支持5 V的邏輯電平，應該把TRF7960的VDD_I／O引腳接5 V電壓。采用模擬總線方式是一種通用的方法，特別是對于不支持總線擴展的單片機更為重要。該設計中使用模擬總線的方式可防止TRF7960和單片機內(nèi)部的SRAM發(fā)生總線沖突。圖1是讀卡器的系統(tǒng)硬件原理圖。

　　PL2303是Prolific：公司生產(chǎn)的USB總線轉接芯片，可以實現(xiàn)USB轉串口，用于為計算機擴展異步串行口，或者將普通的串口設備直接升級到USB總線。PL2303完全兼容USBl．1、USB2．0；3～5 V調(diào)節(jié)輸出，可以滿足不同的電壓輸出接口；全雙工發(fā)送和接收(RXD、TXD)；MODEM控制線(RTS、CTS、DTR、DSR、DCD和RI)；5、6、7或8位數(shù)據(jù)格式；奇偶校驗或無校驗；1位、1位半或2位停止位；可編程的波特率75 b／s～6 Mb／s等。因此，PL2303是移動系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的理想選擇，其小封裝能夠嵌入任何連接件和手持設備。PL2303在工作模式和休眠模式都具有很低的功耗，非常適合總線供電場合使用。USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過該USB接口和PC管理軟件通信。

　　顯示屏采用的是基于ST7565S控制器的圖形點陣LCD模塊，分辨率為128×64，支持串行接口，不帶漢字庫。為了能使該讀卡器可以應用在諸如圖書館圖書管理方面和其他需要需要漢字顯示的場合，采用華邦公司生產(chǎn)的串行存儲器W25X80，自行設計了GB2312漢字庫和其他圖片庫。串行Flash存儲器以其體積小、密度高、功耗低、價位低、操作簡單而備受青睞，Winbond公司生產(chǎn)的Flash存儲器W25X80為8 Mb串行Fla-sh，大小為1 MB，分為4096頁，每頁為256字節(jié)的存儲單元，且?guī)в?56個字節(jié)的緩沖區(qū)，SPI的接口方式。使用Flash自行設計漢字庫不僅操作十分簡單，并且可以靈活地適用于多個設計方案。

　　系統(tǒng)硬件電路設計應該注意的地方如下：

　　①盡量讓濾波電容靠近芯片，特別是10 nF的電容，這樣對高頻信號進行有效的濾波；

　　②盡量減少布線地的回路，所以要求接地的過孔盡量靠近元器件或者IC的接地端；

　?、?個電感的放置應該成90°的方向，這樣主要減少2個電感之間的耦合；

　?、軘?shù)字地和模擬地是在不同的地方，通過磁珠或電感進行連接；

　?、荼ＷC芯片中間的部分足夠接地，可以在電路板上打9個孔，讓芯片充分接地和散熱；

　?、薏季€時盡量減少輔線的長度，特別是射頻前端，讓元器件保持緊湊、射頻輸出前端保持暢通的輸出；

　?、咴陔娐分屑右恍y試點，方便調(diào)節(jié)硬件電路；

　?、啾M量避免在射頻線路中通過數(shù)字信號。

　　2 讀卡器的軟件設計

　　設計好硬件平臺之后，就需要設計系統(tǒng)的軟件模塊。在軟件模塊設計中STCllF32XE單片機和TRF7960之間的模擬通信是關鍵的一步，因為只有打通了底層通信的關鍵環(huán)節(jié)，STCllF32XE才能進一步通過控制TRF7960實現(xiàn)讀／寫卡的基本操作。為了實現(xiàn)這一步，首先要弄清楚TRF7960的讀寫時序。

　　起始條件是CLK為高，然后先發(fā)送8位地址，再發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送格式在時鐘的下降沿進行發(fā)送，當CLK為高時，在A／D有1個下降沿，表示結束。根據(jù)該時序圖可以寫出STCllF32XE單片機從TRF7960讀／寫1個字節(jié)的C語言實現(xiàn)代碼：

　　STCllF32XE單片機主要就是通過調(diào)用這兩個基本的函數(shù)來實現(xiàn)對TRF7960進行復雜的讀／寫控制的。采用模擬總線通信方式的好處就是用C語言寫的代碼很容易移植到不支持總線擴展的各種單片機上，增加了軟件模塊的可復用性和可移植性。

　　打通了底層通信的關鍵環(huán)節(jié)之后，就可以一步一步地編寫調(diào)試各個軟件模塊。圖3是讀卡器多協(xié)議自適應功能軟件模塊流程。

　　3 結論

　　本文采用宏晶公司的高速、低價位單片機和TI公司的TRF7960多協(xié)議讀卡芯片以及相應的外圍電路設計出了非接觸式的射頻讀卡器，設計按照ISO／IEC 14443A／B和ISO／IEC 15693多協(xié)議標準，完成了系統(tǒng)的硬件電路搭建和系統(tǒng)軟件的設計工作。經(jīng)實際使用證明，該讀卡器工作穩(wěn)定，抗干擾能力強，性價比高，操作靈活、方便，產(chǎn)品具有很強的的市場競爭力，投入使用將會產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。