基于S6700芯片與ISO/IEC15693標準的讀卡器設計

基于S6700芯片與ISO/IEC15693標準的讀卡器設計

　　摘要：采用TI公司最新的多協議收發器芯片S6700，結合MCU設計了ISO/IEC15693讀卡器，介紹S6700通信協議和ISO/IEC15693標準，給出部分子程序。S6700和MCU的接口非常簡單。
　　關鍵詞：IC卡RFIDISO/IEC15693讀卡器
　　
　　1綜述
　　
　　自從20世紀70年代IC卡誕生以來，在飛速發展的微電子技術的帶動下，IC卡已經深入到社會生活的各個角落，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，打電話使用的付費電話卡，手機中使用的SIM卡等等。
　　
　　IC卡又稱為集成電路卡。卡片內封裝有集成電路，用以存儲和處理數據。IC卡的發展經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程。ISO/IEC7816標準定義的卡是接觸卡，讀卡機具必須和卡的觸點接觸才能和和卡進行信息交換，所以磨損嚴重，容易受污染，使用壽命低，操作速度慢。為此，非接觸式卡技術迎刃而生。非接觸式卡又稱射頻卡、感應卡，采用無線電調制方式和讀卡機具進行信息交換。ISO/IEC10536定義的卡稱為密耦合卡；ISO/IEC14443定義的卡是近耦合卡（PICC），對應讀卡機具簡寫為PCD；ISO/IEC15693對應的卡是遙耦合卡（VICC），對應的讀卡機具簡寫為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所示的框圖簡單表示了射頻卡讀寫系統的工作原理。
　　
　　2硬件設計
　　
　　2.1S6700芯片
　　
　　S6700芯片是TI公司最新開發的針對IC卡讀寫的多協議收發器。它提供給用戶數字接口，所以應用非常方便。ASIC能夠支持的協議包括：TITAGIT協議、ISO/IEC15693-2、ISO/IEC14443-2（TYPEA）等。S6700采用SSOP20封裝，+5V供電，內部封裝有發送調制器和接收解調器，采和曼徹斯特編碼方式，典型發送功率200mW，其ESD保護符合MILSTD-883標準，有IDLE、POWERDOWN、FULLPOWER三種電源管理功能。
　　
　　筆者利用該ASIC結合MCU完整的實現了ISO/IEC15693-3所規定的對VICC操作上層協議。
　　
　　ISO/IEC15693-2所規定的VCD與VICC通信物理層協議全部由ASIC實現，用戶通過同步串行接口（SPI）遵照ASCI的通信求和ASIC打交道就可以實現VICC的讀寫操作。MCU和ASIC的通信接口有三根線：SCLOCK、DIN、DOUT，分別代表時鐘線、數據輸入線、數據輸出線。時鐘線是雙向的，發送數據時由MCU控制，接收數據時由ASIC控制，在時鐘的上升沿ASIC鎖存數據。DOUT除了在接收數據期間的數據輸出功能外，還用來表征ASIC內部FIFO的情況。DOUT內部下拉，平時為低電平。輸入數據過程中，當ASIC的16位FIFO寄存器滿時，DOUT線會自動跳變為高電平，直到FIFO寄存器空出，DOUT線又會跳變為低電平。在DOUT為高電平期間，輸入數據無效。除了通信線外，M_ERR線用來在同時讀多張卡的時候表征數據的沖突情況。同樣，M_RR線內部下拉，平時為低電平，沖突時此線會升為高電平。
　　
　　圖2
　　
　　所設計的應用電路如圖2所示。圖2中包括三個部分：ASIC典型應用電路、與MCU接口電路和天線電路。R2、L1、C5、C6組成串聯諧振電路，匹配阻抗50Ω，可調電容C6用來準確調整電路諧振點在13.56MHz。如果認為ASIC200mW輸出功率不足，也可以再加一級功放電路，以提高讀寫距離。
　　
　　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間寄存器，芯片才能正常工作。
　　
　　2.2VICC——Tag-itHF-1應答器
　　
　　Tag-it是TI公司為其最新開發的RFIDTRANSPONDER（應答器）的注冊商標，是一個產品系列。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域內，例如：特快專遞、航空行李管理，電子門票等等。
　　
　　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），用來標識卡和特定應用的特征。卡內有2KbitEEPROM，分成64個塊，每個塊32個bit。每個塊均可以鎖定，以保護數據免予修改。AFI、DSFID和32個塊均可讀可寫，用以存儲用戶的數據。Tag-it采用13.56MHz的載波頻率，工作于“READERTALKSFIRST”模式下，即：一問一答的模式。卡內有防沖突機制，可以同時讀多張卡而不會造成沖突。
　　
　　事實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內沒有邏輯加密電路，無法實現密碼功能，這限制了Tag-it在其它保密性要求較高的領域的應用。
　　
　　3通信協議
　　
　　發給ASIC的命令序列必須符合ASIC通信協議和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：
　　
　　起如位S1命令字節（8位）*數據結束位ES1
　　*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DIN發生一個上升沿。
　　
　　*命令字節：規定ASIC與VICC通訊時的有關參數。例如，2DH，表示支持的射頻協議是15693（1outof4），AM調制方式，調制率100%，返回數據波特率6.67kb/s。注意：命令字節的發送順序是高位在先，即：MSBFIRST。
　　
　　*數據：數據域內容由15693-3所規定。
　　
　　15693-3命令的一般格式是：
　　
　　起始位S1FLAGS命令序號命令內容CRC16結束位ES1
　　15693命令序列中，FLAGS規定著命令內容中某些可選域存在與否。注意到S1和ES1在ASIC命令序列中已經存在，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：數據域的發送順序是低位在先，即：LSBFIRST。
　　
　　例如：發送字節20H的波形是：
　　
　　*結束位ES1：結束位波形是當SCLOCK高電平時DIN發生一個下跳沿。
　　
　　
　　
　　3.2響應結構
　　
　　VICC響應的一般格式是：
　　
　　起始位S2FLAGS響應內容CRC16結束位ES2
　　*起臺位S2：表示VICC響應數據的開始，定義為當SCLOCK為高電平時DOUT發生一個上升沿。
　　
　　
　　
　　*結束位ES2：表示VICC響應數據的結束，定義為當SCLOCK為高電平時DOUT發生一個下降沿。
　　
　　
　　
　　3.3通信過程注意的問題
　　
　　①時間寄存器初始化。初始化序列是：S1011110110000000111000ES1。
　　
　　②發送順序。命令字節（8位）發送的順序是MSBFIRST，其它數據均是LSBFIRST。
　　
　　③FIFO管理。發送每一位時都要檢測DOUT的電平。DOUT高電平時停止發送，直到DOUT恢復為低電平。
　　
　　④時鐘線切換。命令發送過程中，雙向時鐘SCLOCK線由MCU控制，發送完畢，在接收VICC響應之前必須進行時鐘線的切換，將控制權交由ASIC控制。
　　
　　MCU放棄時鐘線控制波形（TRAN1）：
　　
　　
　　
　　MCU獲得時線控制波形（TRAN2）：
　　
　　
　　
　　⑤CRC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）。
　　
　　⑥適當延時。例如：發送命令字節后適當延時約100μs，以利ASIC正確動作。
　　
　　3.4舉例
　　
　　以讀一個扇區為例，采用普通模式，VCD和VICC交互的完整過程如下：
　　
　　（發送）S1（起始位）2D（命令字節）40（FLAGS）
　　
　　20（讀扇區命令序號）01（扇區號）00
　　
　　（校驗LOWBYTE）F2（校驗HIGHBYTE）
　　
　　ES1（結束位）TRAN1（SCLOCK切換）
　　
　　（接收）S2（起始位）00（FLAGS）00（扇區安全狀態）
　　
　　31（數據1）32（數據2）33（數據3）34（數據4）BD7F（校驗）ES2（結束位）
　　
　　3.5關于反沖突算法
　　
　　ISO/IEC15693中描述的VICC反沖突算法非常費解，筆者通過實踐摸索解決了這個問題，此處作為一簡單說明。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。舉例說明，假如READER磁場范圍內有兩張卡，其UID分別是E00700000158D1D2和E0070000015869E8，這樣當READER采用NON-ADDRESSED模式指令去讀的時候，兩張卡均會回答，M_ERR線會跳變為高電平表示數據沖突。INVENTORY命令用來查詢當前磁場范圍內卡的卡號，專用用于解決沖突問題。其參數包括：FLAGS、COMMAND、MASKLENGTH、MASKVALUE。一種最簡單的情況，設定：FLAGS.6=Nb_slots_flag=1，MAKLENGTH=4，MASKVALUE=0，當命令序列發送后，MASKVALUE會被自動與卡的UID的最低位比較，因為0≠2≠8，所以兩張卡均不回答。同樣的命令，如果MASKVALUE=2，則第一張卡就會回答；當MASKVALUE=8時第二張卡回答。如果兩張卡的卡號是：E00700000158D1D2和E0070000015869E2，則當MASKLENGTH=4，MASKVALUE=2時兩張卡均回答，就會發生沖突。解決的方法是：令MASKLENGTH=8，MASKVALUE=X2，X從0到F自增。這樣，X2=D2時第一張卡回答，X2=E2時，第二張卡回答。依此類推。卡的UID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張卡的時間不超過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匯編語言編程并調試通過了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，進行一次分揀處理后打包成ASIC命令序列，并發送給VICC。然后，接收VICC的響應，進行一定的分揀處理后通過RS232發送給PC機。本文只描述有關與VICC通信的部分。程序見網絡補充版。　　
　　
　　
　　

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