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基于RI-R6C-001A IC與ISO15693標準的讀卡器設計
摘要：文中給出了采用TI公司最新的射頻收發器芯片RI-R6C-001A，并結合微處理器設計ISO/IEC15693讀卡器的具體方法，同時介紹了RI-R6C-001A的通信協議和ISO/IEC15693標準。關鍵詞：IC卡；射頻識別；ISO15693；讀卡器
１概述
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、以及從近距離到遠距離的過程。對于接觸卡（ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１６標準定義），讀卡機必須和卡的觸點接觸才能與卡進行信息交換，因此存在磨損嚴重、易受污染、壽命短、操作費時等缺點。為解決上述問題，人們開始采用非接觸式卡技術。
非接觸式卡又稱射頻卡或感應卡。它采用無線電調制方式和讀卡機進行信息交換。射頻識別?ＲＦＩＤ?技術是從九十年代興起的一項自動識別技術。它利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別目的并可進行數據交換。
ＲＦＩＤ與磁卡、ＩＣ卡等接觸式識別技術不同，ＲＦＩＤ系統的電子標簽和讀寫器之間無須物理接觸就可完成識別，因此它具有多目標識別、運動目標識別的特點。
目前ＩＳＯ／ＩＥＣ１０５３６定義的卡稱為密耦合卡；ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３定義的卡則是近耦合卡（ＰＩＣＣ），對應的讀卡機簡寫為ＰＣＤ；而ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３對應的卡是遙耦合卡（ＶＩＣＣ），對應的讀卡機簡寫為ＶＣＤ。ＶＩＣＣ比ＰＩＣＣ具有更遠的讀卡距離（為１ｍ左右），二者均采用１３．５６ＭＨｚ工作頻率，并都具有防沖突機制。
２硬件設計
圖１所示是一個射頻讀寫系統的工作原理圖，它主要由ＡＳＩＣ和ＶＩＣＣ兩部分組成。
２．１ＡＳＩＣ電路的工作原理
對于圖１所示的射頻讀寫系統，ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３－２所規定的ＶＣＤ與ＶＩＣＣ通信物理層協議全部可由ＡＳＩＣ芯片ＲＩ－Ｒ６Ｃ００１來實現，用戶通過同步串行接口（ＳＰＩ），并遵照ＡＳＣＩ的通信要求就可實現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，接收數據時則由ＡＳＩＣ控制，ＡＳＩＣ在時鐘的上升沿鎖存數據。ＤＯＵＴ除了具有在接收數據期間的數據輸出功能外，還有表征ＡＳＩＣ內部ＦＩＦＯ的功能。ＤＯＵＴ帶有內部下拉，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寄存器為空，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，系統還有一條Ｍ＿ＥＲＲ線，用于在同時讀多張卡的時候表征數據的沖突情況。同樣，Ｍ＿ＥＲＲ線也有內部下拉，平時為低電平，沖突時此線會升為高電平。
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要直接面向射頻信號處理，比較復雜，所以此種模式一般不用。普通模式和寄存器模式均為標準的數字信號操作，其區別在于規定芯片操作的一些參數不同（例如規定所采用的射頻協議、調制方式及傳輸速率是在命令序列中規定，還是由寄存器來設定的）。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來決定。若使ＲＩ－Ｒ６Ｃ－００１Ａ芯片正常工作，ＡＳＩＣ上電后必須首先初始化時間寄存器。
２．２ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ應答器
ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ應答器完全兼容于ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３標準協議。ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ應答器內有國際統一且不重復的８字節（６４ｂｉｔ）唯一識別內碼（Ｕｎｉｑｕｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ，簡稱ＵＩＤ）。圖２是ＵＩＤ唯一識別內碼的格式示意圖，其中第１～４８ｂｉｔ共６字節為生產廠商的產品編碼；第４９～５６ｂｉｔ的１個字節為廠商代碼（ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１６－６／ＡＭ１），最高字節固定為“ＥＯ”；８位ＡＦＩ（應用識別號）和８位ＤＳＦＩＤ（數據存儲格式）用來對卡和特定應用的特征進行標識。卡內有２ｋｂｉｔＥＥＰＲＯＭ，分成６４個塊，每塊３２個ｂｉｔ。每個塊均可以鎖定，以保護數據不被修改。ＡＦＩ、ＤＳＦＩＤ和３２個塊均可讀可寫，用以存儲用戶數據。ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ采用１３．５６ＭＨｚ的載波頻率，工作于“ＲＥＡＤＥＲＴＡＬＫＳＦＩＲＳＴ”模式，即一問一答的模式。卡內有防沖突機制，可以同時讀取多張卡而不會造成沖突。特別應當指出：ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ內沒有邏輯加密電路，無法實現密碼功能，也正是這一點限制了ＶＩＣＣ－Ｔａｇ－ｉｔ在其它保密性要求較高領域的應用。
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
圖３所示是該系統的命令序列時序圖。在普通模式下，該系統的命令序列結構如下：
起始位（S1）命令字（CMD）數據結束位（ES1）
起始位（Ｓ１）：收發器和微處理器之間的通信開始位，當ＳＣＬＯＣＫ位保持高電平時，將在ＤＩＮ產生一個上升沿（參見圖３）。
命令字節：用于規定ＡＳＩＣ與ＶＩＣＣ通訊時的有關參數。如果該端為３０Ｈ則表示該系統支持的射頻協議是ＩＳＯ１５６９３（２５６選１），采用ＦＭ調制方式，調制率１０％，返回數據波特率為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規定?這個數據一般發送到ＴＡＧ。
結束位（ＥＳ１）：收發器和微處理器之間的通信結束位，當ＳＣＬＯＣＫ位保持高電平時，將在ＤＩＮ產生一個下降沿（見圖３）。
通常在寄存器模式下，命令字節是１位，且該位為１。
ＩＳＯ１５６９３－３命令的一般格式如下：
起始位（S1）FLAGS命令順號命令內容CRC16結束位（ES1）
在ＩＳＯ１５６９３命令序列中，ＦＬＡＧＳ用于規定命令內容中某些可選域的存在。由于Ｓ１和ＥＳ１在ＡＳＩＣ命令序列中已經存在，所以只須把ＩＳＯ１５６９３命令序列中ＦＬＡＧＳ、命令序號、命令內容、ＣＲＣ１６等域的內容取出并填入ＡＳＩＣ序列中的數據域然后打包即可。數據域的發送順序為低位在先，即：ＬＳＢＦＩＲＳＴ。
３．２響應結構
圖４所示是ＶＩＣＣ的響應時序。ＶＩＣＣ響應的一般格式是：
起始位（S2）FLAGS響應內容CRC16結束位（ES2）
其中起始位Ｓ２用于表示ＶＩＣＣ響應數據的開始，其定義是當ＳＣＬＯＣＫ為高電平時，ＤＯＵＴ產生一個上升沿（參見圖４）。而結束位ＥＳ２則表示ＶＩＣＣ響應數據的結束。它被定義為當ＳＣＬＯＣＫ為高電平時，ＤＯＵＴ產生一個下降沿（如圖４）。
４結束語
考慮到命令字節（８位）發送的順序是ＭＳＢＦＩＲＳＴ，其它數據均是ＬＳＢＦＩＲＳＴ；而且“Ｓ１０１１１１０１１０００００００１１１０００ＥＳ１”是時間寄存器的初始化序列；同時，在命令發送過程中，雙向時鐘ＳＣＬＯＣＫ線由ＭＣＵ控制，因此，在接收ＶＩＣＣ響應之前必須進行時鐘線的切換，以將控制權交由ＡＳＩＣ控制。對于ＦＩＦＯ管理，發送每一位時都要檢測ＤＯＵＴ的電平，ＤＯＵＴ為高時停止發送，直到ＤＯＵＴ恢復到低電平為止。發送命令字節后，應適當延時，以利于ＡＳＩＣ正確動作，同時應考慮電路的抗干擾能力。對于ＩＳＯ１５６９３－３規定的ＦＬＡＧＳ、命令序列號、命令內容等字節，還應進行ＣＲＣ１６校驗。關于反碰撞問題，可采用“二進制搜索”算法并選用曼徹斯特編碼。為實現這種算法，需要一組命令并由應答器處理，同時應答器要擁有唯一的序列號（ＵＩＤ），例如磁場中有兩張卡，其ＵＩＤ分別是：“Ｅ００７０００００２３４Ｄ１Ｅ１”和“Ｅ００７０００００２３４Ｄ２Ｄ８”，那么，用命令來查詢當前磁場范圍內卡的卡號，就能很好的解決碰撞問題。
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