采用射频标签多协议芯片实现RFID阅读器的设计
概述
近年来随着微电子技术的不断发展，半导体技术和集成电路技术也在迅速发展。目前，ic卡已经深入到社会生活的各个角落，各种各样的卡大大方便了人们的生活，如银行使用的信用卡、公交车使用的交通卡、食堂使用的就餐卡、出入管理使用的考勤卡、打电话使用的电话卡、手机中使用的sim卡等。ic卡又称为集成电路卡。卡片内封装有集成电路，用以存储和处理数据。在ic卡的发展过程中正在经历从存储卡到智能卡，从接触式卡到非接触式卡，从近距离卡到远距离卡的过渡，与之相应的，能够读取卡内信息的阅读器也在不断的发展和更新。非接触式卡又称射频卡（应答器），使用无线电调制方式和阅读器进行信息交换。
射频识别技术是二十世纪九十年代兴起的一项自动识别技术，它利用无线电射频方式进行非接触式双向通信。rfid（radio frequency identification）系统中射频卡（应答器）与阅读器之间无需物理接触即可完成识别，可实现多目标识别和运动目标识别，应用范围更加广泛。图1是阅读器和应答器组成的一个完整射频系统：
从射频系统中可以看出阅读器的重要性及它的功能，在整个通信过程中阅读器起到桥梁的作用。
硬件设计
考虑到阅读器在系统中要完成的工作主要是从射频卡读取数据，并将数据经相应的处理后送给主机。在设计时按功能对阅读器进行模块化设计，图2是阅读器的内部功能框图。图中阅读器分为射频卡数据读取部分（射频部分）、控制电路部分、主机接口电路部分。
控制部分
此控制部分是为了辅助ri-r6c-001a工作，因为ri-r6c-001a芯片要正常工作，完成射频阅读器的功能，不但需要有外围电路，而且还需要有控制器对其进行适当的控制。在此设计中选用了pic16f874单片机作为控制器，由于此单片机有丰富的位操作指令，有spi串行口，精简的指令集，能够很容易的模拟ri-r6c-001a传送数据的时序以及时钟切换时序。由于ri-r6c-001a对外只提供 四个引脚dout、din、sclock、m-err，所以控制器的接口电路相对较简单。dout、din、sclock三个引脚分别连接到单片机的spi串行口sdi、sdo、sck三根线上，用来实现数据的串行传输。m-err引脚用来检测接收到射频卡中的数据是否发生错误，若有错误此引脚变为高电平，因此把该引脚接到单片机的外部中断输入引脚端，用于检测接收数据是否有错误，进而单片机对其做出相应的处理。由于ri-r6c-001a在接收射频卡中的数据并把它发送给控制器时，要求控制器要对其发送数据是否结束做出判断，并且ri-r6c-001a不发送数据时就不再送时钟，所以在此电路设计中把ri-r6c-001a的sclock引脚也接到了具有电压变化中断功能的rb4引脚，此引脚外接一个二极管，与软件结合起来，要求当控制器供应时钟时，rb4引脚处于高电平输出状态，经过二极管，rb4引脚不会输入时钟；当ri-r6c-001a供应时钟时 ，rb4引脚处于输入状态，sclock信号输入此引脚，从而可以对发送数据是否结束作出相应的判断。
射频部分
ri-r6c-001a芯片是ti公司最新开发的针对ic卡读写的多协议收发器，支持的协议包括： tag-it协议、iso/iec 15693-2、iso/iec 14443-2（type a）。该收发器由发送器，接收器，电源供应，参考时钟和内部振荡器，默认的复位设置和电源管理，串行通信接口等几部分组成。该芯片通常是＋5v供电，采用ssop20封装，内部封装有发送编码器，调制器，接收器和解调器，典型发送功率200mw，有idle、power down、full power三种电源管理功能。它提供给用户数字接口的信号线为din、dout、sclock，通过这三根线可完成控制器与ri-r6c-001a芯片之间的数据传输。当ri-r6c-001a要发送数据时，时钟由单片机控制，当它要接收数据时，时钟由该芯片控制。 dout除了在接收数据期间有把接收到的数据输出给单片机的功能外，还用来表征ri-r6c-001a内部fifo的情况。dout内部下拉，平时为低电平。输入数据过程中，当ri-r6c-001a的16位fifo寄存器满时，dout线会自动跳变为高电平，直到fifo寄存器空，dout线又会跳变为低电平。在软件设计时单片机每发一位数据都要检测dout的状态。在dout为高电平期间，输入数据无效。
射频电路由三大部分组成（见图4）：ri-r6c-001a应用电路，与单片机相连的接口电路，天线发送。接收电路：在ri-r6c-001a应用电路中，l1、l2、c2组成的t型网络以及l3、c9组成的lc网络都是起到滤波的效果，使ri-r6c-001a通过天线接收的数据不至于流向发送端tx-out，因为此芯片发送数据时频率是13.56mhz，而接收的信号的载波频率是13.56mhz/28和13.56mhz/32（fm）或者13.56mhz/32（am），r-mod端的电阻r2决定发送信号的调制深度；r3、l4、c10、c11组成串联谐振电路，匹配阻抗50 ，可调电容c11用来准确调整电路谐振点在13.56mhz。这一设计有利于阅读器正确的收发信息。
系统工作过程
接收数据过程
单片机与ri-r6c-001a之间通信必须遵循tag-it协议或iso/iec 15693，其中tag-it是ti公司最新开发的rfid transponder（应答器）的注册商标，是一个产品系列。tag-it完全和iso/iec15693兼容，tag-it应答器与阅读器之间是半双工通信，首先阅读器主动发一个请求（包含命令和参数），应答器被动发一个应答（包含发送的数据和状态）。 在软件设计上必须让单片机发送数据和接收数据满足ri-r6c-001a的通信要求。由单片机发给ri-r6c-001a的命令序列必须符合以下格式：
s1表示传输开始，长度为1位；cmd表示命令字节，长度为8位或1位，8位用于普通模式，1位用于寄存器模式；es1表示传输停止。命令字节：规定ri-r6c-001a与应答器通信时的有关参数，例如：支持的射频协议，调制方式，调制深度，波特率等。普通模式在每次通信时命令序列中都要包含使用的有关参数，而寄存器模式命令序列中并不含这些参数，而是由预先写入配置寄存器中的数值所决定；数据位是根据通信时的要求定的，数据位的顺序由iso15693-3或者tag-it协议所规定，具体采用哪一种射频协议使阅读器与应答器通信由cmd中指定， 因此数据位是任意的，且长短根据要求通信的信息而定。单片机的spi口正好能满足这一要求。由于spi口没有开始和停止位，为了满足ri-r6c-001a开始和停止位的要求，起始位是通过在启动spi口之前直接用位操作指令先对din置低，然后对sclock置高，再把din置高从而表示开始接收数据的起始位，然后启动spi接口传输数据； 停止位是通过在数据传输结束后把spi口引脚变成通用的i/o引脚，用位操作指令先把din、sclock置高，再把din置低，表示传输数据结束。数据位：ri-r6c-001a接收单片机发来的数据时是在每个时钟sclock的上升沿锁存数据，并且要求数据位的值必须被建立且sclock为高电平时数据保持不变，也就是说要求单片机在时钟的下降沿送出数据，在时钟的上升沿数据是稳定的，可供阅读器对输入的数据进行锁存，因此对控制器spi口相关寄存器sspcon和sspstat进行适当设置就可以满足此要求。
数据传送
单片机要接收ri-r6c-001a发过来的数据，首先在时序上必须满足ri-r6c-001a发送数据时序的要求，见图5。发送数据时，是在每个时钟的上升沿送出数据，在每个时钟的下降沿数据稳定，因此单片机应该在时钟的下降沿采样数据，这同样可以通过设置sspcon和sspstat寄存器来实现。
时钟切换
需要注意的是，当单片机由发送转换为接收过程中，它同时由主动转化为被动，由发送时钟转换为接收时钟，这里有时钟切换问题，应满足图6所示时序图关系。
由时序图知当单片机传输数据es1结束后（在a时刻）把spi用到的引脚设置为通用i/o引脚，要进行时钟的切换，在第一个tran期间，通过位操作指令先把sclock=0，再让din引脚出现一个正脉冲（b时刻到c时刻），单片机就把时钟控制权交给了ri-r6c-001a，d时刻表明在ri-r6c-001a控制sclock的时间内din引脚为高电平，注意在阅读器给单片机送数据时，din引脚一直保持高电平，一旦它不再送数据，同时也不再送时钟， 在编程时可以检测单片机的时钟输入端是否由时钟输入，从而决定阅读器是否还在给单片机发送数据。当阅读器控制sclock时，它将发送一个s2对应于应答器发送过来的sof，2bit数据和一个es2对应于应答器发送过来的eof。在第二个tran期间可再次通过位操作指令让din引脚上产生一个正脉冲，此时单片机就收回了控制权，然后按第一次发数据的方式发数据。 在单片机接收dout引脚上数据的过程中，通过对单片机中与spi接口有关的寄存器的设置，可以让单片机在输入的每位数据的有效时间中间采样数据，这一设置正好与ri-r6c-001a输出数据的时序相吻合，注意在每次时钟切换的过程中，sclock都是为低电平的。
结束语
通过利用pc机，仿真器以及mplab ice集成开发环境完成了软件的调试，软件的主要功能包括：从单片机发送符合ri-r6c-001a所要求的命令，数据。ri-r6c-001a收到这些数据进行处理，加上sof和eof后，以请求的形式发送给应答器，并接收应答器以应答的形式发来的数据，进行处理后再通过输出引脚dout 送给单片机，在编程时采用了模块式的结构，利用pic16f87x汇编和c语言进行写的程序。
该系统经过测试，已经可以使用，如果硬件和软件设计合理，进一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、读写电路简单，应用必然会更加广泛。
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射频识别技术是二十世纪九十年代兴起的一项自动识别技术，它利用无线电射频方式进行非接触式双向通信。rfid（radio frequency identification）系统中射频卡（应答器）与阅读器之间无需物理接触即可完成识别，可实现多目标识别和运动目标识别，应用范围更加广泛。图1是阅读器和应答器组成的一个完整射频系统：
从射频系统中可以看出阅读器的重要性及它的功能，在整个通信过程中阅读器起到桥梁的作用。
硬件设计
考虑到阅读器在系统中要完成的工作主要是从射频卡读取数据，并将数据经相应的处理后送给主机。在设计时按功能对阅读器进行模块化设计，图2是阅读器的内部功能框图。图中阅读器分为射频卡数据读取部分（射频部分）、控制电路部分、主机接口电路部分。
控制部分
此控制部分是为了辅助ri-r6c-001a工作，因为ri-r6c-001a芯片要正常工作，完成射频阅读器的功能，不但需要有外围电路，而且还需要有控制器对其进行适当的控制。在此设计中选用了pic16f874单片机作为控制器，由于此单片机有丰富的位操作指令，有spi串行口，精简的指令集，能够很容易的模拟ri-r6c-001a传送数据的时序以及时钟切换时序。由于ri-r6c-001a对外只提供 四个引脚dout、din、sclock、m-err，所以控制器的接口电路相对较简单。dout、din、sclock三个引脚分别连接到单片机的spi串行口sdi、sdo、sck三根线上，用来实现数据的串行传输。m-err引脚用来检测接收到射频卡中的数据是否发生错误，若有错误此引脚变为高电平，因此把该引脚接到单片机的外部中断输入引脚端，用于检测接收数据是否有错误，进而单片机对其做出相应的处理。由于ri-r6c-001a在接收射频卡中的数据并把它发送给控制器时，要求控制器要对其发送数据是否结束做出判断，并且ri-r6c-001a不发送数据时就不再送时钟，所以在此电路设计中把ri-r6c-001a的sclock引脚也接到了具有电压变化中断功能的rb4引脚，此引脚外接一个二极管，与软件结合起来，要求当控制器供应时钟时，rb4引脚处于高电平输出状态，经过二极管，rb4引脚不会输入时钟；当ri-r6c-001a供应时钟时 ，rb4引脚处于输入状态，sclock信号输入此引脚，从而可以对发送数据是否结束作出相应的判断。
射频部分
ri-r6c-001a芯片是ti公司最新开发的针对ic卡读写的多协议收发器，支持的协议包括： tag-it协议、iso/iec 15693-2、iso/iec 14443-2（type a）。该收发器由发送器，接收器，电源供应，参考时钟和内部振荡器，默认的复位设置和电源管理，串行通信接口等几部分组成。该芯片通常是＋5v供电，采用ssop20封装，内部封装有发送编码器，调制器，接收器和解调器，典型发送功率200mw，有idle、power down、full power三种电源管理功能。它提供给用户数字接口的信号线为din、dout、sclock，通过这三根线可完成控制器与ri-r6c-001a芯片之间的数据传输。当ri-r6c-001a要发送数据时，时钟由单片机控制，当它要接收数据时，时钟由该芯片控制。 dout除了在接收数据期间有把接收到的数据输出给单片机的功能外，还用来表征ri-r6c-001a内部fifo的情况。dout内部下拉，平时为低电平。输入数据过程中，当ri-r6c-001a的16位fifo寄存器满时，dout线会自动跳变为高电平，直到fifo寄存器空，dout线又会跳变为低电平。在软件设计时单片机每发一位数据都要检测dout的状态。在dout为高电平期间，输入数据无效。
射频电路由三大部分组成（见图4）：ri-r6c-001a应用电路，与单片机相连的接口电路，天线发送。接收电路：在ri-r6c-001a应用电路中，l1、l2、c2组成的t型网络以及l3、c9组成的lc网络都是起到滤波的效果，使ri-r6c-001a通过天线接收的数据不至于流向发送端tx-out，因为此芯片发送数据时频率是13.56mhz，而接收的信号的载波频率是13.56mhz/28和13.56mhz/32（fm）或者13.56mhz/32（am），r-mod端的电阻r2决定发送信号的调制深度；r3、l4、c10、c11组成串联谐振电路，匹配阻抗50 ，可调电容c11用来准确调整电路谐振点在13.56mhz。这一设计有利于阅读器正确的收发信息。
系统工作过程
接收数据过程
单片机与ri-r6c-001a之间通信必须遵循tag-it协议或iso/iec 15693，其中tag-it是ti公司最新开发的rfid transponder（应答器）的注册商标，是一个产品系列。tag-it完全和iso/iec15693兼容，tag-it应答器与阅读器之间是半双工通信，首先阅读器主动发一个请求（包含命令和参数），应答器被动发一个应答（包含发送的数据和状态）。 在软件设计上必须让单片机发送数据和接收数据满足ri-r6c-001a的通信要求。由单片机发给ri-r6c-001a的命令序列必须符合以下格式：
s1表示传输开始，长度为1位；cmd表示命令字节，长度为8位或1位，8位用于普通模式，1位用于寄存器模式；es1表示传输停止。命令字节：规定ri-r6c-001a与应答器通信时的有关参数，例如：支持的射频协议，调制方式，调制深度，波特率等。普通模式在每次通信时命令序列中都要包含使用的有关参数，而寄存器模式命令序列中并不含这些参数，而是由预先写入配置寄存器中的数值所决定；数据位是根据通信时的要求定的，数据位的顺序由iso15693-3或者tag-it协议所规定，具体采用哪一种射频协议使阅读器与应答器通信由cmd中指定， 因此数据位是任意的，且长短根据要求通信的信息而定。单片机的spi口正好能满足这一要求。由于spi口没有开始和停止位，为了满足ri-r6c-001a开始和停止位的要求，起始位是通过在启动spi口之前直接用位操作指令先对din置低，然后对sclock置高，再把din置高从而表示开始接收数据的起始位，然后启动spi接口传输数据； 停止位是通过在数据传输结束后把spi口引脚变成通用的i/o引脚，用位操作指令先把din、sclock置高，再把din置低，表示传输数据结束。数据位：ri-r6c-001a接收单片机发来的数据时是在每个时钟sclock的上升沿锁存数据，并且要求数据位的值必须被建立且sclock为高电平时数据保持不变，也就是说要求单片机在时钟的下降沿送出数据，在时钟的上升沿数据是稳定的，可供阅读器对输入的数据进行锁存，因此对控制器spi口相关寄存器sspcon和sspstat进行适当设置就可以满足此要求。
数据传送
单片机要接收ri-r6c-001a发过来的数据，首先在时序上必须满足ri-r6c-001a发送数据时序的要求，见图5。发送数据时，是在每个时钟的上升沿送出数据，在每个时钟的下降沿数据稳定，因此单片机应该在时钟的下降沿采样数据，这同样可以通过设置sspcon和sspstat寄存器来实现。
时钟切换
需要注意的是，当单片机由发送转换为接收过程中，它同时由主动转化为被动，由发送时钟转换为接收时钟，这里有时钟切换问题，应满足图6所示时序图关系。
由时序图知当单片机传输数据es1结束后（在a时刻）把spi用到的引脚设置为通用i/o引脚，要进行时钟的切换，在第一个tran期间，通过位操作指令先把sclock=0，再让din引脚出现一个正脉冲（b时刻到c时刻），单片机就把时钟控制权交给了ri-r6c-001a，d时刻表明在ri-r6c-001a控制sclock的时间内din引脚为高电平，注意在阅读器给单片机送数据时，din引脚一直保持高电平，一旦它不再送数据，同时也不再送时钟， 在编程时可以检测单片机的时钟输入端是否由时钟输入，从而决定阅读器是否还在给单片机发送数据。当阅读器控制sclock时，它将发送一个s2对应于应答器发送过来的sof，2bit数据和一个es2对应于应答器发送过来的eof。在第二个tran期间可再次通过位操作指令让din引脚上产生一个正脉冲，此时单片机就收回了控制权，然后按第一次发数据的方式发数据。 在单片机接收dout引脚上数据的过程中，通过对单片机中与spi接口有关的寄存器的设置，可以让单片机在输入的每位数据的有效时间中间采样数据，这一设置正好与ri-r6c-001a输出数据的时序相吻合，注意在每次时钟切换的过程中，sclock都是为低电平的。
结束语
通过利用pc机，仿真器以及mplab ice集成开发环境完成了软件的调试，软件的主要功能包括：从单片机发送符合ri-r6c-001a所要求的命令，数据。ri-r6c-001a收到这些数据进行处理，加上sof和eof后，以请求的形式发送给应答器，并接收应答器以应答的形式发来的数据，进行处理后再通过输出引脚dout 送给单片机，在编程时采用了模块式的结构，利用pic16f87x汇编和c语言进行写的程序。
该系统经过测试，已经可以使用，如果硬件和软件设计合理，进一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、读写电路简单，应用必然会更加广泛。
防爆、防盐雾等特殊环境下,定制化工业交换机有哪些优势？
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6月9日，光亚展雷达炫酷“芯”体验
水下仿生扑翼机器人的驱动控制研究
浅谈固体柜推广营销的情况下会受制约的层面
安科瑞ARTU遥信单元多回路开关控制装置
手机摄影-华为P10更显艺术范儿！
关于热处理分布式监控系统理念和实施
有源负载基本知识
关于智慧餐厅的方案设计的说明和解读
什么是 DDR5？SDRAM 技术发展历程
魅族MX6促销：售价1299元
AEC-Q200各种实施标准检测介绍
手机锂电池保护板测试可选用大电流弹片微针模组
LoRaWAN终成全球物联网标准；利尔达与Everynet达成战略合作