基于S6700芯片与ISO/IEC15693标准的读卡器设计

liyf

基于S6700芯片与ISO/IEC15693标准的读卡器设计


摘要：采用TI公司最新的多协议收发器芯片S6700，结合MCU设计了ISO/IEC15693读卡器，介绍S6700通信协议和ISO/IEC15693标准，给出部分子程序。S6700和MCU的接口非常简单。    关键词：IC卡 RFID ISO/IEC15693 读卡器
1 综述
自从20世纪70年代IC卡诞生以来，在飞速发展的微电子技术的带动下，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：银行的食堂卡、信用卡，公交车使用的交通卡，就餐使用的食堂卡，出入管理使用的考勤卡，打电话使用的付费电话卡，手机中使用的SIM卡等等。
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。IC卡的发展经历了从存储卡到智能卡，从接触式卡到非接触式卡，从近距离到远距离的过程。ISO/IEC7816标准定义的卡是接触卡，读卡机具必须和卡的触点接触才能和和卡进行信息交换，所以磨损严重，容易受污染，使用寿命低，操作速度慢。为此，非接触式卡技术迎刃而生。非接触式卡又称射频卡、感应卡，采用无线电调制方式和读卡机具进行信息交换。ISO/IEC10536定义的卡称为密耦合卡；ISO/IEC 14443定义的卡是近耦合卡（PICC），对应读卡机具简写为PCD；ISO/IEC15693对应的卡是遥耦合卡（VICC），对应的读卡机具简写为VCD。VICC比PICC具有更远的读卡距离，二者均采用13.56MHz工作频率，均具有防冲突机制。
图1所示的框图简单表示了射频卡读写系统的工作原理。
2 硬件设计
2.1 S6700芯片
S6700芯片是TI公司最新开发的针对IC卡读写的多协议收发器。它提供给用户数字接口，所以应用非常方便。ASIC能够支持的协议包括：TI TAGIT协议、ISO/IEC 15693-2、ISO/IEC 14443-2（TYPE A）等。S6700采用SSOP20封装，+5V供电，内部封装有发送调制器和接收解调器，采和曼彻斯特编码方式，典型发送功率200mW，其ESD保护符合MILSTD-883标准，有IDLE、POWER DOWN、FULL POWER三种电源管理功能。
笔者利用该ASIC结合MCU完整的实现了ISO/IEC 15693-3所规定的对VICC操作上层协议。
ISO/IEC 15693-2所规定的VCD与VICC通信物理层协议全部由ASIC实现，用户通过同步串行接口（SPI）遵照ASCI的通信求和ASIC打交道就可以实现VICC的读写操作。MCU和ASIC的通信接口有三根线：SCLOCK、DIN、DOUT，分别代表时钟线、数据输入线、数据输出线。时钟线是双向的，发送数据时由MCU控制，接收数据时由ASIC控制，在时钟的上升沿ASIC锁存数据。DOUT除了在接收数据期间的数据输出功能外，还用来表征ASIC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ASIC的16位FIFO寄存器满时，DOUT线会自动跳变为高电平，直到FIFO寄存器空出，DOUT线又会跳变为低电平。在DOUT为高电平期间，输入数据无效。除了通信线外，M_ERR线用来在同时读多张卡的时候表征数据的冲突情况。同样，M_RR线内部下拉，平时为低电平，冲突时此线会升为高电平。


图2
    所设计的应用电路如图2所示。图2中包括三个部分：ASIC典型应用电路、与MCU接口电路和天线电路。R2、L1、C5、C6组成串联谐振电路，匹配阻抗50Ω，可调电容C6用来准确调整电路谐振点在13.56MHz。如果认为ASIC 200mW输出功率不足，也可以再加一级功放电路，以提高读写距离。
对ASIC的操作有三种模式：普通模式、寄存器模式和直接模式。直接模式下，MCU要直接面向处理射频信号，比较复杂，所以此种模式一般不用。普通模式和寄存器模式操作的均是标准的数字信号，其不同在于规定芯片操作的一些参数，例如：所采用的射频协议、调制方式及传输速率是由命令序列中规定的还是由寄存器所设定的。普通模式每条指令均含有该指令使用的参数，而寄存器模式指令序列中并不含这些参数，而是由预先写入的寄存器中的数值所决定。注意，ASIC上电后必须首先初始化时间寄存器，芯片才能正常工作。
2.2 VICC——Tag-it HF-1应答器
Tag-it是TI公司为其最新开发的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，是VICC的一种。按TI的设想，Tag-it主要应用在智能标签领域内，例如：特快专递、航空行李管理，电子门票等等。
Tag-it内有64位的UID（卡号）和8位的AFI（应用识别号）、8位的DSFID（数据存储格式），用来标识卡和特定应用的特征。卡内有2Kbit EEPROM，分成64个块，每个块32个bit。每个块均可以锁定，以保护数据免予修改。AFI、DSFID和32个块均可读可写，用以存储用户的数据。Tag-it采用13.56MHz的载波频率，工作于“READER TALKS FIRST”模式下，即：一问一答的模式。卡内有防冲突机制，可以同时读多张卡而不会造成冲突。
事实上一张卡可以有多种应用，不同的块可以存储不同应用的数据，即所谓的“一卡通”。遗憾的是，Tag-it内没有逻辑加密电路，无法实现密码功能，这限制了Tag-it在其它保密性要求较高的领域的应用。
3 通信协议
发给ASIC的命令序列必须符合ASIC通信协议和ISO/IEC15693-3规范。
3.1 命令结构
在普通模式下，命令序列结构如下：

起如位S1

命令字节（8位）*

数据

结束位ES1

*在寄存器模式下，命令字节是1位，且该位为1。
*起邕位S1：起始位波形是当SCLOCK位高电平时DIN发生一个上升沿。
*命令字节：规定ASIC与VICC通讯时的有关参数。例如，2DH，表示支持的射频协议是15693（1 out of 4），AM调制方式，调制率100%，返回数据波特率6.67kb/s。注意：命令字节的发送顺序是高位在先，即：MSB FIRST。
*数据：数据域内容由15693-3所规定。
15693-3命令的一般格式是：

起始位S1

FLAGS

命令序号

命令内容

CRC16

结束位ES1

15693命令序列中，FLAGS规定着命令内容中某些可选域存在与否。注意到S1和ES1在ASIC命令序列中已经存在，所以只须把15693命令序列中FLAGS、命令序号、命令内容、CRC16等域的内容取出填入ASIC序列中的数据域打包。注意：数据域的发送顺序是低位在先，即：LSB FIRST。
例如：发送字节20H的波形是：

    *结束位ES1：结束位波形是当SCLOCK高电平时DIN发生一个下跳沿。

3.2 响应结构
VICC响应的一般格式是：

起始位S2

FLAGS

响应内容

CRC16

结束位ES2

*起台位S2：表示VICC响应数据的开始，定义为当SCLOCK为高电平时DOUT发生一个上升沿。

*结束位ES2：表示VICC响应数据的结束，定义为当SCLOCK为高电平时DOUT发生一个下降沿。

3.3 通信过程注意的问题
①时间寄存器初始化。初始化序列是：S1 01111011 00000001 11000ES1。
②发送顺序。命令字节（8位）发送的顺序是MSB FIRST，其它数据均是LSB FIRST。
③FIFO管理。发送每一位时都要检测DOUT的电平。DOUT高电平时停止发送，直到DOUT恢复为低电平。
④时钟线切换。命令发送过程中，双向时钟SCLOCK线由MCU控制，发送完毕，在接收VICC响应之前必须进行时钟线的切换，将控制权交由ASIC控制。
MCU放弃时钟线控制波形（TRAN1）：

MCU获得时线控制波形（TRAN2）：

⑤CRC校验。CRC16校验是对15693-3规定的FLAGS、命令序列号、命令内容等字节的校验，不包括起始位和命令字节（8位）。
⑥适当延时。例如：发送命令字节后适当延时约100μs，以利ASIC正确动作。
3.4 举例
以读一个扇区为例，采用普通模式，VCD和VICC交互的完整过程如下：
（发送）S1（起始位）2D（命令字节）40（FLAGS）
20（读扇区命令序号）01（扇区号）00
（校验LOW BYTE）F2（校验HIGH BYTE）
ES1（结束位）TRAN1（SCLOCK切换）
（接收）S2（起始位）00（FLAGS）00（扇区安全状态）
31（数据1）32（数据2）33（数据3）34（数据4）BD 7F（校验）ES2（结束位）
3.5 关于反冲突算法
ISO/IEC 15693中描述的VICC反冲突算法非常费解，笔者通过实践摸索解决了这个问题，此处作为一简单说明。该算法基本上是一种搜索算法，卡内相对应的是一种比较应答机制。举例说明，假如READER磁场范围内有两张卡，其UID分别是E00700000158D1D2和E0070000015869E8，这样当READER采用NON-ADDRESSED模式指令去读的时候，两张卡均会回答，M_ERR线会跳变为高电平表示数据冲突。INVENTORY命令用来查询当前磁场范围内卡的卡号，专用用于解决冲突问题。其参数包括：FLAGS、COMMAND、MASKLENGTH、MASKVALUE。一种最简单的情况，设定：FLAGS.6=Nb_slots_flag=1，MAKLENGTH=4，MASKVALUE=0，当命令序列发送后，MASKVALUE会被自动与卡的UID的最低位比较，因为0≠2≠8，所以两张卡均不回答。同样的命令，如果MASKVALUE=2，则第一张卡就会回答；当MASKVALUE=8时第二张卡回答。如果两张卡的卡号是：E00700000158D1D2和E0070000015869E2，则当MASKLENGTH=4，MASKVALUE=2时两张卡均回答，就会发生冲突。解决的方法是：令MASKLENGTH=8，MASKVALUE=X2，X从0到F自增。这样，X2=D2时第一张卡回答，X2=E2时，第二张卡回答。依此类推。卡的UID最低位冲突的概率为62‰，最低两位冲突的榔为4‰。理解了此算法，就很容易理解标准中所描述的复杂算法。笔者采用这种逐位搜索算法编的读多卡程序，连续读3张卡的时间不超过500ms。
4 软件设计
笔者利用仿真器和PC机作为调试工具，采用8051汇编语言编程并调试通过了ISO/IEC15693-3所要求的所有命令。软件的主要功能包括：从PCRS232口接收命令数据，进行一次分拣处理后打包成ASIC命令序列，并发送给VICC。然后，接收VICC的响应，进行一定的分拣处理后通过RS232发送给PC机。本文只描述有关与VICC通信的部分。程序见网络补充版。http://www.dpj.com.cn。

李小路

谢谢分享！