基于S6700芯片与ISO/IEC15693标准的读卡器设计_单片机论文
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。//www.dpj.com.cn。