基于TRF7960的多協(xié)議射頻讀卡器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一款基于TRF7960和STCllF32XE單片機(jī)的多協(xié)議自適應(yīng)功能的射頻讀卡器，給出了射頻讀卡器的具體硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，并對設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)作了分析。該讀卡器支持多協(xié)議，支持防碰撞和多標(biāo)簽識別，功能完備，操作靈活，可以為各種RFID應(yīng)用提供靈活有效的解決方案，同時也可為學(xué)習(xí)RFID技術(shù)的人員提供一個多協(xié)議、低價位的開發(fā)平臺。
關(guān)鍵詞：TRF7960；ISO14443；ISO15693；STCllF32XE；W25X80；PL2303

引言
    無線射頻識別技術(shù)(RFID)作為一項(xiàng)先進(jìn)的自動識別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)制造、物流管理、公共安全等各個領(lǐng)域，并帶動了讀寫機(jī)具和各類應(yīng)用產(chǎn)品及系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。目前，在我國應(yīng)用于13．56 MHz的無線射頻識別技術(shù)領(lǐng)域主要有2個ISO標(biāo)準(zhǔn)，一個是IS014443，另一個是ISO15693。ISO14443定義了TYPE A、TYPE B兩種類型協(xié)議，通信速率為106 kb／s，它們的區(qū)別主要在于載波的調(diào)制深度及位的編碼方式。ISO15693讀寫距離較遠(yuǎn)，而ISO14443讀寫距離稍近，但后者應(yīng)用較廣泛。這三種協(xié)議的卡在各個領(lǐng)域都有著比
較廣泛的應(yīng)用，而國內(nèi)現(xiàn)有的13．56 MHz的射頻讀卡器，一般僅支持一種協(xié)議，且功能較為單一?；谶@種現(xiàn)狀，本文提出了基于TI公司的TRF7960射頻芯片和宏晶公司的STCllF32XE高速單片機(jī)來設(shè)計(jì)多協(xié)議射頻讀卡器的設(shè)計(jì)方案。在該讀卡器上擴(kuò)展了點(diǎn)陣圖形液晶LCD和串行存儲器W25X80以及USB芯片PL2303等外圍設(shè)備。LCD可以顯示各種圖形和漢字，串行存儲器用來存儲點(diǎn)陣字庫、圖形庫等，USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過該USB接口和PC管理軟件通信。該讀卡器使用方便，簡單，成本低，電路運(yùn)行穩(wěn)定，可以應(yīng)用到各種場合。

1 讀卡器的硬件設(shè)計(jì)
    STCllF32XE單片機(jī)是宏晶科技公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單時鐘／機(jī)器周期(IT)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，可用在高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾等場合。STCllF32XE內(nèi)部有32 KB的Flash，29 KB的EEPROM和1 280字節(jié)的SRAM。本文采用的STCllF32XE是LQFP-44引腳，除了EA、ALE、PSEN和RST引腳可以定義為通用I／O外，還多了1個P4口。編程支持ISP下載功能，使用起來比較方便。
    TRF7960是TI(德州儀器)公司推出的高頻(13．56MHz)多標(biāo)準(zhǔn)射頻識別(RFID)閱讀器IC產(chǎn)品系列之一。TRF7960采用超小32-pin QFN的高級封裝設(shè)計(jì)，支持ISO／IEC 14443A／B、ISO／IEC 15693、ISO／IEC 18000-3以及TI公司的非接觸支付商務(wù)與Tag-It應(yīng)答器產(chǎn)品系列。采用TRF7960的讀卡器為微控制器提供了內(nèi)部時鐘，只需1個13．56 MHz的晶振就能工作，而不需要2個標(biāo)準(zhǔn)晶體，從而有助于降低終端讀卡器產(chǎn)品的總物料單成本。由于組件很少，讀卡器IC耗電、占用的空間也很少，因此可以解決敏感度和噪聲衰減問題。其他集成功能還包括故障檢查、數(shù)據(jù)格式化、成幀以及適合多讀卡器環(huán)境的防碰撞支持等。TRF7960與微控制器之間通信可以使用8位并行或者串行(SPI)的靈活的通信方式。該芯片還具有寬泛的操作電壓(2．7～5．5 V)。TRF7960非常適用于安全訪問控制、產(chǎn)品認(rèn)證以及非接觸支付系統(tǒng)等應(yīng)用。
    為了使用STCllF32XE單片機(jī)內(nèi)部1 KB的擴(kuò)展SRAM，此處采用的是8位并行模擬總線接口方式，用單片機(jī)的P1口和TRF7960的DO～D7相連，用P2．6、P2．7、P3．2作為控制線分別和TRF7960的DATA CLK、EN、IRQ引腳相連。需要注意，為了使TRF7960通信接口支持5 V的邏輯電平，應(yīng)該把TRF7960的VDD_I／O引腳接5 V電壓。采用模擬總線方式是一種通用的方法，特別是對于不支持總線擴(kuò)展的單片機(jī)更為重要。該設(shè)計(jì)中使用模擬總線的方式可防止TRF7960和單片機(jī)內(nèi)部的SRAM發(fā)生總線沖突。圖1是讀卡器的系統(tǒng)硬件原理圖。

    PL2303是Prolific：公司生產(chǎn)的USB總線轉(zhuǎn)接芯片，可以實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串行口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線。PL2303完全兼容USBl．1、USB2．0；3～5 V調(diào)節(jié)輸出，可以滿足不同的電壓輸出接口；全雙工發(fā)送和接收(RXD、TXD)；MODEM控制線(RTS、CTS、DTR、DSR、DCD和RI)；5、6、7或8位數(shù)據(jù)格式；奇偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)；1位、1位半或2位停止位；可編程的波特率75 b／s～6 Mb／s等。因此，PL2303是移動系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的理想選擇，其小封裝能夠嵌入任何連接件和手持設(shè)備。PL2303在工作模式和休眠模式都具有很低的功耗，非常適合總線供電場合使用。USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過該USB接口和PC管理軟件通信。
    顯示屏采用的是基于ST7565S控制器的圖形點(diǎn)陣LCD模塊，分辨率為128×64，支持串行接口，不帶漢字庫。為了能使該讀卡器可以應(yīng)用在諸如圖書館圖書管理方面和其他需要需要漢字顯示的場合，采用華邦公司生產(chǎn)的串行存儲器W25X80，自行設(shè)計(jì)了GB2312漢字庫和其他圖片庫。串行Flash存儲器以其體積小、密度高、功耗低、價位低、操作簡單而備受青睞，Winbond公司生產(chǎn)的Flash存儲器W25X80為8 Mb串行Fla-sh，大小為1 MB，分為4096頁，每頁為256字節(jié)的存儲單元，且?guī)в?56個字節(jié)的緩沖區(qū)，SPI的接口方式。使用Flash自行設(shè)計(jì)漢字庫不僅操作十分簡單，并且可以靈活地適用于多個設(shè)計(jì)方案。
    系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的地方如下：
    ①盡量讓濾波電容靠近芯片，特別是10 nF的電容，這樣對高頻信號進(jìn)行有效的濾波；
    ②盡量減少布線地的回路，所以要求接地的過孔盡量靠近元器件或者IC的接地端；
    ③2個電感的放置應(yīng)該成90°的方向，這樣主要減少2個電感之間的耦合；
    ④數(shù)字地和模擬地最好是在不同的地方，最好通過磁珠或電感進(jìn)行連接；
    ⑤保證芯片中間的部分足夠接地，可以在電路板上打9個孔，讓芯片充分接地和散熱；
    ⑥布線時盡量減少輔線的長度，特別是射頻前端，讓元器件保持緊湊、射頻輸出前端最好保持暢通的輸出；
    ⑦在電路中最好加一些測試點(diǎn)，方便調(diào)節(jié)硬件電路；
    ⑧盡量避免在射頻線路中通過數(shù)字信號。

2 讀卡器的軟件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)好硬件平臺之后，就需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件模塊。在軟件模塊設(shè)計(jì)中STCllF32XE單片機(jī)和TRF7960之間的模擬通信是最關(guān)鍵的一步，因?yàn)橹挥写蛲说讓油ㄐ诺年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，STCllF32XE才能進(jìn)一步通過控制TRF7960實(shí)現(xiàn)讀／寫卡的基本操作。為了實(shí)現(xiàn)這一步，首先要弄清楚TRF7960的讀寫時序。本設(shè)計(jì)采用的是8位并行模擬總線接口方式，在此方式下TRF7960的讀寫時序如圖2所示。

    起始條件是CLK為高，然后先發(fā)送8位地址，再發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送格式在時鐘的下降沿進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)CLK為高時，在A／D有1個下降沿，表示結(jié)束。根據(jù)該時序圖可以寫出STCllF32XE單片機(jī)從TRF7960讀／寫1個字節(jié)的C語言實(shí)現(xiàn)代碼：

    STCllF32XE單片機(jī)主要就是通過調(diào)用這兩個最基本的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對TRF7960進(jìn)行復(fù)雜的讀／寫控制的。采用模擬總線通信方式的最大好處就是用C語言寫的代碼很容易移植到不支持總線擴(kuò)展的各種單片機(jī)上，增加了軟件模塊的可復(fù)用性和可移植性。
    打通了底層通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之后，就可以一步一步地編寫調(diào)試各個軟件模塊。圖3是讀卡器多協(xié)議自適應(yīng)功能軟件模塊流程。

3 結(jié)論
    本文采用宏晶公司的高速、低價位單片機(jī)和TI公司的TRF7960多協(xié)議讀卡芯片以及相應(yīng)的外圍電路設(shè)計(jì)出了非接觸式的射頻讀卡器，設(shè)計(jì)按照ISO／IEC 14443A／B和ISO／IEC 15693多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，完成了系統(tǒng)的硬件電路搭建和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)工作。經(jīng)實(shí)際使用證明，該讀卡器工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高，操作靈活、方便，產(chǎn)品具有很強(qiáng)的的市場競爭力，投入使用將會產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。