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1、基于AVR单片机射频卡多协议读写器的设计引言射频识别(RFID)是利用无线方式对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种新兴技术。与接触式IC卡和条形码识别等系统比较，它有着巨大的优势。利用射频识别技术，能有效实现对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理，达到高效快捷运作的目的，特别是在第二代身份证、物流、交通航运、自动收费、超市、门禁系统管理、服务领域等方面有着广泛的应用前景。随着我国国民经济的快速发展，国内RFID行业也正经历着深刻的变革。RFID系统一般是由读写器、射频卡、应用软件来组成。其中读写器的设计是至关重要的，它决定了系统的稳定性和准确性。除了要求其能支持一系列协议、标准和收发器外
2、，对读写器可能还有其它功能性方面的要求，如高性能、防冲突、远/近感应距离、移动性及功耗。本文就说明了怎样利用EMMicroelectronic公司的EM4094RFID读写基站（又称读写芯片、模拟前端模块、基站芯片、收发器）来构建支持多种协议的13.56MHz通用型或能满足上述特定要求的特殊RFID读卡器。硬件结构分析读写器一般由读写基站、微控制器（单片机）组成。基本上，读写基站（如EM4094）为RFID负责对数据进行编码/译码，并以适当功率驱动RFID读卡器天线。而读写基站本身由微控制器驱动。该微控制器负责管理不同协议的帧译码任务，以及与PC或其它后台控制设备的通信接口(串行接口、USB接
3、口或以太网接口)。一些IC供应商提供集成了模拟前端和微控制器的芯片。在很多情况下，微控制器或集成的存储器空间不是超出需求就是不够用，而独立的模块允许制造商选择最适合其设计要求的微控制器和存储器容量。软件功能设计需求该读写器需要支持ISO14443TypeA和B、SonyFelica及ISO15693标准的全部强制命令，并支持EM13.56MHz收发器IC的全部指令集。可以实现不同的通信协议和防冲突协议。可以读写的卡片种类如下：ISO14443A&B:MIFARE?UltralightMIFARE?ClassicMIFARE?DESFireMIFARE?PROXMIFARE?PROlSO
4、15693ISO18000-3INSIDEPicoTagHIDiClassTagsysC320eNFCMasterCardPayPassFeliCaKSWTempSensKSWVarioSens读写基站的选择目前13.56MHz的多协议读写基站基本上有3种常用的：Phlisps公司的RC632TI公司的RI-6C-001EM公司的EM4094三家公司的芯片各有特点，综合考虑，EM4094具有更好的性价比。EM4094的概述EM4094是一个集成的收发器芯片，它可用于构建RFID读卡器的模拟前端模块。该芯片的数据传输及接收链路允许传送和解码任何通信协议，因此EM4094支持所有EM公司的13.5
5、6MHz收发器芯片、ISO15693、ISO14443A&B、以及SonyFelica协议。通过适当设定，EM4094甚至还可以与NFC设备通讯。它具有以下特点：兼容ISO15693、ISO14443；具有可选跨导的使用13.56MHz石英的振荡器；使用OOK的天线驱动或使用单一天线驱动的ASK模块；高输出功率,5V电源下200mW高输出功率；ASK调制可调范围从7%到30%；天线短路保护；用于高度可靠通信的多路接收器输入；带AGC信号放大器的AM/PM解调；848kHzBPSK内部解调器(B型)；多种副载波兼容接收(212kHz、424kHz或848kHz)；多种副载波兼容译码(Ma
6、nchester、BPSK)；内置接收低通滤波器截止频率可在400kHz及1MHz间进行检波；内置接收高通滤波器截止频率可在100kHz、200kHz及300kHz间进行检波；可选接收增益；可选择的串行接口对选择位进行编程；3线SPI控制的降功耗模式,控制开关机状态；输出功率为100mW (SO16封装)、200mW (SO20封装)；工作温度范围-40到+85；ISO15693、ISO14443协议完全兼容；多接收输入，高通讯可靠性。单片机的选择EM4094胜出其它RFID读卡器芯片一筹的地方是它允许读卡器制造商自行选择最适合其处理与功率需求的微控制器。一个工作频率为16MHz的带8kB程序
7、存储器的8位微控制器看起来是实现一个读卡器的最合理选择，因为它可以实现所有相关的标准和事实标准协议。对于要求更高的RFID读卡器应用，16kB存储器将可提供更好的编程自由度。除了BPSK协议，EM4094没有集成其它帧解码器。一个集成的848kHzBPSK解码器可使微控制器不再需要执行这一苛求的ISO14443TypeB特殊操作,从而允许读卡器制造商选择一个成本效益比更好的微控制器。EM4094对于单片机的要求EM4094-ISO15693协议对单片机的要求3800字节的程序FLASH内存；345字节的SRAM；1个带有捕获模式的定时器T1 (ICP1feature)；3个I/O接口 (DOU
8、T、DIN、DCLK)；看门狗（可设置为2.2s）；8MHz晶振；RFID通讯过程中没有不允许外部中断；支持ISO15693的优化设计。EM4094-ISO14443A-B-C协议对于单片机的要求15k字节的程序FLASH内存；500B字节的SRAM；2个带有捕获模式的定时器T1、T3；看门狗（可设置为2.2s）；16MHz晶振；RFID通讯过程中没有不允许外部中断；提供专用固件来支持ISO14443A、B、C标准。AVR单片机的优点ATMEL的AVR系列单片机是一个优秀的RISC结构单片机系列与MCS51相比其有以下一些典型特点：AVR的机器周期为1个时钟周期绝大多数指令为单周期指令因此每M
9、Hz时钟有接近1MIPS的性能；程序存贮器与数据存贮器有分开的总线程序可以高效地执行8MHz频率下工作的AVR相当于224MHz频率下工作的MCS51；内置可重复编程的FLASH程序存贮器和EEPROM数据存贮器支持对单片机的在系统编程ISP在生产中可以先装配后编程从而缩短工艺流程和节约购买万用编程器的费用并且可以方便地升级或修改程序；内置上电复位电路和看门狗定时器电路在提高产品可靠性的同时降低了电路的成本；部分AVR单片机与MCS51系列单片机管脚兼容如AT90S1200/2313对应AT89C1051/2051，AT90S4414/8515对应AT89C51/52。因此可以做到一套PCB板
10、对应两套电路增加了用户备货的可选择性和灵活性；定时/计数器的功能大大增强串口通信时波特率发生不占用定时器。硬件设计注意事项电源设计首先，我们简要讨论一下EM4094的电源设计。该芯片有三个不同的电源引脚，其中的VDDA1和VDDA2用于给内部的天线驱动器ANT1和ANT2供电。每个驱动器可独立受电。由于这两个驱动器可能产生或同步较大的电流，因此建议在VDDA1和VDDA2两引脚之间接入一个3.3F的电容以给天线提供足够的能量。另外，我们还建议在该电容边上并联两个电容值分别为1nF和100nF的电容，以对电源进行去耦和滤波。第三个电源引脚VDD用于给所有其它的内部模块供电。在这条电源线上，工程师将不得不为了上面提到的同样原因接入两个电容值分别为1nF和100nF的滤波电容，它们最好采用由COG和X7R等介电材料制成的陶瓷电容，因此类电容的容差小和温度稳定性较高。这里很重要的一点是，应对这三条电源线施加相同的电压(3.3V或5V)。这些电源线还应当与模拟地相连。12