基于CRX14的TypeB射頻系統(tǒng)設(shè)計

關(guān)鍵詞：CRX14 I2C總線 ISO14443標準 MC68H908AP16

最近幾年來，射頻識別系統(tǒng)的發(fā)展極其迅猛。通過不斷的技術(shù)更新，射頻系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如票務(wù)、動物識別、工業(yè)自動化或者身份識別。用戶在考慮射頻識別系統(tǒng)時，需要考慮該系統(tǒng)的工作頻率、作用距離、安全要求和存儲容量。符合ISO14443協(xié)議的射頻系統(tǒng)是目標應(yīng)用比較多的一種。該協(xié)議第2部分射頻接口規(guī)定了兩種形式――TypeA和TypeB，本文重點講述針對TypeB的設(shè)計方法和經(jīng)驗總結(jié)。

1 芯片介紹

CRX14是符合ISO14443控制標準的射頻處理芯片，使用雙經(jīng)I2C總線。發(fā)送的數(shù)據(jù)用ASK方式調(diào)制，接收到的數(shù)據(jù)則是將終端負載變量信號解調(diào)所得。天線上產(chǎn)生的信號，采有一個847kHz的二進制BPSK副載波譯碼，發(fā)送的ASK波有10%被調(diào)制。在發(fā)送和接收的方式中，CRX14與終端之間的數(shù)據(jù)傳送速率為106Kb/s。

圖1

CRX14含有一個自動抗沖突的機制，能夠檢測和選擇在CRX14有效范圍內(nèi)同時出現(xiàn)的多張卡片。防沖突功能基于ST的微電子概率掃描法。CRX14還通過允許終端鑒定的FRANCE TELECOM技術(shù)提供抗克隆功能。CRX14帶有一個單片耦合器，易于設(shè)計成一臺具有鑒定功能的讀出器或以低成本建立一個高水平的安全系統(tǒng)。

CRX14內(nèi)部由四部分組成：

①I2C總線控制器管理與應(yīng)用主機間的串聯(lián)，遵循400kHz的I2C總線規(guī)格，并控制對所有CRX14寄存器的讀或?qū)懖僮鳌?/P>

②RAM緩沖器是雙向緩沖器，存儲所有即將發(fā)送至終端的請求幀字節(jié)和所有由答復(fù)幀終端發(fā)出的接收字節(jié)。

③發(fā)送器通過在外部天線上產(chǎn)生一個13.56MHz的射頻磁場來對量程內(nèi)的所有遙控終端上電。該磁場的10%可采用對流出數(shù)據(jù)的ASK（振幅偏移鍵控制法）調(diào)制。

④接收器對信號進行解調(diào)。該信號在天線上，由遙控終端的負載變量產(chǎn)生。接下來的信號則由847kHz的BPSK（二進制相位偏移鍵控）副載波解碼器解碼。

CRX14內(nèi)部邏輯框圖和引腳圖如圖1所示。

2 總體設(shè)計方案

整個系統(tǒng)由摩托羅拉單片機、CRX14射頻芯片、安全模塊（可選）幾部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 硬件電路設(shè)計

整個電路主要分為兩個部分：一為主控部分，以摩托羅拉單片機為核心；另一為射頻處理部分，以CRX14為核心。

圖3

主控部分采用摩托羅拉公司的MC68HC08系列單片機。該系列是高性能8位單片機，具有速度快、功能強和價格低的特點?？晒┻x擇的型號很多，當(dāng)前設(shè)計中程序空間不用太大，需要I2C接口和UART串行接口，抗干擾能力要強。由于CRX14采用單電源電壓供電（5V500mV），為了設(shè)計的簡單，整個系統(tǒng)采用5V單電壓供電。

選擇型號為MC68HC908AP16的單片機。芯片資源為1KB RAM，16KB的Flash存儲器空間，I2C接口，工作電壓為3.3V或者5V，總線最高頻率為8MHz等。

鍵盤采用矩陣排列方式，實時掃描鍵值；顯示部分采用SPI接口的標準顯示模塊；電源部分使用外部電源適配器，輸入電壓為9V～12V之間，通過穩(wěn)壓，提供持續(xù)的5V電源。

安全模塊是為以后擴充使用的。如果用戶需要使用安全認證機制，要吧簡單地把安全模塊安裝到設(shè)備上。對安全模塊的操作遵循ISO7816協(xié)議，這方面可供參考的資料很多。

射頻處理部分包括CRX14和天線及匹配電路。CRX14引腳定義和說明如表1所列。

表1 CRX14引腳定義和說明

射頻處理部分的電路如圖3所示。

天線調(diào)試過程分3個部分。

①測試CRX14的輸出。CRX14的RF OUT輸出信號為10%ASK調(diào)制波，載波頻率為13.56MHz。輸出波形如圖4所示。

②優(yōu)化天線。天線的輸入阻抗及其匹配電路需要與CRX14輸出的阻抗匹配。因為PCB材料或其它的原因?qū)е碌囊恍┘毼⒌牟煌炀€的特征也會改變，比如天線的電感量和電阻量。需要作一些小的調(diào)整，即調(diào)整天線的匹配電路，如圖5，使天線的性能達到最佳。

因為變化不是太大，可以使用示波器進行調(diào)整。使用兩個不同的電容代替C8+C8’和C7+C7’。調(diào)整的范圍應(yīng)該介于C8+C8’和C7+C7’的原始值范圍附近（27pF和125pF）。然后，仔細調(diào)整這些電容，使天線回路上的電壓值達到最大。實測天線端（ANT1）的波形如圖6所示。

③檢查射頻接收部分。從天線返回的信號直接送到了RF IN端口。因此該點波形幅度比較低，實測的波形如圖7所示。

為了增加射頻部分的發(fā)射和接收距離，用戶可以增加射頻放大和運放電路，將發(fā)射和接收的波形進行放大。

4 軟件設(shè)計

軟件的功能主要是控制CRX14，同時與PC機進行通信，控制CRX14不斷地在量程范圍內(nèi)發(fā)送訪問信號。如果有TypeB的射頻卡在量程范圍內(nèi)，MC68HC908AP16單片機會控制CRX14芯片從卡中讀出信息，同時將這些信息通過RS-232發(fā)送到PC主機上。當(dāng)從PC主機上接收到寫卡命令時，單片機控制CRX14將信息寫入到射頻卡片中。軟件完成按照ISO14443協(xié)議的TypeB類型來設(shè)計。軟件的總體框圖如圖8所示。

軟件流程如圖9所示。

軟件包含主控程序、射頻處理程序、串口處理程序、中斷處理程序，另外還包含擴充的矩陣按鍵掃描程序和顯示模塊驅(qū)動程序。有興趣的讀者可以參考相關(guān)資料，文中主要介紹射頻處理部分的程序流程和注意事項。

CRX14提供四個易失性的寄存器，控制芯片的所有工作。另外提供了04h和05h地址兩個寄存器，在實際應(yīng)用中是不能被用戶使用的。寄存器描述如表2所列。

表2 CRX16引腳定義和說明

表3 器件選擇代碼

CRX14遵循I2C總結(jié)標準。芯片內(nèi)部攜帶有一個4位的器件鑒定代碼――1010，如表3所列。該鑒定代碼與芯片的3個使能輸入端（E2、E1、E0）合并在一起，作為I2C選擇相應(yīng)芯片的標識。

圖9

5 結(jié)論

該系統(tǒng)已經(jīng)通過實驗測試，能夠在約5cm的距離內(nèi)讀寫符合ISO14443標準TypeB類型的射頻卡，工作穩(wěn)定可靠，成本低。開發(fā)成專用射頻讀寫設(shè)備，會具有較高的性價比。