非接触式IC卡读写模块PicoRead RF的设计与研究

目前广泛使用的非接触读卡芯片主要是Philips公司的RC500，RC531和RC632，以及TI公司的部分非接触读卡芯片，但是由于这些芯片功能不强，具有较大的偏向性。文中介绍了Inside Contactless公司推出的PicoRead RF芯片较好地解决了上述问题。在介绍PicoRead RF芯片的特点、工作原理和内部结构的基础上，对软件实现的流程进行了详细说明。

1 PicoRead RF的特点
PicoRead RF芯片为一款标准的13．56 MHz非接触读卡芯片，采用该芯片设计的非接触读卡器满足ISO14443，ISO15693，Sony Felica等协议，它支持非接触卡片(或者非接触标签)发送数据和能量，并从非接触卡片(或者非接触标签)中获取相关数据。
PicoRead RF芯片可支持ISO15693规范，ISO14443 TypeA，TrypeB规范，Sony Felica协议，以及其他的传输速度为26～848 kB／s的非接触协议；并支持数据和能量的非接触传输；支持SPI协议和并口传输协议；其操作距离可达10 cm，并具有卡检测和感应区载波信号检测机制，实行1 Byte-2级FIFO管理，非常适用于NFC手机之类的应用场合，以及PayPass读卡器的设计。

2 PiCORead RF的硬件设计与工作原理
非接触IC卡与读卡器之间数据传输的过程和原理如下：当卡片在一定距离靠近读卡器表面时，非接触性IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。非接触IC卡本身是无源卡，当读卡器对卡进行读写操作时，读卡器发出两部分信号：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的器件一起产生瞬间能量来供给芯片工作；另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读卡器完成一次读写操作。
文中所设计的IC卡读卡器由微控制器(MCU)、射频发射和接收处理单元、接口电路、时钟电路、液晶显示(LCD)模块、时钟以及存储器组成。本设计采用PicoRead RF芯片作为读卡器中的射频发射和接收处理单元读写芯片。结构如图1所示。

读卡器中的微控制器为主控制单元。PicoReadRF芯片作为读卡器中的射频发射和接收处理单元读写芯片。它是微控制器与非接触式IC卡之间的“桥梁”，它一方面可以将微控制器发送给IC卡的指令和数据调制在13．56 MHz的振荡信号上，通过高频天线发射出去；另一方面接收来自IC卡的应答信息，并将其解调成数字信号传给微控制器，实现微控制器与IC卡之间的双向通信。
接口电路是微控制器与PC机之间的通信“桥梁”，可以实现读卡器和PC机之间的串行或并行通信。时钟电路为系统提供实时时钟，液晶显示模块平时显示时间，读卡时显示所读到的内容。上述几个模块以逻辑设计配合，通过程序控制完成对非接触式IC卡的读写。

3 PiCORead RF的软件设计
PicoRead RF应用于非接触支付环境时，大致的控制流程，如图3所示。

PicoRead RF的软件设计和指令控制分以下3个阶段：
(1)寄存器构造阶段(Configuration Mode)，主要完成系统的初始化。当卡片靠近读卡器表面时，读卡器发出电源信号，并产生能量供给芯片工作，此时芯片进入寄存器构造阶段：主要完成芯片复位、初始化以及本次交易所使用非接触协议的相关参数配置，以实现对应的非接触通信协议。相应参数设置成功后，读卡器的液晶屏会显示“系统初始化成功”。
(2)数据发送阶段(Emission)，当成功进行初始化之后，读卡器识别出在作用范围内有IC卡的存在，通过微控制器发出控制指令，将芯片设置为数据发送模式，并检测FIFO数据缓存器的状态，从而保证数据可以顺序读入和读出。接下来就可以进行数据的发送，发送完毕后，微控制器会发出指令判断是否有多余数据，若有，则重复上述操作，继续传输，若无，则进入数据接收阶段。在数据发送阶段，除完成帧数据的发送以外，还需对相关奇偶位、CRC校验值进行配置。
(3)数据接收阶段(Reception)，微控制器发出控制指令，将芯片设置为数据接收模式，并指挥芯片完成数据的接收，接收完毕，返回信号给读卡器完成一次读写操作。若未接受完毕，则返回初始状态重新上述操作。数据接收阶段除完成帧数据的接收以外，还会进行奇偶校验和CRC校验。

4 结束语
对PicoRead RF的特点和应用进行了描述，并就如何在硬件和软件上实现PicoRead RF的非接触应用做了介绍。Inside Contactless公司推出的这款非接触芯片性能稳定、支持的非接触协议多，同时较其他的非接触芯片在价格上有一定的优势，因此在设计非接触读卡设备(NFC手机、PayPass读卡器等)时是一种较好的选择。