李正鵬，羅倩倩

(襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053)

基于MTK平臺(tái)的RFID射頻手持設(shè)備的設(shè)計(jì)

李正鵬，羅倩倩

(襄樊學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053)

提出一種基于MTK手機(jī)平臺(tái)的RFID射頻手持設(shè)備的設(shè)計(jì)方案. 系統(tǒng)以MTK手機(jī)平臺(tái)為主體，外部擴(kuò)展RFID射頻模塊，MTK手機(jī)平臺(tái)以MT6255為核心處理單元；RFID模塊采用STC89LE516RD作為獨(dú)立CPU控制，使用MF RC500對(duì)射頻卡進(jìn)行讀寫(xiě)，通過(guò)UART接口將數(shù)據(jù)送入MTK平臺(tái)處理. 本方案采用外部擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)思想，對(duì)RFID模塊電路及其接口進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)RFID模塊和MTK手機(jī)平臺(tái)進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，可以完成對(duì)射頻卡的讀寫(xiě)，可對(duì)射頻卡上的數(shù)據(jù)進(jìn)行重置、加減等處理，具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

MT6225; MF RC500; STC89LE516RD+; RFID

RFID射頻讀寫(xiě)器在運(yùn)輸、零售、金融、醫(yī)療等行業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用. 在RFID系統(tǒng)中，RFID射頻讀寫(xiě)器將通過(guò)識(shí)別電子標(biāo)簽采集的信息傳送后臺(tái)主機(jī)處理. 目前，大部分 RFID射頻讀寫(xiě)器都是以臺(tái)式機(jī)器形式出現(xiàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)線直接與主機(jī)相連，用戶辦理相關(guān)業(yè)務(wù)需到固定點(diǎn)辦理，非常不便. 為了解決在線式的RFID射頻讀寫(xiě)器不能移動(dòng)的限制，本文設(shè)計(jì)了一款基于MTK手機(jī)平臺(tái)的RFID射頻手持設(shè)備，設(shè)備可以通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)隨時(shí)隨地地將信息傳送到遠(yuǎn)端主機(jī).

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)終端系統(tǒng)由MTK手機(jī)平臺(tái)和RFID模塊兩大部分組成. MTK手機(jī)平臺(tái)采用臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科公司提供的一整套手機(jī)系列芯片，以低成本的 MT6225作為基帶處理器，作為上位機(jī)主控平臺(tái)，其硬件電路由多個(gè)模塊組成：MT6225最小系統(tǒng)、射頻處理模塊、音頻處理模塊、觸摸屏控制模塊、背光驅(qū)動(dòng)模塊、TFT液晶屏驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵電路模塊、電源管理模塊、SIM卡接口、存儲(chǔ)器模塊、T-Flash卡接口和USB接口. RFID射頻模塊采用宏晶公司的8051單片機(jī)STC89LE516RD+作為主控芯片，其硬件電路由3個(gè)模塊組成：STC89LE516RD最小系統(tǒng)、MF RC500射頻讀寫(xiě)電路和電源管理模塊. MTK手機(jī)平臺(tái)和 RFID外部擴(kuò)展模塊之間采用URAT接口連接，電源獨(dú)立控制，避免影響各自的穩(wěn)定性. 整機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示.

2 MT6225手機(jī)平臺(tái)

圖1 整機(jī)系統(tǒng)框圖

2.1 MT6225簡(jiǎn)介

由于聯(lián)發(fā)科技(MTK)等上游芯片廠商創(chuàng)新性的Turnkey Solution模式(將芯片與手機(jī)開(kāi)發(fā)所需的軟件平臺(tái)乃至第三方軟件捆綁銷(xiāo)售)提供了較健全的多媒體平臺(tái)解決方案[1]，使得手機(jī)開(kāi)發(fā)周期縮短，開(kāi)發(fā)難度降低. MT6225是MTK在2006年推出的一個(gè)高度集成的GSM/GPRS基帶信號(hào)處理器，采用雙處理器結(jié)構(gòu)：主處理器是ARM7EJ-S，提供整機(jī)的主要控制功能；另一個(gè)處理器是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，用于處理信道編譯碼、語(yǔ)音的壓縮與擴(kuò)展. MT6225采用246-Ball的TFBGA封裝，內(nèi)部集成了非常豐富固定的接口. 設(shè)計(jì)中用到的接口有存儲(chǔ)器接口、SIM卡接口、鍵盤(pán)掃描器、UART、LCD接口、基帶前端、音頻前端、射頻控制、電源管理[2].

2.2 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器模塊采用一片東芝TV0057A002存儲(chǔ)芯片和一片三星K9F1G08U0A存儲(chǔ)芯片，TV0057A002采用PSRAM+NorFlash+NandFlash ST-MCP存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，具有4MByte的PSRAM和16MByte的NorFlash，PSRAM作為ARM7和DSP執(zhí)行運(yùn)算時(shí)的數(shù)據(jù)緩存，NorFlash用來(lái)存放Nucleus-RTOS、MMI系統(tǒng)代碼和相關(guān)數(shù)據(jù). K9F1G08U0A是一片128MByte的NandFlash，用來(lái)存放文件和JAVA應(yīng)用程序. MT6225有26位地址線EA[25:0]，16位數(shù)據(jù)線ED[15:0]，并提供多個(gè)控制信號(hào)引腳，可與存儲(chǔ)芯片直接相連.

2.3 射頻模塊設(shè)計(jì)

一般手機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是射頻電路，但MTK提供了與MT6225基帶信號(hào)處理器相配套的射頻處理器，使設(shè)計(jì)容易很多. 射頻模塊電路采用三片集成芯片，即 MTK的射頻處理器 MT6139、瑞薩的集成功放PF08155B和天線開(kāi)關(guān)芯片 HWXR1075，與 MT6225的基帶前端單元接口相連. 圖 2為三片集成芯片和MT6225的連接電路圖，芯片之間為了達(dá)到最佳的信號(hào)傳輸，連接時(shí)使用電阻匹配網(wǎng)絡(luò)和一些分離元器件.另外，為了防止電源干擾芯片內(nèi)部單元電路，在電源接地設(shè)計(jì)中必須加上IC去耦電容.

圖2 射頻模塊簡(jiǎn)化電路

2.4 其他模塊設(shè)計(jì)

音頻模塊電路直接利用MT6225音頻前端單元的外接端口，按鍵電路利用MT6225的鍵盤(pán)掃描器，SIM卡電路利用MT6225提供的專用智能卡( SIM) 接口，MT6225集成了一個(gè)多功能的液晶顯示控制器，該控制器支持多種類型的LCD模組，設(shè)計(jì)采用了一2.8英寸65536色240×320像素(QVGA)TFT彩色觸摸屏，觸摸屏控制模塊采用MTK提供的觸摸控制芯片MT6301. 電源管理模塊電路采用MTK的GSM手機(jī)專用電源與充電控制芯片MT6318，它提供LDO電壓調(diào)節(jié)器、高效率的直流變換電路、開(kāi)機(jī)復(fù)位和啟動(dòng)定時(shí)器、電池充電電路、過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù)等[1]，MT6318與手機(jī)平臺(tái)的各個(gè)芯片的電源引腳直接相連，不需許多外部器件，有利于減小手機(jī)體積，降低整機(jī)功耗. 對(duì)于USB接口、T-Flash接口、程序下載接口和其它接口，MT6225提供了相應(yīng)的單元接口，只需少量的分離元器件，就可引出.

3 RFID擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)

3.1 相關(guān)芯片簡(jiǎn)介

RFID擴(kuò)展模塊電路包括微處理器STC89LE516RD、MF R500、電源管理和天線電路. 其中，MF R500是整個(gè)模塊的核心，它將完成讀寫(xiě)射頻卡的所有必需功能，包括RF信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認(rèn)證和防碰撞等. MF R500是Philips生產(chǎn)的RFID芯片，支持ISO14443所有的層，便于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[3]； STC89LE516RD+是宏晶公司生產(chǎn)的一款LQFP44小型封裝超低功耗的C51芯片，它通過(guò)對(duì)MF R500的內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)來(lái)控制MF R500. MF RC500實(shí)際上是MCU與射頻卡之間進(jìn)行信息交換的媒介. 任何射頻卡上數(shù)據(jù)讀寫(xiě)均須通過(guò)MF RCS00來(lái)傳遞. 傳送不同類型的指令給MF RC500，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)MF RC500的控制.

3.2 MF R500電路設(shè)計(jì)

RFID射頻讀寫(xiě)器硬件電路原理如圖3所示. 為了驅(qū)動(dòng)天線，MF RC500通過(guò) TX1和 TX2提供13.56MHz的能量載波. 根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到已調(diào)信號(hào). 射頻卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng). 天線拾取的信號(hào)經(jīng)過(guò)天線匹配電路送到 RX腳. MF RC500內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲⑿薪涌谟?STC89LE516RD進(jìn)行讀取. 使用內(nèi)部電路產(chǎn)生的VMID電壓作為RX引腳的輸人電壓. 為了提供穩(wěn)定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應(yīng)接入一個(gè)電容，在引腳VMID與RX之間需接入一個(gè)分壓電阻. 另外，在天線與分壓電阻之間加入一系列電容也會(huì)提高電路的性能[4].

圖3 MF R500電路圖

圖4 STC89LE516RD電路原理圖

3.3 STC89LE516RD+電路設(shè)計(jì)

STC89LE516RD+[5]數(shù)據(jù)端口P0口和MF RC500射頻模塊的D0-D7數(shù)據(jù)端口直接相接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，中斷INT0端口與MF RC500的IRQ端口連接，即單片機(jī)利用MF RC500提供的中斷信息對(duì)其進(jìn)行控制. MT6225基帶芯片提供了3個(gè)UART單元，它提供基帶芯片與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工串行通信的通道，采用第二個(gè)UART端口UTXD2(H14引腳)和URXD2(H15引腳)與單片機(jī)的RXD和TXD相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另外采用MT6225提供的外部中斷EINT4(T3引腳)與單片機(jī)的INT1端口相連，這樣可實(shí)現(xiàn)中斷查詢的功能STC89LE516RD電路原理圖如圖4所示.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 MTK平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

MTK使用Nucleus實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，整個(gè)軟件系統(tǒng)包括Nucleus操作系統(tǒng)、平臺(tái)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、WGUI、MMI、J2ME等[6]. MTK手機(jī)平臺(tái)上的程序開(kāi)發(fā)基于J2ME軟件平臺(tái)、采用JAVA語(yǔ)言[7]. 首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)置串口參數(shù)；然后進(jìn)入主菜單，顯示4個(gè)功能操作：開(kāi)戶、充值、刷卡消費(fèi)、卡號(hào)余額查詢；交易操作通過(guò)自定義的命令集來(lái)完成. 當(dāng)用戶進(jìn)入刷卡消費(fèi)功能，通過(guò)串口向RFID模塊發(fā)送刷卡消費(fèi)命令，然后處于中斷信號(hào)等待狀態(tài)，當(dāng)有卡貼進(jìn)，RFID模塊向MTK平臺(tái)發(fā)送中斷請(qǐng)求，MTK平臺(tái)進(jìn)入中斷處理程序，解析RFID模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，提取卡中余額數(shù)據(jù). 圖5為刷卡消費(fèi)正常交易流程圖.

4.2 RFID模塊程序設(shè)計(jì)

RFID模塊的程序開(kāi)發(fā)基于Keil C51開(kāi)發(fā)環(huán)境采用C語(yǔ)言和匯編結(jié)合的方式. RFID模塊利用MF RC500進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)卡過(guò)程包括：詢卡、讀寫(xiě)卡、?？ǎ@一系列操作必須順序進(jìn)行[8].

1) 詢卡過(guò)程 當(dāng)一張射頻卡處在RFID模塊的天線工作范圍之內(nèi)時(shí)，MCU將通過(guò)MF RC500發(fā)送一個(gè)詢卡請(qǐng)求，詢卡請(qǐng)求有兩種，一種是request all，這指令是非連續(xù)性的讀卡指令，只讀一次；另一種是request std，這是連續(xù)性的讀卡指令. 當(dāng)卡片收到該指令后，卡片內(nèi)的ATR將啟動(dòng).并將卡片的Block0中的卡片類型(TagType)號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給RFID模塊，從而建立卡片與RFID模塊的第一步通信聯(lián)絡(luò).完成詢卡過(guò)程[9].

2) 讀寫(xiě)卡 讀寫(xiě)操作是對(duì)卡的各種操作，包括讀(Read)、寫(xiě)(Write)、增值(Increment)、減值(Decrement)、存儲(chǔ)(Restore)和傳送(Transfer)等操作[10].

3) 停卡 當(dāng)一系列的操作完成后，MCU發(fā)送一個(gè)?？罱o卡片，使其退出工作.

圖5 刷卡消費(fèi)正常交易流程圖

圖6 RFID模塊主程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

目前，很多手機(jī)生產(chǎn)廠商都采用MTK手機(jī)平臺(tái)，原因是MTK平臺(tái)使得手機(jī)開(kāi)發(fā)變得非常容易，開(kāi)發(fā)周期縮短，成本比較低. 本文提出的基于MTK平臺(tái)的RFID手持設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，實(shí)際上是將MTK手機(jī)通過(guò)電路模塊擴(kuò)展變成了企業(yè)級(jí)手持設(shè)備，使手機(jī)具備了新的功能. 此解決方案對(duì)從事相關(guān)電子產(chǎn)品的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值.

[1] 張興偉. MTK芯片組手機(jī)電路原理與維修[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

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（責(zé)任編輯：饒 超）

Design of RFID Portable Device Based on MTK Platform

LI Zheng-peng, LUO Qian-qian
(Physics and Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China)

A design scheme of RFID portable device based on MTK platform is proposed; The main subject of this system is MTK platform, the external expansion of it is RFID RF module, MTK mobile platform’s core processing unit is MT6255; RFID module adopts STC89LE516RD as the independent CPU controller, using the MF RC500 to read and write the RF card, then through the UART interface sends the data to MTK platform, at last it adopts the GPRS technology to transmit the data accurate and reliable to the remote host computer.

MT6225；MF RC500；STC89LE516RD+；RFID

TN803

A

1009-2854(2010)02-0042-04

2009-11-04

李正鵬(1983— ), 男, 湖北宜城人, 襄樊學(xué)院物理與電子工程學(xué)院助教.