RFID实践——NET IoT程序读取高频RFID卡或者标签

这篇文章是一份RFID实践的保姆级教程，将详细介绍如何用 Raspberry Pi 连接 PN5180 模块，并开发 .NET IoT 程序读写ISO14443 和 ISO15693协议的卡/标签。

设备清单

Raspberry Pi必需套件（主板、电源、TF卡）
PN5180
ISO15693标签
杜邦线
面包板 ( 可选)
GPIO扩展板 (可选 )

本文中用到的树莓派型号是 Raspberry Pi Zero 2 W，电源直接使用充电宝替代（官方电源是5.1V / 2.5A DC）。

[[RFID基础——高频RFID协议、读写模块和标签]]中介绍过 PN5180 是一款价格便宜且支持全部高频 RFID 协议的读写模块。网购 PN5180 模块时通常会送一张ICODE SLIX卡和 Mifare S50 卡。

ISO15693标签选用的是国产的复旦微电子芯片的标签。额外购买是为了测试多张标签同时在射频场中防碰撞功能。

杜邦线用于连接 Raspberry Pi Zero 2 W 和 PN5180 模块。GPIO扩展板会标注逻辑引脚，配合面包板使用，方便连接多种传感器。

树莓派连接 PN5180

在 PN5180 上，您会注意到它上有13个引脚，这些引脚中只有9个是需要连接到树莓派的GPIO引脚。对应关系如下表所示。表中特意标注出逻辑引脚和物理引脚，是因为后边程序中需要设置引脚编号。详情在后续代码部分会进行解释。

NXP5180	逻辑引脚	物理引脚
+5V	5V	2
+3.3V	3V3	1
RST	GPIO4(GPCLK0)	7
NSS	GPIO3(SCL)	5
MOSI	GPIO10(SPI0-MOSI)	19
MISO	GPIO9(SPI0-MISO)	21
SCK	GPIO11(SPI0-SCLK)	23
BUSY	GPIO2(SDA)	3
GND	GND	9
GPIO	-
IRQ	-
AUX	-
REQ	-

下图灰色区域中 1~40 是物理引脚编号，两侧标注的是逻辑引脚，例如物理引脚编号3的标注是 GPIO2 ，也就是对应的逻辑引脚编号为2。

到了这里，准备工作已经完成，接下来就是编码了。

编写.NET IoT程序

.NET IoT库中已经实现了 PN5180 的部分功能。比如轮询 ISO14443-A 和 ISO14443-B 类型的卡，以及对它们的读写操作，但是没有实现对 ISO15693 协议卡的支持。

PN5180通过SPI和GPIO进行工作，它以特定的方式通过GPIO使用SPI进行通信。这就需要手动管理SPI的引脚选择，Busy 引脚用于了解 PN5180 什么时候可以接收和发送信息。

首先，引用- System.Device.Gpio和 Iot.Device.Bindings两个包，然后用下面的代码创建SPI驱动程序、重置 PN5180 和创建 PN5180 实例。

var spi = SpiDevice.Create(new SpiConnectionSettings(0, 1) { ClockFrequency = Pn5180.MaximumSpiClockFrequency, Mode = Pn5180.DefaultSpiMode, DataFlow = DataFlow.MsbFirst });

// Reset the device

var gpioController = new GpioController();

gpioController.OpenPin(4, PinMode.Output);

gpioController.Write(4, PinValue.Low);

Thread.Sleep(10);

gpioController.Write(4, PinValue.High);

Thread.Sleep(10);

var pn5180 = new Pn5180(spi, 2, 3);

第1行代码创建 SpiDevice 实例，其中设置 DataFlow = DataFlow.MsbFirst ，即首先发送最高有效位。需要注意的是，这里指的是主机与 PN5180 模块之间的 SPI 总线的传输顺序，[[RFID基础——ISO15693标签存储结构及访问控制命令说明]]中协议中首先传输最低有效位指的是 VCD 与 VICC 之间的射频通信，两者是不同的数据传输过程。

第4行代码创建 GpioController 实例，GpioController 类的无参构造函数使用逻辑引脚编号方案作为默认方案。

第5行代码开启编号4的引脚，这个编号也就是指的逻辑引脚编号 GPIO4。

第11行创建 PN5180 读写器实例。构造函数定义如下：

public Pn5180 (System.Device.Spi.SpiDevice spiDevice, int pinBusy, int pinNss, System.Device.Gpio.GpioController? gpioController = default, bool shouldDispose = true);

第一个参数是 spi 设备实例，第二个参数是 Busy 引脚编号，第三个参数是 Nss 引脚编号，这里都是指的逻辑编号。代码中的参数需和前面引脚对应表中指定的一致。

访问ISO14443协议卡

访问ISO14443协议卡比较简单，调用 ListenToCardIso14443TypeA, ListenToCardIso14443TypeB 轮询射频场中的 PICC，然后选中卡进行操作，下边是监听 ISO14443-A 和 ISO14443-B 类型卡的示例代码：

do

{

   if (pn5180.ListenToCardIso14443TypeA(TransmitterRadioFrequencyConfiguration.Iso14443A_Nfc_PI_106_106, ReceiverRadioFrequencyConfiguration.Iso14443A_Nfc_PI_106_106, out Data106kbpsTypeA? cardTypeA, 1000))

   {

	   Console.WriteLine($"ISO 14443 Type A found:");

	   Console.WriteLine($"  ATQA: {cardTypeA.Atqa}");

	   Console.WriteLine($"  SAK: {cardTypeA.Sak}");

	   Console.WriteLine($"  UID: {BitConverter.ToString(cardTypeA.NfcId)}");

   }

   else

   {

	   Console.WriteLine($"{nameof(cardTypeA)} is not configured correctly.");

   }

   if (pn5180.ListenToCardIso14443TypeB(TransmitterRadioFrequencyConfiguration.Iso14443B_106, ReceiverRadioFrequencyConfiguration.Iso14443B_106, out Data106kbpsTypeB? card, 1000))

   {

	   Console.WriteLine($"ISO 14443 Type B found:");

	   Console.WriteLine($"  Target number: {card.TargetNumber}");

	   Console.WriteLine($"  App data: {BitConverter.ToString(card.ApplicationData)}");

	   Console.WriteLine($"  App type: {card.ApplicationType}");

	   Console.WriteLine($"  UID: {BitConverter.ToString(card.NfcId)}");

	   Console.WriteLine($"  Bit rates: {card.BitRates}");

	   Console.WriteLine($"  Cid support: {card.CidSupported}");

	   Console.WriteLine($"  Command: {card.Command}");

	   Console.WriteLine($"  Frame timing: {card.FrameWaitingTime}");

	   Console.WriteLine($"  Iso 14443-4 compliance: {card.ISO14443_4Compliance}");

	   Console.WriteLine($"  Max frame size: {card.MaxFrameSize}");

	   Console.WriteLine($"  Nad support: {card.NadSupported}");

   }

   else

   {

	   Console.WriteLine($"{nameof(card)} is not configured correctly.");

   }

}

while (!Console.KeyAvailable);

有关 ISO14443协议的更多操作可以查看Iot.Device.Bindings中 PN5180 的文档iot/src/devices/Pn5180 at main · dotnet/iot。

访问ISO15693协议卡

由于Iot.Device.Bindings中的 PN5180 并没有实现对 ISO15693协议的支持，因此需要自行实现这部分功能。

PN5180 模块的工作原理可以简单的理解为主机向 PN5180 模块发送开启、配置射频场、操作卡/标签（VICC）的命令，PN5180 模块接收到操作卡/标签（VICC）的命令时，通过射频信号与卡/标签（VICC）进行数据交互。寻卡过程的步骤如下：

加载ISO 15693协议到RF寄存器
开启射频场
清除中断寄存器IRQ_STATUS
把PN5180设置为IDLE状态
激活收发程序
向卡/标签（VICC）发送16时隙防冲突的寻卡指令
循环16次以下操作
1. 读取RX_STATUS寄存器，判断是否有卡/标签响应
2. 如果有响应，发送读卡指令然后读取卡的响应
3. 在下一次射频通信中只发送EOF（帧结束）而不发送数据。
4. 把PN5180设置为IDLE状态
5. 激活收发程序
6. 清除中断寄存器IRQ_STATUS
7. 向卡/标签（VICC）发送EOF（帧结束）
关闭射频场

上述步骤中只有步骤6向卡/标签（VICC）发送16时隙防冲突的寻卡指令和步骤7.7向卡/标签（VICC）发送EOF（帧结束）是 PN5180 和卡/标签（VICC）之间的数据交互，其余的步骤都是PN5180 与主机之间通过SPI通信。

PN5180与主机通信

PN5180设计了24个主机接口命令，涉及读写寄存器、读写EEPROM、写数据到发送缓冲区，从接收缓冲区读数据，加载RF配置到寄存器，开启关闭射频场。包含44个寄存器，它们控制着PN5180处理器的行为。每个寄存器占4个字节。主机处理器可以通过4个不同的命令改变寄存器的值：write_register、 write_register_and_mask、 write_register_or_mask、write_register_multiple。

write_register

这个命令将一个32位的值写入配置寄存器。

负载	长度	值/描述
命令编码	1	0x00
参数	1	寄存器地址
参数	4	寄存器内容

WRITE_REGISTER_OR_MASK

该命令使用逻辑或操作修改寄存器的内容。先读取寄存器的内容，并使用提供的掩码执行逻辑或操作，然后把修改后的内容写回寄存器。

负载	长度	值/描述
命令编码	1	0x01
参数	1	寄存器地址
参数	4	逻辑或操作的掩码

WRITE_REGISTER_AND_MASK

该命令使用逻辑与操作修改寄存器的内容。先读取寄存器的内容，并使用提供的掩码执行逻辑与操作，然后把修改后的内容写回寄存器。

负载	长度	值/描述
命令编码	1	0x02
参数	1	寄存器地址
参数	4	逻辑与操作的掩码

LOAD_RF_CONFIG

该命令用于将射频配置从EEPROM加载到配置寄存器中。

负载	长度	值/描述
命令编码	1	0x11
参数	1	发送器配置的值
写入的数据	1	接收机配置的值

RF_ON

该命令打开内部射频场。

负载	长度	值/描述
命令编码	1	0x16
参数	1	1,根据 ISO/IEC 18092 禁用冲突避免

RF_OFF

该命令关闭内部射频场

负载	长度	值/描述
命令编码	1	0x17
参数	1	虚字节

PN5180和卡/标签（VICC）数据交互

PN5180和卡/标签（VICC）数据交互本质上也是主机发送命令给 PN5180 模块，然后 PN5180 把数据写入缓冲区，接着射频传输给卡/标签（VICC），卡/标签（VICC）响应后通过射频传出给 PN5180 模块的接收缓冲区，主机发送命令读取缓冲区数据。

SEND_DATA

该命令将数据写入射频传输缓冲区，开始射频传输。

负载	长度	值/描述
命令编码	1	0x09
参数	1	最后一个字节的有效位数
写入的数据	1~260	最大长度为260的数组

最后一个字节的有效位数为0表示最后一字节所有的bit都被传输，1~7表示要传输的最后一个字节内的位数。

READ_DATA

从VICC成功接收数据后，该命令从射频接收缓冲区读取数据。

负载	长度	值/描述
命令编码	1	0x0A
参数	1	0x00
读取的数据	1~508	最大长度为508的数组

代码实现轮询ISO15693卡

PN5180 和卡/标签（VICC）之间的数据交互都是遵循[[RFID基础——ISO15693标签存储结构及访问控制命令说明]]中的命令。只需用代码实现 PN5180 的主机接口指令以及ISO15693的访问控制命令即可。首先Fork dotnet/iot版本库，然后在 Pn5180.cs中加入以下监听 ISO15693 协议卡的代码：

/// <summary>

/// Listen to 15693 cards with 16 slots

/// </summary>

/// <param name="transmitter">The transmitter configuration, should be compatible with 15693 card</param>

/// <param name="receiver">The receiver configuration, should be compatible with 15693 card</param>

/// <param name="cards">The 15693 cards once detected</param>

/// <param name="timeoutPollingMilliseconds">The time to poll the card in milliseconds. Card detection will stop once the detection time will be over</param>

/// <returns>True if a 15693 card has been detected</returns>

public bool ListenToCardIso15693(TransmitterRadioFrequencyConfiguration transmitter, ReceiverRadioFrequencyConfiguration receiver,

#if NET5_0_OR_GREATER

[NotNullWhen(true)]

#endif

out IList<Data26_53kbps>? cards, int timeoutPollingMilliseconds)

{

	cards = new List<Data26_53kbps>();

	var ret = LoadRadioFrequencyConfiguration(transmitter, receiver);

	// Switch on the radio frequence field and check it

	ret &= SetRadioFrequency(true);

	Span<byte> inventoryResponse = stackalloc byte[10];

	Span<byte> dsfid = stackalloc byte[1];

	Span<byte> uid = stackalloc byte[8];

	int numBytes = 0;

	DateTime dtTimeout = DateTime.Now.AddMilliseconds(timeoutPollingMilliseconds);

	try

	{

		// Clears all interrupt

		SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER, Register.IRQ_CLEAR, new byte[] { 0xFF, 0xFF, 0x0F, 0x00 });

		// Sets the PN5180 into IDLE state

		SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_AND_MASK, Register.SYSTEM_CONFIG, new byte[] { 0xF8, 0xFF, 0xFF, 0xFF });

		// Activates TRANSCEIVE routine

		SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_OR_MASK, Register.SYSTEM_CONFIG, new byte[] { 0x03, 0x00, 0x00, 0x00 });

		// Sends an inventory command with 16 slots

		ret = SendDataToCard(new byte[] { 0x06, 0x01, 0x00 });

		if (dtTimeout < DateTime.Now)

		{

			return false;

		}

		for (byte slotCounter = 0; slotCounter < 16; slotCounter++)

		{

			(numBytes, _) = GetNumberOfBytesReceivedAndValidBits();

			if (numBytes > 0)

			{

				ret &= ReadDataFromCard(inventoryResponse, inventoryResponse.Length);

				if (ret)

				{

					cards.Add(new Data26_53kbps(slotCounter, 0, 0, inventoryResponse[1], inventoryResponse.Slice(2, 8).ToArray()));

				}

			}

			// Send only EOF (End of Frame) without data at the next RF communication

			SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_AND_MASK, Register.TX_CONFIG, new byte[] { 0x3F, 0xFB, 0xFF, 0xFF });

			// Sets the PN5180 into IDLE state

			SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_AND_MASK, Register.SYSTEM_CONFIG, new byte[] { 0xF8, 0xFF, 0xFF, 0xFF });

			// Activates TRANSCEIVE routine

			SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_OR_MASK, Register.SYSTEM_CONFIG, new byte[] { 0x03, 0x00, 0x00, 0x00 });

			// Clears the interrupt register IRQ_STATUS

			SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER, Register.IRQ_CLEAR, new byte[] { 0xFF, 0xFF, 0x0F, 0x00 });

			// Send EOF

			SendDataToCard(new Span<byte> { });

		}

		if (cards.Count > 0)

		{

			return true;

		}

		else

		{

			return false;

		}

	}

	catch (TimeoutException)

	{

		return false;

	}

}

需要注意的是，寻卡指令SendDataToCard(new byte[] { 0x06, 0x01, 0x00 })发送的数据只有请求标志、命令、掩码长度，并没有CRC校验码，我推测是 PN5180 m模块内部进行了CRC校验，目前并没有找到相关资料证实这个猜测。同样，用 PN5180 读写标签数据块以及其他访问控制指令也不需要CRC校验码。

读写ISO15693协议卡

由于支持 ISO15693 协议的读写器不只是 PN5180 ，因此把对 ISO15693 协议卡的具体读写操作放在 PN5180 的实现类中不太合适。这里定义了一个 IcodeCard 的类型，该类实现了 ISO15693 协议中常用的命令，并在构造函数中注入 RFID 读写器。执行指定操作时，调用 RFID 读写器的 Transceive 方法传输请求指令并接收响应进行处理。以下是主要代码：

public class IcodeCard

{

	public IcodeCard(CardTransceiver rfid, byte target)

	{

		_rfid = rfid;

		Target = target;

		_logger = this.GetCurrentClassLogger();

	}

	/// <summary>

	/// Run the last setup command. In case of reading bytes, they are automatically pushed into the Data property

	/// </summary>

	/// <returns>-1 if the process fails otherwise the number of bytes read</returns>

	private int RunIcodeCardCommand()

	{

		byte[] requestData = Serialize();

		byte[] dataOut = new byte[_responseSize];

		var ret = _rfid.Transceive(Target, requestData, dataOut.AsSpan(), NfcProtocol.Iso15693);

		_logger.LogDebug($"{nameof(RunIcodeCardCommand)}: {_command}, Target: {Target}, Data: {BitConverter.ToString(requestData)}, Success: {ret}, Dataout: {BitConverter.ToString(dataOut)}");

		if (ret > 0)

		{

			Data = dataOut;

		}

		return ret;

	}

	/// <summary>

	/// Serialize request data according to the protocol

	/// Request format: SOF, Flags, Command code, Parameters (opt.), Data (opt.), CRC16, EOF

	/// </summary>

	/// <returns>The serialized bits</returns>

	private byte[] Serialize()

	{

		byte[]? ser = null;

		switch (_command)

		{

			case IcodeCardCommand.ReadSingleBlock:

				// Flags(1 byte), Command code(1 byte), UID(8 byte), BlockNumber(1 byte)

				ser = new byte[2 + 8 + 1];

				ser[0] = 0x22;

				ser[1] = (byte)_command;

				ser[10] = BlockNumber;

				Uid?.CopyTo(ser, 2);

				_responseSize = 5;

				return ser;

			// 略去代码....

			default:

				return new byte[0];

		}

	}

	/// <summary>

	/// Perform a read and place the result into the 4 bytes Data property on a specific block

	/// </summary>

	/// <param name="block">The block number to read</param>

	/// <returns>True if success. This only means whether the communication between VCD and VICC is successful or not </returns>

	public bool ReadSingleBlock(byte block)

	{

	    BlockNumber = block;

	    _command = IcodeCardCommand.ReadSingleBlock;

	    var ret = RunIcodeCardCommand();

	    return ret >= 0;

	}

}

只需以下代码就可以监听射频场中的 ISO15693 类型的卡并进行读写操作：

if (pn5180.ListenToCardIso15693(TransmitterRadioFrequencyConfiguration.Iso15693_ASK100_26, ReceiverRadioFrequencyConfiguration.Iso15693_26, out IList<Data26_53kbps>? cards, 20000))

{

    pn5180.ResetPN5180Configuration(TransmitterRadioFrequencyConfiguration.Iso15693_ASK100_26, ReceiverRadioFrequencyConfiguration.Iso15693_26);

    foreach (Data26_53kbps card in cards)

    {

        Console.WriteLine($"Target number: {card.TargetNumber}");

        Console.WriteLine($"UID: {BitConverter.ToString(card.NfcId)}");

        Console.WriteLine($"DSFID: {card.Dsfid}");

        if (card.NfcId[6] == 0x04)

{

    IcodeCard icodeCard = new IcodeCard(pn5180, card.TargetNumber)

    {

        Afi = 1,

        Dsfid= 1,

        Uid = card.NfcId,

        Capacity = IcodeCardCapacity.IcodeSlix,

    };

    for (byte i = 0; i < 28; i++)

    {

        if (icodeCard.ReadSingleBlock(i))

        {

            Console.WriteLine($"Block {i} data is :{BitConverter.ToString(icodeCard.Data)}");

        }

        else

        {

            icodeCard.Data = new byte[] { };

        }

    }

}

else

{

    Console.WriteLine("Only Icode cards are supported");

}

    }

}

最后，就是把程序部署到 Raspberry pi 上，具体操作可以参照 Raspberry pi 上部署调试.Net的IoT程序。