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基于MF RC522的RFID讀卡器模塊設(shè)計(jì)

文章出處:http://www.sgrivertours.com 作者:黃俊祥 陶維青   人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年10月16日

[文章內(nèi)容簡介]:以TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F149為主控芯片,控制恩智浦公司的高集成度讀卡器芯片MF RC522,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遵循ISO/IEC 14443A協(xié)議的讀卡器模塊。介紹了系統(tǒng)組成和讀卡器芯片MF RC522,并詳細(xì)描述了MF RC522與MCU的接口方案和天線及其匹配電路的設(shè)計(jì),最后簡要描述了讀卡器的操作流程。

    目前國內(nèi)的13.56 MHz RFID讀卡器芯片市場上,荷蘭恩智浦公司的Mifare非接觸讀卡芯片系列中MF RC522系列具有低電壓、低功耗、小尺寸、低成本等優(yōu)點(diǎn)。采用3.3 V統(tǒng)一供電,工作頻率為13.56 MHz,兼容ISO/IEC 14443A及MIFARE模式。MF RC522主要包括兩部分,其中數(shù)字部分由狀態(tài)機(jī)、編碼解碼邏輯等組成;模擬部分由調(diào)制器、天線驅(qū)動器、接收器和放大器組成[2]。MF RC522的內(nèi)部發(fā)送器無需外部有源電路即可驅(qū)動讀寫天線實(shí)現(xiàn)與符合ISO/IEC 14443A或MIFARE標(biāo)準(zhǔn)的卡片的通訊。接收器模塊提供了一個(gè)強(qiáng)健而高效的解調(diào)和解碼電路,用于接收兼容ISO/IEC 14443A和MIFARE的卡片信號。數(shù)字模塊控制全部ISO/IEC 14443A幀和錯(cuò)誤檢測(奇偶和CRC)功能。模擬接口負(fù)責(zé)處理模擬信號的調(diào)制和解調(diào)。非接觸式異步收發(fā)模塊配合主機(jī)處理通信協(xié)議所需要的協(xié)議。FIFO(先進(jìn)先出)緩存使得主機(jī)與非接觸式串行收發(fā)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加快速方便。

    1 系統(tǒng)組成

    讀卡器模塊包括MCU、讀卡器芯片、天線及其濾波匹配電路。MCU選用TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F149,該單片機(jī)支持多種低功耗模式,并能夠快速喚醒,具有60 KB+256 B的Flash、2 KB的RAM、兩個(gè)既可做異步UART又可以做SPI使用的串行通訊口、6組I/O口、一個(gè)內(nèi)部DCO和2 個(gè)外部時(shí)鐘,非常適合開發(fā)低功耗高性能的產(chǎn)品[3]。在本模塊中MCU通過SPI方式與MFRC522連接,供電電壓均為3.3 V,所以不再需要外圍的電壓轉(zhuǎn)換電路,外接一個(gè)天線及簡單的濾波匹配電路,即可實(shí)現(xiàn)與卡片的通信。

    2 工作原理

    MCU通過對讀卡器芯片內(nèi)寄存器的讀寫來控制讀卡器芯片,讀卡器芯片收到MCU發(fā)來的命令后,按照非接觸式射頻卡協(xié)議格式,通過天線及其匹配電路向附近發(fā)出一組固定頻率的調(diào)制信號(13.56 MHz)進(jìn)行尋卡,若此范圍內(nèi)有卡片存在,卡片內(nèi)部的LC諧振電路(諧振頻率與讀卡器發(fā)送的電磁波頻率相同)在電磁波的激勵(lì)下,產(chǎn)生共振,在卡片內(nèi)部電壓泵的作用下不斷為其另一端的電容充電,獲得能量,當(dāng)該電容電壓達(dá)到2 V時(shí),即可作為電源為卡片的其他電路提供工作電壓。

    當(dāng)有卡片處在讀卡器的有效工作范圍內(nèi)時(shí),MCU向卡片發(fā)出尋卡命令,卡片將回復(fù)卡片類型,建立卡片與讀卡器的第一步聯(lián)系,若同時(shí)有多張卡片在天線的工作范圍內(nèi),讀卡器通過啟動防沖撞機(jī)制,根據(jù)卡片序列號來選定一張卡片,被選中的卡片再與讀卡器進(jìn)行密碼校驗(yàn),確保讀卡器對卡片有操作權(quán)限以及卡片的合法性,而未被選中的則仍然處在閑置狀態(tài),等待下一次尋卡命令。密碼驗(yàn)證通過之后,就可以對卡片進(jìn)行讀寫等應(yīng)用操作。

    3 MF RC522與MCU接口實(shí)現(xiàn)

    MF RC522提供了3種接口模式:高達(dá)10 Mb/s的SPI、I2C總線模式(快速模式下能達(dá)400 kb/s,而高速模式下能達(dá)3.4 Mb/s)、最高達(dá)1228.8 kb/s的UART模式。每次上電或硬件重啟之后MFRC522復(fù)位其接口,并通過檢測控制引腳上的電平信號來判別當(dāng)前與主機(jī)的接口模式,這樣給讀寫設(shè)備的開發(fā)帶來了極大的可選擇性。與判別接口模式有關(guān)的兩個(gè)引腳為IIC和EA:當(dāng)IIC引腳拉高時(shí),表示當(dāng)前模式為IIC方式,若IIC引腳為低電平時(shí),再通過EA引腳電平來區(qū)分,EA為高表示SPI模式,為低則表示UART方式。

    本設(shè)計(jì)中采用了四線制SPI,通信中的時(shí)鐘信號由MCU產(chǎn)生,MF RC522芯片設(shè)置為從機(jī)模式,接收來自MCU的數(shù)據(jù)以設(shè)置寄存器,并負(fù)責(zé)射頻接口通信中相關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)的傳輸路徑為:MCU通過MOSI線將數(shù)據(jù)發(fā)到MF RC522,MF RC522通過MISO線發(fā)回至MCU,并且兩根線上的每一個(gè)字節(jié)都是先發(fā)高位。兩根數(shù)據(jù)線上的信號電平在時(shí)鐘信號必須保證上升沿穩(wěn)定,在下降沿才允許改變,可以連續(xù)讀寫N個(gè)字節(jié)。此外,MCU向MF RC522發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)定義操作模式和所要操作的寄存器地址,最高位代表操作模式,1表示讀,0表示寫,中間六位(bit1~bit6)表示地址,最低位預(yù)留不用,默認(rèn)為0。

    因?yàn)镸SP430F149的SPI接口個(gè)數(shù)有限,在此通過軟件模擬SPI方式,不僅增加了MSP430F149的SPI接口數(shù)量,更充分利用了MSP430F149本身豐富的I/O口。在此模式下,IIC引腳為低電平,EA引腳為高電平,相應(yīng)的SDA和D7、D6、D5分別用作NSS、MISO、MOSI、SCK。
  
    讀操作(主機(jī)最先發(fā)送字節(jié)的最高位為1): 首先將NSS拉低(使能通信),將要讀出數(shù)據(jù)的MF RC522地址字節(jié)按數(shù)據(jù)表規(guī)定的格式進(jìn)行編碼;然后循環(huán)8 次,按編碼后的字節(jié)逐位將MOSI線上數(shù)據(jù)置一或清零;地址發(fā)出去之后,MF RC522收到讀命令,會將對應(yīng)地址值通過MISO發(fā)回主機(jī),所以主機(jī)只需循環(huán)8 次,把MISO上的數(shù)據(jù)逐位讀出,存入臨時(shí)變量中。最后將NSS拉高,一字節(jié)的讀操作完成。

    寫操作(主機(jī)最先發(fā)送字節(jié)的最高位為 0):同樣首先將NSS拉低,將目標(biāo)地址字節(jié)按數(shù)據(jù)表中規(guī)定的格式進(jìn)行編碼;然后循環(huán)8 次將地址發(fā)送出去后,再進(jìn)行8次循環(huán),將所需寫入的數(shù)據(jù)仍通過MOSI發(fā)送過去,MF RC522對應(yīng)地址的字節(jié)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)更新。

    當(dāng)有多個(gè)數(shù)據(jù)要傳送時(shí),數(shù)據(jù)是通過FIFO緩存來處理的(見圖1),即不斷向FIFO數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行讀寫操作。MF RC522具有64 B的FIFO緩存器,專門用來緩存主機(jī)與MF RC522內(nèi)部狀態(tài)機(jī)之間的輸入和輸出數(shù)據(jù)流,F(xiàn)IFO緩存器數(shù)據(jù)輸入輸出總線是與FIFO數(shù)據(jù)寄存器相連的,每寫一個(gè)數(shù)據(jù)到這個(gè)寄存器都會存1 B到FIFO緩存器,并使其寫指針加一;相反,從這個(gè)寄存器讀數(shù)據(jù)能得到讀指針?biāo)谔幍臄?shù)據(jù),并且使讀指針減小,寫指針和讀指針之間的距離就是FIFO緩沖器中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),反映在相應(yīng)的寄存器中。此外,可以通過重設(shè)FIFO 緩存器的指針來清空緩沖器。

    4 MFRC522天線模塊設(shè)計(jì)

    13.56 MHz射頻天線及其匹配電路共有三塊:天線線圈、匹配電路(LC諧振電路)和EMC濾波電路[2]。在天線的匹配設(shè)計(jì)中必須保證產(chǎn)生一個(gè)盡可能強(qiáng)的電磁場,以使卡片能夠獲得足夠的能量給自己供電,而且考慮到調(diào)諧電路的帶通特性,天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調(diào)制后的信號。

    天線線圈就是一個(gè)特定諧振頻率的LC電路,其輸入阻抗是輸入端信號電壓與信號電流之比,輸入阻抗具有電感分量和電抗分量,電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取,因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡可能使電抗分量為零,即讓天線表現(xiàn)出純電阻特性,這時(shí)電路實(shí)現(xiàn)諧振[4],諧振頻率計(jì)算公式為:

    式中:ω=22πf;La為天線電感;Q為擬調(diào)整值(此處為30);Ra天線電阻。

    在發(fā)送部分,引腳TX1和TX2上發(fā)送的信號是由包絡(luò)信號調(diào)制的13.56 MHz載波能量,經(jīng)過L0和C0組成的EMC濾波電路以及C1、C2、Rq(其中Rq只在Q值太高的情況下需要)組成的匹配電路,就可直接用來驅(qū)動天線,TX1和TX2上的信號可通過寄存器TxSelReg來設(shè)置,系統(tǒng)默認(rèn)為內(nèi)部米勒脈沖編碼后的調(diào)制信號。調(diào)制系數(shù)可以通過調(diào)整驅(qū)動器的阻抗(通過設(shè)置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg來實(shí)現(xiàn))來設(shè)置,同樣采用默認(rèn)值即可。在接收部分,使用R2和C4以保證Rx引腳的直流輸入電壓保持在VMID,R1和C3的作用是調(diào)整Rx引腳的交流輸入電壓。

    5 軟件流程

    系統(tǒng)初始化完成后,就進(jìn)入讀卡器與卡片的應(yīng)用操作準(zhǔn)備階段,此期間要進(jìn)行尋卡、防碰撞、選卡以及密碼校驗(yàn)[7],密碼校驗(yàn)通過后再根據(jù)應(yīng)用操作代碼進(jìn)行相應(yīng)的操作:讀卡片塊數(shù)據(jù)、向卡片的某塊寫數(shù)據(jù)、充值扣款、數(shù)據(jù)備份、或是使卡進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。
  
    參考文獻(xiàn)
    [1] 紀(jì)震.電子標(biāo)簽原理與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.
    [2] NXP Inc. MFRC522 Contactless Reader IC product data sheet (Rev.3.2) [EB/OL]. 2007. http://www.nxp.com.
    [3] Texas Instruments Inc.MSP430x14x Mixed Signal Microcontroller [EB/OL].2004. http://www.ti.com.
    [4] NUMMELA J, UKKONEN L, SYDANHEIMO L, et al.13.56 MHz RFID antenna for cell phone integrated reader[J]. Antennas and Propagation International Symposium 2007 IEEE, 2007(6):1088-1091.
    [5] NXP Inc.Directly Matched Antenna Design (Rev.2.05) [EB/OL].2006. http://www.nxp.com.
    [6] NXP Inc.Mifare ISO/IEC 14443 PICC Selection (Rev.1.0)[EB/OL].2006.http:// www.nxp.com.

本文關(guān)鍵詞:RFID,讀卡器,模塊
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