基于MF RC522的RFID讀卡器模塊設計

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

    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。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、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)動讀寫天線實現(xiàn)與符合ISO/IEC 14443A或MIFARE標準的卡片的通訊。接收器模塊提供了一個強健而高效的解調(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幀和錯誤檢測(奇偶和CRC)功能。模擬接口負責處理模擬信號的調(diào)制和解調(diào)。非接觸式異步收發(fā)模塊配合主機處理通信協(xié)議所需要的協(xié)議。FIFO(先進先出)緩存使得主機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MSP430F149，該單片機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、一個內(nèi)部DCO和2 個外部時鐘，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，外接一個天線及簡單的濾波匹配電路，即可實現(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，當該電容電壓達到2 V時，即可作為電源為卡片的其他電路提供工作電壓。

    當有卡片處在讀卡器的有效工作范圍內(nèi)時，MCU向卡片發(fā)出尋卡命令，卡片將回復卡片類型，建立卡片與讀卡器的第一步聯(lián)系，若同時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行密碼校驗,確保讀卡器對卡片有操作權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。密碼驗證通過之后，就可以對卡片進行讀寫等應用操作。

    3 MF RC522與MCU接口實現(xiàn)

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

    本設計中采用了四線制SPI,通信中的時鐘信號由MCU產(chǎn)生，MF RC522芯片設置為從機模式，接收來自MCU的數(shù)據(jù)以設置寄存器，并負責射頻接口通信中相關數(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個字節(jié)。此外，MCU向MF RC522發(fā)送的第一個字節(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，最低位預留不用，默認為0。

    因為MSP430F149的SPI接口個數(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,相應的SDA和D7、D6、D5分別用作NSS、MISO、MOSI、SCK。
  
    讀操作（主機最先發(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，會將對應地址值通過MISO發(fā)回主機，所以主機只需循環(huán)8 次，把MISO上的數(shù)據(jù)逐位讀出，存入臨時變量中。最后將NSS拉高，一字節(jié)的讀操作完成。

    寫操作（主機最先發(fā)送字節(jié)的最高位為 0）：同樣首先將NSS拉低，將目標地址字節(jié)按數(shù)據(jù)表中規(guī)定的格式進行編碼；然后循環(huán)8 次將地址發(fā)送出去后，再進行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對應地址的字節(jié)數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)更新。

    當有多個數(shù)據(jù)要傳送時，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)寄存器進行讀寫操作。MF RC522具有64 B的FIFO緩存器，專門用來緩存主機與MF RC522內(nèi)部狀態(tài)機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，每寫一個數(shù)據(jù)到這個寄存器都會存1 B到FIFO緩存器，并使其寫指針加一；相反，從這個寄存器讀數(shù)據(jù)能得到讀指針所在處的數(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)，反映在相應的寄存器中。此外，可以通過重設FIFO 緩存器的指針來清空緩沖器。

    4 MFRC522天線模塊設計

    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]。在天線的匹配設計中必須保證產(chǎn)生一個盡可能強的電磁場，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，因此在設計中應當盡可能使電抗分量為零，即讓天線表現(xiàn)出純電阻特性，這時電路實現(xiàn)諧振[4]，諧振頻率計算公式為：

    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來設置，系統(tǒng)默認為內(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(通過設置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg來實現(xiàn))來設置，同樣采用默認值即可。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，就進入讀卡器與卡片的應用操作準備階段，此期間要進行尋卡、防碰撞、選卡以及密碼校驗[7]，密碼校驗通過后再根據(jù)應用操作代碼進行相應的操作：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、或是使卡進入停機狀態(tài)。
  
    參考文獻
    [1] 紀震.電子標簽原理與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，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.