非接觸IC卡讀寫模塊MFRC530的工作原理及其應(yīng)用

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：李乃瑋、黃靜、郭勇（成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院）   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月26日

 

    摘  要：MFRC530（Mifare Reader Circuit）是Philips公司最新推出的一種非接觸式IC卡讀寫模塊。采用該模塊設(shè)計(jì)的IC卡讀卡器完全支持13．56 MHz下所有類型的非接觸式通信方式和協(xié)議，適用于各種基于ISO／IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場(chǎng)合。
　　關(guān)鍵詞：MFRC530；非接觸式；IC卡

　　MFRC530是應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式高集成度IC卡讀寫模塊的一員。該模塊利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13．56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC530支持ISO14443A所有層的通信方式。
　　內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近距離操作的天線（可達(dá)100 mm）。
　　接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)。
　　數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶校驗(yàn)和CRC）。此外它還支持快速M(fèi)IFARE典型安全算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。
　　方便的并行接口可直接連接到任何8 bit微處理器，這樣給讀卡器／終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。此外，它支持SPI接口。
    MFRC530的主要特點(diǎn)：
　　（1）高集成度模擬電路用于IC卡應(yīng)答信號(hào)的解調(diào)和解碼；
　?。?）緩沖輸出驅(qū)動(dòng)器使用最少數(shù)目的外部元件連接到天線；
    （3）支持ISO14443A；
　?。?）支持MIFARE雙接口IC卡和MIFARE典型協(xié)議；
　?。?）支持波特率高達(dá)　424 kHz的非接觸通信；
    （6）兼容SPI接口；
    （7）靈活的中斷處理；
    （8）可編程定時(shí)器；
    （9）近距離操作（可達(dá)100 mm）；
    （10）帶低功耗的硬件復(fù)位；
    （11）軟件實(shí)現(xiàn)掉電模式；
　?。?2）并行微處理器接口帶有內(nèi)部地址鎖存和IRQ線；
    （13）自動(dòng)檢測(cè)微處理器并行接口的類型；（14）64 byt發(fā)送和接收FIFO緩沖區(qū)；
    （15）面向位和字節(jié)的幀；
    （16）唯一的序列號(hào)；
　?。?7）Crypto1以及可靠的內(nèi)部非易失性密匙存儲(chǔ)器；
　　（18）連接到13．56 MHz晶振上的內(nèi)部振蕩緩沖器具有優(yōu)化的低相位抖動(dòng)；
　?。?9）在近距離應(yīng)用中，發(fā)送器采用電壓3．3～5V；
　?。?0）數(shù)字部分采用3．3 V或5 V電源

1　內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳說明
1．1　內(nèi)部結(jié)構(gòu)
　　圖1所示為MFRC530的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　并行微控制器接口自動(dòng)檢測(cè)連接的8 bit并行接口的類型，它包含一個(gè)雙向FIFO緩沖區(qū)和一個(gè)可配置的中斷輸出，這樣就為連接各種MCU提供了很大的靈活性，即使使用非常低成本的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。
　　數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行串行轉(zhuǎn)換。它支持的幀包括CRC和奇偶校驗(yàn)，它以完全透明的模式進(jìn)行操作，因而支持ISO14443A的所有層。
　　狀態(tài)和控制部分允許對(duì)器件進(jìn)行配置以適應(yīng)環(huán)境的影響，并使性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。當(dāng)與MI－FAREStandard和MIFARE產(chǎn)品通信時(shí)使用高速Crypto1流密碼單元和一個(gè)可靠的非易失性密匙存儲(chǔ)器。
    模擬電路包含了一個(gè)具有低阻抗橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分，這使得最大操作距離可達(dá)100mm，接收器可以檢測(cè)到并解碼非常弱的應(yīng)答信號(hào)。由于采用了非常先進(jìn)的技術(shù)，接收器已不再是限制操作距離的因素了。
1．2　引腳說明
　　該器件為32腳SO封裝。器件使用了3個(gè)獨(dú)立的電源以實(shí)現(xiàn)在EMC特性和信號(hào)解耦方面達(dá)到最佳性能。MFRC530具有出色的RF性能并且模擬和數(shù)字部分可適應(yīng)不同的操作電壓。
1．2．1　天　線
   非接觸式天線使用以下4個(gè)管腳：

    為了驅(qū)動(dòng)天線,MF RC530通過TX1 和TX2 提供13.56 MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)。
    IC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)過天線匹配電路送到RX 腳。MF RC530 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)發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。

MFRC530對(duì)驅(qū)動(dòng)部分使用單獨(dú)電源供電。

1．2．2　模擬電源
　　為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，MFRC530的模擬部分也使用單獨(dú)電源。它對(duì)振蕩器、模擬解調(diào)器和解碼器電路供電。

1.2.3
    MF RC530數(shù)字部分使用單獨(dú)電源。

1．2．4　輔助管腳
　　可選擇內(nèi)部信號(hào)驅(qū)動(dòng)該管腳AUX。它作為設(shè)計(jì)和測(cè)試之用。
1．2．5　復(fù)位管腳
　　復(fù)位管腳RSTPD禁止了內(nèi)部電流源和時(shí)鐘并使MFRC530從微控制器總線接口脫開。如果RST－PD釋放，MFRC530執(zhí)行上電時(shí)序。
1．2．6　振蕩器

　　13．56 MHz晶振通過快速片內(nèi)緩沖區(qū)連接到OSCIN和OSCOUT。如果器件采用外部時(shí)鐘，可從OSCIN輸入。
1．2．7　MIFARE接口
　　MFRC530支持MIFARE有源天線的概念。它可以處理管腳MFIN和MFOUT處的MIFARE核心模塊的基帶信號(hào)NPAUSE和KOMP。

　　MIFARE接口可采用下列方式與MFRC530的模擬或數(shù)字部分單獨(dú)通信：
　　1）模擬電路可通過MIFARE接口獨(dú)立使用。這種情況下，MFIN連接到外部產(chǎn)生的NPAUSE信號(hào)。
    MFOUT提供KOMP信號(hào)。
　　2）數(shù)字電路可通過MIFARE接口驅(qū)動(dòng)外部信號(hào)電路。這種情況下，MFOUT提供內(nèi)部產(chǎn)生的NPAUSE信號(hào)而MFIN連接到外部輸入的KOMP信號(hào)。
1.2.8
    下面列出的16個(gè)管腳用于控制并行接口：

2　應(yīng)　用
　　圖3所示為MFRC530在非接觸式IC卡讀卡器中的典型應(yīng)用電路。
　　該系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)為控制核心，主要完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)及控制系統(tǒng)工作的功能，通過P0口與MFRC530的數(shù)據(jù)總線相連，可實(shí)現(xiàn)與射頻卡數(shù)據(jù)的無線傳輸。P2．7作為MFRC530的片選端，低電平有效。RD、WR分別控制MFRC530的讀寫，INT0接收來自IC卡的中斷請(qǐng)求并執(zhí)行中斷程序。

　　MFRC530是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀卡器讀寫射頻卡的關(guān)鍵接口芯片。它根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)，通過由TX1，TX2腳驅(qū)動(dòng)的天線以電磁波的形式發(fā)出去，射頻卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取射頻卡的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳，MFRC530內(nèi)部接收緩沖器對(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。處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由單片機(jī)讀取。

3　結(jié)束語　　
   非接觸式IC卡是根據(jù)射頻電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的。它的讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定的距離之內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用非常方便、快捷，不易損壞。因此，在公交、門禁、校園、企事業(yè)等人事管理、娛樂場(chǎng)所等方面有廣泛的應(yīng)用前景。