射頻 IC MFRC522在智能儀表中的應(yīng)用
由于環(huán)境溫度、濕度、油污等外界條件對諸如預(yù)付費水表、預(yù)付費燃氣表、預(yù)付費熱量表等接觸式卡表的影響明顯，卡座磨損、腐蝕，以及潮氣、灰塵等大大縮短了對卡表的使用壽命，因此非接觸卡表已成為當(dāng)前發(fā)展趨勢。這里給出了一種基于射頻器件MFRC522的智能儀表設(shè)計，提高了智能儀表的使命壽命。
2 MFRC522簡介
2．1 MFRC522的特點
MFRC522采用串行通信方式與主機通信，可根據(jù)用戶需求，選用SPI、I2C或串行UART工作模式，有利于減少連線，縮小PCB板面積，降低成本。MFRC522主要特點如下：
高度集成的調(diào)制解調(diào)電路，采用少量外部器件，即可將輸出驅(qū)動級接至天線；
支持ISO／IEC 14443 TypeA接口和MIFARE通信協(xié)議：
支持多種主機接口：10 Mbit／s的SPI接口；I2C接口，快速模式的速率為400 Kbit／s，高速模式的速率為3 400Kbit/s；串行UART，傳輸速率可以高達1 228．8 Kbit／s，幀取決于RS232接口；
特有的發(fā)送器掉電機制可關(guān)閉內(nèi)部天線驅(qū)動器，即關(guān)閉RF場，達到低功耗：
內(nèi)置溫度傳感器，在過熱時自動停止RF發(fā)射；
獨立的多組電源供電，避免相互干擾，優(yōu)化EMC特性和信號退耦性能；
2．5 V～3．6 V的低壓、低功耗，采用5 mmx5 mm×0．85 mm的超小型HVQFN32封裝。
2．2 MFRC522的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
MFRC2522的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。MFRC522支持可直接相連的各種微控制器接口，如SPI、I2C和串行UART。MFRC522能使其接口復(fù)位自動檢測上電或硬復(fù)位的當(dāng)前微控制器接口類型?？赏ㄟ^復(fù)位控制引腳的邏輯電平來識別微控制器接口。數(shù)據(jù)處理部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)并行一串行轉(zhuǎn)換。可支持CRC和奇偶校驗。由于MFRC522以完全透明的模式操作，因而支持ISO14443A所有層。狀態(tài)和控制部分用于配置器件，以適應(yīng)環(huán)境影響并使性能達到最佳。當(dāng)MFRC522與MIFARE通信時，使用高速CRYPT01流密碼單元和一個可靠的非易失性密鑰存儲器。模擬電路包含超低阻抗橋驅(qū)動器輸出的發(fā)送部分，這樣可使其最大操作距離達到100 mm。接收器檢測弱應(yīng)答信號并對其解碼。
MFRC522有4頁共64個的寄存器，用于發(fā)送接收數(shù)據(jù)。第0頁為命令和狀態(tài)寄存器，用于設(shè)置數(shù)據(jù)通訊及其和狀態(tài)標(biāo)志；第1頁為命令寄存器，用于控制并設(shè)置發(fā)射器和接收器：第2頁為內(nèi)部結(jié)構(gòu)寄存器，用于控制發(fā)射引腳及設(shè)置定時器；第3頁為測試模式寄存器，主要用于芯片測試。
MFRC522利用多種命令完成對寄存器的設(shè)置和操作，進而實現(xiàn)對射頻卡的讀、寫、校驗等操作。表1列出了MFRC522的操作命令。
2．3 MFRC522的工作原理
系統(tǒng)通過與MFRC522連接的天線和IC卡線圈產(chǎn)生共振來傳遞數(shù)據(jù)，從而完成模塊與卡間的通訊。MFRC522根據(jù)寄存器的設(shè)置來調(diào)制發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進而得到發(fā)送信號，以TX1、TX2引腳驅(qū)動天線產(chǎn)生電磁波的形式發(fā)送，IC卡采用RF場的負載調(diào)制進行響應(yīng)。同時天線檢測到IC卡的響應(yīng)信號后，經(jīng)過天線匹配傳送到RX引腳，MFRC522內(nèi)部接收緩沖器對其信號進行檢測、解調(diào)，并根據(jù)寄存器的設(shè)置進行相應(yīng)處理，再將其數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機。
3 MFRC522在智能儀表中的應(yīng)用
3．1 智能儀表的要求
由于大多數(shù)智能儀表是由電池供電的。它要求射頻模塊在保證正常數(shù)據(jù)通訊的同時，功耗越低越好。MFRC522可以提供多種降低功耗的方法，包括軟掉電、硬掉電等。軟掉電時，MFRC522的功耗是10μA，硬掉電，MFRC522的功耗為5μA。而對于靜態(tài)功耗只有3μA～4μA的產(chǎn)品來說，5μA的功耗仍不能滿足要求。因此，可將MFRC522的NRSTPD引腳通過一只100 kΩ電阻接至DVCC。對卡無操作時，控制DVCC使MFRC522完全斷電，使功耗降至最低，并采用按鍵或干簧管實現(xiàn)觸發(fā)程序，向MFRC522供電。
3．2 接口方式
MFRC522可提供三種接口方式，如表2所示，根據(jù)所采用的單片機選擇相應(yīng)的接口方式。
以MSP430F413為例，選用I2C接口方式。其連接圖如圖2所示。由于單片機MSP430F413無I2C接口功能的端口線，因此采用I／0模擬I2C時序。
3．3 天線匹配電路
從TX1和TX2引腳發(fā)射的信號是已調(diào)制的13．56 MHz載波信號，輔以多個無源器件實現(xiàn)匹配和濾波功能，以直接驅(qū)動天線。
內(nèi)部接收電路利用卡的響應(yīng)信號在副載波的雙邊帶上都具有調(diào)制這一功能進行工作。推薦使用MFRC522內(nèi)部產(chǎn)生的VMID信號作為RX引腳輸入信號的偏置。為了穩(wěn)定VMID輸出，需在VMID和GND之間連接一只電容C4。接收電路需在RX和VMID之間連接一分壓電路。其匹配電路和信號接收電路如圖3所示，圖3中包含有EMC低通濾波器(L01，L02,C01，C02)、接收電路(R66,C3,R65，C4)、天線匹配電路(C03,C04，C2A，C2B,R2A，R2B)以及天線。其中EMC低通濾波器、接收電路中元件大小可參考相關(guān)數(shù)據(jù)資料，一般無需調(diào)整，但要注意元件精度及材料一定要符合設(shè)計要求，諸如：L01、L02應(yīng)選用1．0μH±10％的濾波電感，C01、C02應(yīng)選用NP0材料±2％的電容。
3．4 天線設(shè)計
實現(xiàn)與非接觸卡的通訊。智能儀表必須具有發(fā)射和接收射頻信號的天線。針對不同應(yīng)用可設(shè)計相關(guān)天線。天線設(shè)計步驟為：設(shè)定智能儀表的工作環(huán)境：優(yōu)化天線與非接觸卡的耦合系數(shù)；確定天線線圈和匹配電容。
非接觸式IC卡天線利用電感耦合產(chǎn)生磁通。磁通用于向IC卡器件提供電源，并且可在兩者之間傳輸數(shù)據(jù)。因此要求天線線圈的電流最大，產(chǎn)生最大磁通量；功率匹配，最大限度使用磁通量的可用能量：足夠的帶寬以無失真地傳輸數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。
實際的天線電感和電容值取決于天線電阻(PCB類型)、導(dǎo)體厚度、線與線之間的距離、保護層材料、附近的金屬或者鐵氧體等因素。天線設(shè)計完成后，以能準(zhǔn)確通訊的最遠距離為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整匹配電容。匹配電容也應(yīng)采用NP0材料。
3．5 MFRC522識卡的軟件設(shè)計
MFRC522能讀寫所有符合ISO／IEC 14443TYPE A接口的非接觸卡，其識卡過程如下：
(1)MFRC522復(fù)位后，即可對卡操作。
(2)復(fù)位應(yīng)答。當(dāng)卡片進入讀寫器的操作范圍時，讀寫器以特定的協(xié)議進行通訊，從而確定該卡是否為S50射頻卡，即驗證卡型。
(3)防沖突閉合機制。當(dāng)有多張S50卡在讀寫器的操作范圍內(nèi)時，防沖突閉合電路首先從眾多卡片中選擇其中的一張作為下步處理的對象，而未選中的卡片則處于空閑模式以等待下一次選擇，該過程返回一個被選中卡的序列號。
(4)選擇卡片。選擇被選中卡的序列號，同時返回卡的容量代碼。
(5)三次互相認證。選定要處理的卡片后，讀寫器可確定訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)進行密碼校驗，在三次互相認證后就可以通過加密流進行通訊(而在選擇下一個扇區(qū)時，必須對新扇區(qū)的密碼進行校驗)。
4 結(jié)束語
隨著射頻卡應(yīng)用普及，其各項技術(shù)指標(biāo)也得到改善，具備廣泛應(yīng)用的技術(shù)能力。MFRC522在智能儀表以及各種手持設(shè)備上的應(yīng)用，以其低工作電壓和低功耗的優(yōu)勢處于領(lǐng)先地位，因此，MFRC522具有較大的發(fā)展空間。
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