低功耗射頻IC卡讀寫器設(shè)計(jì)

    本文介紹一款便攜式巡更機(jī)（射頻讀寫器）的設(shè)計(jì)。該讀寫器主要由MCU、射頻IC卡讀寫模塊、天線及USB通信接口等部分組成。為了方便對巡更情況的實(shí)時(shí)記錄，系統(tǒng)采用了具有時(shí)間基準(zhǔn)功能的時(shí)鐘芯片。

    隨著近年來智能小區(qū)、智能大廈的迅猛發(fā)展，巡更系統(tǒng)將有著廣泛的應(yīng)用前景。手持式讀寫器的主要開發(fā)指標(biāo)包括微型化、低功耗、便攜式及方便的數(shù)據(jù)傳輸接口。

讀寫器總體設(shè)計(jì)方案

    便攜式IC卡讀寫器主要由電池供電。由于讀寫器不斷發(fā)射無線電波，功耗較大，所以必須從每一個(gè)細(xì)節(jié)來考慮如何降低功耗，從而盡可能地延長電池的使用時(shí)間。硬件上采用低功耗設(shè)計(jì)，如低功耗器件、低壓、模塊化供電等；軟件上采用規(guī)?；O(shè)計(jì)，盡量減少處理器的工作時(shí)間，使其處于低功耗運(yùn)行模式。

    讀寫器的設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求：具有自檢功能，開機(jī)時(shí)能首先自檢設(shè)備有無故障；能夠準(zhǔn)確、快捷地讀取非接觸式IC卡內(nèi)的信息；具有聲光報(bào)警電路；電池直接供電，可由3節(jié)AA鎳氫電池供電，開機(jī)靜態(tài)電流不大于10mA，工作電流不大于40mA；具有USB通信接口；體積小，成本低，性能穩(wěn)定可靠。

系統(tǒng)功能概述

    根據(jù)不同場合對巡更系統(tǒng)的要求，需要及時(shí)了解巡更人員巡邏的情況，以確保小區(qū)、商場、鐵路沿線等場合的安全。

    因此，本系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：在確定的巡更線路上安裝一系列代表不同點(diǎn)的射頻卡，到達(dá)各點(diǎn)時(shí)巡更人員用手持式巡更機(jī)靠近巡道檢測點(diǎn)，把代表該點(diǎn)的卡號和時(shí)間同時(shí)記錄下來；巡更完成后巡更機(jī)把采集到的信息通過USB接口芯片存儲(chǔ)到U盤中或直接傳給計(jì)算機(jī)軟件處理。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    圖1是便攜式射頻讀寫器的原理框圖。

圖1  讀卡模塊系統(tǒng)原理框圖

    系統(tǒng)以MCU STC89LE58為核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。FM1702N是非接觸式讀卡機(jī)專用芯片(兼容MF RC500)，采用并行通信方式和MCU連接，在MCU控制下，讀寫器通過射頻模塊及其天線與卡片進(jìn)行通信。系統(tǒng)采用低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片記錄采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，采用虛擬I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；CH375通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與MCU相連接，它支持各種常用的USB全速設(shè)備，MCU通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信。在對各模塊進(jìn)行操作時(shí)由電池向其供電，提供電壓為3.3～3.6V。

1 主控模塊設(shè)計(jì)

    讀寫器主控模塊由MCU及其外圍電路組成?？蓞⒖糓CU的工作電壓和所提供的低功耗模式，并結(jié)合設(shè)計(jì)的需要選擇集成所需外圍芯片的MCU。依據(jù)以上三個(gè)原則，選擇了超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的MCU STC89LE58，其內(nèi)部有16KB的EEPROM。此外，由于其工作電壓范圍較寬（2～3.8V），功耗低，特別適合用于電池供電系統(tǒng)。

    圖2是主控模塊電路原理圖，USB接口芯片CH375與讀寫器芯片F(xiàn)M1702N與MCU通信都采用并口通信方式，直接掛接到MCU的系統(tǒng)總線上。

圖2  主控模塊電路原理圖

2 射頻模塊設(shè)計(jì)

    讀寫模塊是射頻IC卡與外界通信的媒介，讀寫模塊連接著的天線與IC卡線圈產(chǎn)生共振，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，完成讀寫模塊與卡之間的通信。本設(shè)計(jì)使用的FM1702N支持13.56MHz頻率下TYPE A 非接觸通信協(xié)議，它是與非接觸式IC卡實(shí)現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是關(guān)鍵接口芯片。它根據(jù)寄存器的設(shè)計(jì)對發(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，通過由TX1、TX2引腳驅(qū)動(dòng)的天線以電磁波的形式發(fā)出去，IC卡采用RF場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取IC卡的響應(yīng)信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX引腳，F(xiàn)M1702N內(nèi)部接收緩沖器對信號進(jìn)行檢測和解調(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MCU讀取。

3 天線設(shè)計(jì)

    為了與非接觸式IC卡進(jìn)行通信，讀寫器必須有能發(fā)射和接受射頻信號的天線?？梢葬槍Σ煌膽?yīng)用設(shè)計(jì)不同大小和形狀的天線。天線設(shè)計(jì)具體步驟為：設(shè)定讀寫器工作環(huán)境，優(yōu)化讀寫器與應(yīng)答器之間的耦合系數(shù)，確定天線線圈和電容。

    非接觸式IC卡天線利用電感耦合產(chǎn)生磁通，磁通用來向應(yīng)答器提供電源，并且在兩者間傳輸數(shù)據(jù)。因此對讀寫器天線的構(gòu)造有以下幾個(gè)基本要求：使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量Φ；功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；足夠的帶寬以無失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。

4 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    蜂鳴器是在每次讀卡操作不成功的時(shí)候發(fā)出報(bào)警指示音。由于MCU的I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不能直接驅(qū)動(dòng)壓電式蜂鳴器，因此選用一 PNP 型晶體管組成晶體管驅(qū)動(dòng)電路，MCU I/O口（P3.4）輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后即可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。本設(shè)計(jì)選用蜂鳴器的工作電流為10mA，其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3  蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

5 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

    如圖4所示，實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563實(shí)現(xiàn)，PCF8563提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測器，其所有地址和數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口串行傳遞（由STC89LE58R的P1.6和P1.7構(gòu)成模擬I2C串行口）。時(shí)鐘電路主要是采集實(shí)時(shí)時(shí)間，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤記錄。同時(shí)考慮到PCF8563為實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，在沒有外接電源時(shí)仍然要求連續(xù)供電，以保持時(shí)間的準(zhǔn)確無誤。所以，該部分電路還加了掉電保護(hù)功能。

圖4  時(shí)鐘電路

6 通信接口設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用USB進(jìn)行通信，USB接口芯片采用的是CH375，支持HOST主機(jī)方式和SLAVE設(shè)備方式。在USB主機(jī)方式下，CH375提供了并行和串行兩種通信方式，本次設(shè)計(jì)中采用并口通信方式，通過8位被動(dòng)并行接口的D7～D0、RD、WR、A0、CS直接掛接到MCU的系統(tǒng)總線上，電路連接簡單。CH375內(nèi)置了處理海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，所以讀寫器系統(tǒng)的MCU可通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信，可將U盤作為可移動(dòng)的大容量存儲(chǔ)器，無須詳細(xì)了解USB通信協(xié)議，便可能數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分，即對FM1702N的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、USB接口程序設(shè)計(jì)和主程序設(shè)計(jì)。

    讀寫器從休眠中被喚醒后進(jìn)行卡探測，如果有卡或有通信請求，就進(jìn)行讀卡、寫記錄、通信等正常的工作過程，工作結(jié)束就進(jìn)入休眠。如果無卡，就直接進(jìn)入休眠狀態(tài)。喚醒脈沖固定500ms一次，正常工作狀態(tài)時(shí)，屏蔽喚醒中斷。所以終端在無卡狀態(tài)下，每間隔500ms被喚醒一次，進(jìn)行卡探測?？ㄌ綔y的時(shí)間就是電流的主要消耗時(shí)間，因此縮短卡探測的時(shí)間是很關(guān)鍵的。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)卡探測時(shí)間為2ms，這樣，終端在無外界干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)卡探測，功耗很低。在無卡狀態(tài)下，每個(gè)500ms循環(huán)中，有2～3ms處于工作狀態(tài)，瞬態(tài)最大電流為40mA，有497～498ms處于休眠狀態(tài)，電流只有幾個(gè)微安，總體平均電流為50μA，從而達(dá)到手持式終端的低功耗的要求。

    MCU采用C51語言編程，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5  系統(tǒng)軟件流程圖

讀寫器的功耗測試結(jié)果

    當(dāng)對設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測試時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)功耗并不像理論上計(jì)算的那樣小。此時(shí)，首先要分清電能主要是MCU本身消耗了還是I/O引腳驅(qū)動(dòng)外圍電路消耗了。最簡單的判斷方法是分別測出MCU電源輸入引腳的電流和MCU接地引腳的電流，只有當(dāng)兩者的數(shù)值基本相等時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的功耗最低。可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：所有輸入引腳不能懸空。如果懸空的將使得數(shù)字輸入緩沖區(qū)產(chǎn)生切換電流，從而增大功耗。所有未用的引腳設(shè)置為輸出，并設(shè)置為固定的高電平或低電平。如果MCU電源輸入引腳電流和接地引腳流出電流不相等，則I/O引腳一定輸出或吸收了電流，應(yīng)該仔細(xì)查找輸出或吸收電流的I/O引腳并采取的措施以降低功耗。檢查是否所有片上的外圍電路都給關(guān)閉了，否則外圍電路會(huì)消耗額外的電流。

    本設(shè)計(jì)的測試結(jié)果如下：待機(jī)電流為7mA，在讀寫IC卡時(shí)電流為38mA。讀寫器的功耗和輸入電壓密切相關(guān)，輸入電壓升高，讀寫器的功耗也相應(yīng)加大，所以合理選項(xiàng)用輸入電壓很重要。若以3節(jié)5號鎳氫電池供電，讀寫器可連續(xù)工作半年以上。對設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的讀寫器進(jìn)行測試，結(jié)果表明：一般環(huán)境中可在0～8cm范圍內(nèi)尋到IC卡；讀寫距離為0～4cm，正常完成各項(xiàng)工作設(shè)計(jì)功能，運(yùn)行穩(wěn)定，基本達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。

    然而，本次設(shè)計(jì)在很多方面需要改進(jìn)，例如，可為讀寫器加上LCD顯示，加裝鍵盤；本設(shè)計(jì)沒有考慮到上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)問題；應(yīng)用程序可以進(jìn)一步的優(yōu)化，以提高程序的執(zhí)行效率。