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(duì)諸如預(yù)付費(fèi)水表、預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗?、預(yù)付費(fèi)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(duì)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(shì)。這里給出了一種基于射頻器件MFRC522的智能儀表設(shè)計(jì)，提高了智能儀表的使命壽命。

2 MFRC522簡(jiǎn)介

2.1 MFRC522的特點(diǎn)

MFRC522采用串行通信方式與主機(jī)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(diǎn)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(dòng)級(jí)接至天線；

支持ISO／IEC 14443 FypeA接口和MIFARE通信協(xié)議：

支持多種主機(jī)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3 400 Kbit／s；串行UART，傳輸速率可以高達(dá)1 228.8 Kbit／s，幀取決于RS232接口；

特有的發(fā)送器掉電機(jī)制可關(guān)閉內(nèi)部天線驅(qū)動(dòng)器，即關(guān)閉RF場(chǎng)，達(dá)到低功耗；

內(nèi)置溫度傳感器，在過熱時(shí)自動(dòng)停止RF發(fā)射；

獨(dú)立的多組電源供電，避免相互干擾，優(yōu)化EMC特性和信號(hào)退耦性能；

2.5 V～3.6 V的低壓、低功耗，采用5 mm×5 mm×0.85 mm的超小型HVQFN32封裝。

2.2 MFRC522的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MFRC522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(dòng)檢測(cè)上電或硬復(fù)位的當(dāng)前微控制器接口類型。可通過復(fù)位控制引腳的邏輯電平來識(shí)別微控制器接口。數(shù)據(jù)處理部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行一串行轉(zhuǎn)換?？芍С諧RC和奇偶校驗(yàn)。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(dá)到最佳。當(dāng)MFRC522與MIFARE通信時(shí)，使用高速CRYPTO1流密碼單元和一個(gè)可靠的非易失性密鑰存儲(chǔ)器。模擬電路包含超低阻抗橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分。這樣可使其最大操作距離達(dá)到100 mm。接收器檢測(cè)弱應(yīng)答信號(hào)并對(duì)其解碼。

MFRC522有4頁共64個(gè)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(shí)器；第3頁為測(cè)試模式寄存器，主要用于芯片測(cè)試。

MFRC522利用多種命令完成對(duì)寄存器的設(shè)置和操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻卡的讀、寫、校驗(yàn)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(jìn)而得到發(fā)送信號(hào)，以TX1、TX2引腳驅(qū)動(dòng)天線產(chǎn)生電磁波的形式發(fā)送，IC卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。同時(shí)天線檢測(cè)到IC卡的響應(yīng)信號(hào)后，經(jīng)過天線匹配傳送到RX引腳，MFRC522內(nèi)部接收緩沖器對(duì)其信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、解調(diào)，并根據(jù)寄存器的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)處理，再將其數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)。

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(shí)，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(shí)，MFRC522的功耗是10μA，硬掉電，MFRC522的功耗為5μA。而對(duì)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(duì)卡無操作時(shí)，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(shí)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(jī)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(jī)MSP430F413無I2C接口功能的端口線，因此采用I／O模擬I2C時(shí)序。

3.3 天線匹配電路

從TX1和TX2引腳發(fā)射的信號(hào)是已調(diào)制的13.56 MHz載波信號(hào)，輔以多個(gè)無源器件實(shí)現(xiàn)匹配和濾波功能，以直接驅(qū)動(dòng)天線。

內(nèi)部接收電路利用卡的響應(yīng)信號(hào)在副載波的雙邊帶上都具有調(diào)制這一功能進(jìn)行工作。推薦使用MFRC522內(nèi)部產(chǎn)生的VMID信號(hào)作為RX引腳輸入信號(hào)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(hào)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，R281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(jì)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(jì)

實(shí)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(hào)的天線。針對(duì)不同應(yīng)用可設(shè)計(jì)相關(guān)天線。天線設(shè)計(jì)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(hào)。

實(shí)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(hù)層材料、附近的金屬或者鐵氧體等因素。天線設(shè)計(jì)完成后，以能準(zhǔn)確通訊的最遠(yuǎn)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(shí)卡的軟件設(shè)計(jì)

MFRC522能瀆寫所有符合ISO／IEC 14443TYPE A接口的非接觸卡，其識(shí)卡過程如下：

(1)MFRC522復(fù)位后，即可對(duì)卡操作。

(2)復(fù)位應(yīng)答。當(dāng)卡片進(jìn)入讀寫器的操作范圍時(shí)，讀寫器以特定的協(xié)議進(jìn)行通訊，從而確定該卡是否為S50射頻卡，即驗(yàn)證卡型。

(3)防沖突閉合機(jī)制。當(dāng)有多張S50卡在讀寫器的操作范同內(nèi)時(shí)，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(duì)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(gè)被選中卡的序列號(hào)。

(4)選擇卡片。選擇被選中卡的序列號(hào)，同時(shí)返回卡的容量代碼。

(5)三次互相認(rèn)證。選定要處理的卡片后，讀寫器可確定訪問的扇區(qū)號(hào)，并對(duì)該扇區(qū)進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在三次互相認(rèn)證后就可以通過加密流進(jìn)行通訊(而在選擇下一個(gè)扇區(qū)時(shí)，必須對(duì)新扇區(qū)的密碼進(jìn)行校驗(yàn)。)。

4 結(jié)束語

隨著射頻卡應(yīng)用普及，其各項(xiàng)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(shì)處于領(lǐng)先地位，因此，MFRC522具有較大的發(fā)展空間。