Cortex-M0+的RFID讀卡器模塊設(shè)計(jì)

　　1 主控和射頻芯片簡介

　　1.1 主控芯片NXP LPC812

　　LPCS00系列是基于ARM Cortex-M0+的低成本32位MCU系列產(chǎn)品，工作時(shí)CPU 頻率最高可達(dá)30 MHz。它支持最高16 KB的閃存和4 KB的SRAM。

　　1.2 射頻芯片SLRC610

　　SLRC610是NXP公司新一代多協(xié)議無線近場芯片中的一員，它是用于13.56 MHz的非接觸式通信的高度集成的收發(fā)器芯片，支持并遵守IS0/IEC15693、EPC UID和ISO/IEC18000-3 mode 3/EPC Class-1 HF協(xié)議的卡片。它與主機(jī)的通信接口有SPI、UART、I2C總線(包括I2C和I2CL模式)三種。另外，它的安全性比上一代更高，支持安全訪問模塊(SAM)的連接。

　　數(shù)據(jù)手冊的第一個(gè)正式版(SLRC610 v.3.1)在2012年9月6日發(fā)布，從目前最新的數(shù)據(jù)手冊(SLRC6l0 v.3.4)來看，新版主要是修正發(fā)現(xiàn)的描述錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)值的更新。

　　2 模塊硬件設(shè)計(jì)

　　模塊主要由通信升級接口、調(diào)試接口、提示信號、LPC812、SLRC610、模塊內(nèi)置天線等組成。模塊框圖如圖1所示。

　　圖1 模塊框圖

　　2.1 主控芯片電路設(shè)計(jì)

　　LPC812是LPC800 系列配置最高的型號，它有TSSOP16、SO2O、TSSOP20三種封裝，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是小模塊，所以選用了sO2O塑料小型封裝。由于LPC812支持通過開關(guān)矩陣將特殊功能分配到某個(gè)I/O引腳，所以在設(shè)計(jì)原理圖的時(shí)候可以充分考慮將某個(gè)功能分配到哪個(gè)引腳上既方便布線、性能又好。另外，本次設(shè)計(jì)中LPC812內(nèi)置的1%精度的12 MHz內(nèi)部RC振蕩器作系統(tǒng)時(shí)鐘。主控芯片電路如圖2所示。

　　圖2 主控芯片電路圖

　　2.1.1 通信、升級接口設(shè)計(jì)

　　LPC812繼承NXP以往單片機(jī)的在系統(tǒng)編程(ISP)升級功能。由于在ISP模式下占用了USARTO，而本次設(shè)計(jì)模塊的通信接口也是串口，故將通信和升級合并為一個(gè)接口。要模塊正常工作則將IsPEN懸空(推薦接VCC);要升級固件，則將ISPEN接GND，然后給LPC812上電，再通過工具軟件Flash Magic燒寫新固件。這部分對應(yīng)圖2中的J1接口。

　　2.1.2 調(diào)試接口設(shè)計(jì)

　　LPC812支持SWD調(diào)試、JTAG 邊界掃描、微跟蹤緩沖區(qū)(MTB)三種方式。其中，SWD使用較為方便，僅僅需要串行線調(diào)試數(shù)據(jù)輸入/輸出(SWDIO)、串行線時(shí)鐘(SWCLK)、復(fù)位(nRST)這i根線。本設(shè)計(jì)中為了調(diào)試方便又加了VCC和GND這兩根線，也就是說可以在只插這個(gè)調(diào)試接口的情況下對模塊進(jìn)行調(diào)試。在默認(rèn)情況下它的VCC是從外界取電的，所以要外部給板子供電才能調(diào)試。打開JTAG的外殼，將內(nèi)部的跳線帽插到靠近VCC的兩針上，那么JTAG工具的VCC就對外供電了，對板子調(diào)試可以不用再外部供電。這部分對應(yīng)圖2中J2接口。

　　2.2 射頻芯片電路設(shè)計(jì)

　　SLRC610只有一種小型的HVQFN32封裝，特別要注意它的第33引腳，也就是芯片朝PCB面正中間一個(gè)正方形的面，這個(gè)面必須良好接地，否則會出現(xiàn)些奇怪的現(xiàn)象。SLRC610支持SPI、I2C 總線、I2CI 和UART 四種接口，它會在掉電復(fù)位后通過IFSEL0和IFSEL1電平組合來判斷當(dāng)前主機(jī)接口類型。本次設(shè)計(jì)是采用了硬編碼的SPI接口，在硬件電路上需IFSEL0接地、IFSEL1接VCC.射頻芯片電路如圖3所示。其巾，引在SLRC610芯片中33引腳VSS的作用是接地和散熱，所以此引腳必須良好接地。

　　圖3 射頻芯片電路圖

　　天線的匹配電路包含一個(gè)EMC低通濾波器(L1、L2、C5、C6)，一個(gè)匹配電路(C3、C4、C7~ C1O)，一個(gè)接收電路(R2、R3、C15)和天線本身。接收電路的元件值需被特別設(shè)計(jì)并根據(jù)板子實(shí)際情況調(diào)整。本次設(shè)計(jì)模塊的尺寸有限，接收電路采用了元器件較少的單端模式，且天線線圈是內(nèi)置在PCB中間層，以方便應(yīng)用，減小體積。

　　3 模塊軟件設(shè)計(jì)

　　主程序包含系統(tǒng)初始化、LED測試、串口測試、SLRC610測試這4部分。系統(tǒng)初始化部分主要有系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)鐘更新、GPIO初始化、systick配置功能。LED測試部分主要包含LED端口初始化、更新為滅狀態(tài)、更新為亮狀態(tài)、翻轉(zhuǎn)亮滅狀態(tài)功能測試。當(dāng)然這之后LED已經(jīng)配置好，可以隨意使用三個(gè)更新狀態(tài)函數(shù)。串口測試主要包括對串口功能引腳分配(LPC812的開關(guān)矩陣，這部分放在SPI配置部分詳細(xì)敘述)、串口初始化、發(fā)送字符串等功能測試。這之后，就可以通過串口打印調(diào)試信息。

　　3.1 SLR0610測試部分

　　SLRC610測試部分包含設(shè)置接口連接、SLRC610復(fù)位、NXP lib初始化、等待SLRC610復(fù)位就緒進(jìn)人空閑狀態(tài)、檢測15693卡、LED燈提示等。設(shè)置 接口連接部分主要是通過軟件來設(shè)置IFSEL0和IFSEL1的電平，告訴SLRC610采用哪種接口，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中這兩個(gè)引腳是通過硬件方式設(shè)置的，所以這里沒有執(zhí)行實(shí)際操作，僅打印了當(dāng)前使用了SPI接口的提示信息。

　　SLRC610復(fù)位是通過將SLRC610的PDOwN 引腳加載超過10μs的持續(xù)高電平來啟動內(nèi)部復(fù)位程序的，它包含復(fù)位電源和啟動時(shí)間兩個(gè)階段。由于它的復(fù)位方式和老一代的方式不同，所以升級射頻芯片的時(shí)候要格外注意。筆者調(diào)試的時(shí)候就遇到過因復(fù)位導(dǎo)致的問題，當(dāng)循環(huán)跑SLRC610測試時(shí)，會偶爾成功。追蹤發(fā)現(xiàn)讀寫寄存器不是每次都成功，后來調(diào)了較長一段時(shí)間才發(fā)現(xiàn)是復(fù)位的問題。在本次設(shè)計(jì)中為確保復(fù)位成功，后面又加了“等待SLRC610復(fù)位就緒進(jìn)入空閑狀態(tài)”這一步驟。

　　SLRC610測試流程圖如圖4所示。

　　圖4 SLRC610測試流程圖[!--empirenews.page--]

　　3.2 檢測 15693

　　檢測15693協(xié)議主要包含SLRC610軟復(fù)位、初始化15693協(xié)議層、應(yīng)用15693協(xié)議設(shè)置、獲取15693卡系統(tǒng)信息。SLRC61O軟復(fù)位就是將SLRC610內(nèi)部E2PROM 中保存的寄存器的默認(rèn)值重新加載到寄存器中。一般初始化的時(shí)候會用到，當(dāng)然切換協(xié)議的時(shí)候也會用到。初始化15693協(xié)議層主要完成參數(shù)結(jié)構(gòu)體長度檢查和私有變量初始化。應(yīng)用15693協(xié)議設(shè)置是根據(jù)參數(shù)中設(shè)置的卡的類(PHHAL_Hw_CARDTYPE_ISO15693)來加載該協(xié)議下SLRC610的寄存器的默認(rèn)配置，包括調(diào)制深度、調(diào)制方式、超時(shí)時(shí)間等。檢測15693流程圖如圖5所示。

　　圖5 檢測15693流程圖

　　3.3 Get System lnfo命令

　　Get System Info是ISI15693的可選命令，主要用來檢索卡片的基本信息。請求和應(yīng)答幀都是有幀頭和幀尾的，如下所示。

　　去掉幀頭幀尾 一共有4個(gè)字段，其中一個(gè)字段(8字節(jié)的UID)是可選的。它的響應(yīng)信息格式如下所示，其中斜體部分的字段表示，只有在響應(yīng)信息中有該標(biāo)志，才有這個(gè)字段的信息。

　　由于它發(fā)送的字節(jié)少(在不加UID的情況，加 上CRC才4字節(jié))，而且只要卡在場中就能使用，比較方便用示波器抓波形以分析收發(fā)的數(shù)據(jù)是否正常。

　　獲取15693卡系統(tǒng)信息的寫法有兩種：第一種是用phpalSlil5693_Sw_Exchange和卡片交換信息的時(shí)傳兩字節(jié)數(shù)據(jù)“0x02 0x2B”，并設(shè)發(fā)送長度為兩字節(jié);第二種是用phpalSlil5693_Sw_Exchange和卡片交換信息的時(shí)傳兩字節(jié)數(shù)據(jù)“0x2B”，并設(shè)發(fā)送長度為一字節(jié)。從本質(zhì)上來講，這兩種做法的最終結(jié)果都是發(fā)了同樣的數(shù)據(jù)，不同之處在于它們的發(fā)送方式。phpalSli15693_Sw_Exchange的第二個(gè)參數(shù)有一個(gè)是寫選項(xiàng)，對于第一種，要將其設(shè)為PH_EXCHANGE_LEAVE_BUFFER_BIT，第二種設(shè)為PH_EXCHANGE_DEFAULT，還得將0x02設(shè)置到第一個(gè)參數(shù)的bFlags上。另外在使用phpalSli15693_Exchange時(shí)要特別注意，在該函數(shù)前面用phpalSli15693_SetConfig函數(shù)設(shè)置超時(shí)。假如沒有設(shè)置該函數(shù)，那么每次只能收到卡片返回的前5位正確數(shù)據(jù)。獲取15693卡系統(tǒng)信息流程圖如圖6所示。

　　圖6 獲取15693卡系統(tǒng)信息流程圖

　　3.4 SPI通信

　　采用宏定義加數(shù)組的方式來配置I/O引腳，這種方法比較靈活，可移植性很強(qiáng)，又方便代碼維護(hù)。LPC800系列加了一個(gè)開關(guān)矩陣，將可轉(zhuǎn)移功能通過開關(guān)矩陣分配給引腳PIO0_0~PIO0_17，使用起來很方便。使用的時(shí)候需要先查可轉(zhuǎn)移功能所對應(yīng)的SWM 引腳分配寄存器。找到后先將原來的數(shù)據(jù)清除，再寫上新分配的引腳。操作過程中要謹(jǐn)慎，絕不能修改不該動的位。

　　這里初始化調(diào)用LPC812的庫函數(shù)，將SP10設(shè)置為主機(jī)模式，為確保通信可靠在SSEL置位和數(shù)據(jù)幀起點(diǎn)之間、制數(shù)據(jù)幀末尾和SSEL解除置位之間、相鄰數(shù)據(jù)幀之間插入2個(gè)SPI時(shí)鐘周期，兩次傳輸之間SSEL解除置位的最短時(shí)間為3個(gè)SPI時(shí)鐘周期。

　　4 模塊調(diào)試和測試

　　4.1 調(diào)試方法

　　由于15693的編碼方式是SOF信號后每一定長度代表一定量的信息，所以可以先取信號的開始時(shí)間，然后計(jì)算下一個(gè)的時(shí)間，去看示波器每一個(gè)時(shí)間段的波形，記錄下來然后去整體解析。

　　抓到數(shù)據(jù)后開始解析數(shù)據(jù)，比如獲取卡片信息的命令(0x02 0x2B 0x26 0xA3)，它總共有4個(gè)字節(jié)，最后兩個(gè)字節(jié)是CRC校驗(yàn)。通過調(diào)程序可以看到VCD發(fā)的實(shí)際命令(0x02 0x2B)，而CRC則是硬件算好直接發(fā)的，所以通過調(diào)程序無法看到它。

　　4.2 測試

　　模塊的實(shí)際大小為45 mm×45 mill，模塊中芯片、元器件都集中在模塊中間，線圈以蝕刻的方式在靠近的邊緣的PCB中間層。筆者手上有TI、NXP、ST公司的15693卡共4種型號，做了讀卡距離測試。測試方法是將卡放于模塊天線正對面，通過觀察模塊上LED燈是否亮就能知道是否讀卡成功，將卡放到能讀到的高度，再用直尺去量高度。

　　結(jié)語

　　本模塊設(shè)計(jì)中采用的是較新的主控和射頻芯片，價(jià)格較低，性能又強(qiáng)，而且在很長一段時(shí)間內(nèi)不會有供貨、價(jià)格等方面的問題。LPC800系列既增加了開關(guān)矩陣等實(shí)用的功能，方便用戶電路設(shè)計(jì)，也集成了老一代單片機(jī)的ISP升級功能。本文詳細(xì)描述了這兩顆芯片的使用方法以及對模塊的調(diào)試方法與步驟等。該模塊采用貼面封裝的元件，具有低成本、低功耗、小尺寸、讀寫卡距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，使用起來很方便，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。