射频IC MFRC522在智能仪表中的应用

1 引言 由于环境温度、湿度、油污等外界条件对诸如预付费水表、预付费燃气表、预付费热量表等接触式卡表的影响明显，卡座磨损、腐蚀，以及潮气、灰尘等大大缩短了对卡表的使用寿命，因此非接触卡表已成为当前发展趋势。这里给出了一种基于射频器件MFRC522的智能仪表设计，提高了智能仪表的使命寿命。2 MFRC522简介2.1 MFRC522的特点 MFRC522采用串行通信方式与主机通信，可根据用户需求，选用SPI、I2C或串行UART工作模式，有利于减少连线，缩小PCB板面积，降低成本。MFRC522主要特点如下： 高度集成的调制解调电路，采用少量外部器件，即可将输出驱动级接至天线； 支持ISO／IEC 14443 FypeA接口和MIFARE通信协议： 支持多种主机接口：10 Mbit／s的SPI接口；I2C接口，快速模式的速率为400 Kbit／s，高速模式的速率为3 400 Kbit／s；串行UART，传输速率可以高达1 228.8 Kbit／s，帧取决于RS232接口； 特有的发送器掉电机制可关闭内部天线驱动器，即关闭RF场，达到低功耗； 内置温度传感器，在过热时自动停止RF发射； 独立的多组电源供电，避免相互干扰，优化EMC特性和信号退耦性能； 2.5 V～3.6 V的低压、低功耗，采用5 mm×5 mm×0.85 mm的超小型HVQFN32封装。2.2 MFRC522的内部结构 MFRC522的内部结构框图如图1所示。MFRC522支持可直接相连的各种微控制器接口，如SPI、I2C和串行UART。MFRC522能使其接口复位自动检测上电或硬复位的当前微控制器接口类型。可通过复位控制引脚的逻辑电平来识别微控制器接口。数据处理部分实现数据并行一串行转换。可支持CRC和奇偶校验。由于MFRC522以完全透明的模式操作，因而支持ISO14443A所有层。状态和控制部分用于配置器件，以适应环境影响并使性能达到最佳。当MFRC522与MIFARE通信时，使用高速CRYPTO1流密码单元和一个可靠的非易失性密钥存储器。模拟电路包含超低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这样可使其最大操作距离达到100 mm。接收器检测弱应答信号并对其解码。 MFRC522有4页共64个的寄存器，用于发送接收数据。第0页为命令和状态寄存器，用于设置数据通讯及其和状态标志；第1页为命令寄存器，用于控制并设置发射器和接收器；第2页为内部结构寄存器，用于控制发射引脚及设置定时器；第3页为测试模式寄存器，主要用于芯片测试。 MFRC522利用多种命令完成对寄存器的设置和操作，进而实现对射频卡的读、写、校验等操作。表1列出了MFRC522的操作命令。2.3 MFRC522的工作原理 系统通过与MFRC522连接的天线和IC卡线圈产生共振来传递数据，从而完成模块与卡间的通讯。MFRC522根据寄存器的设置来调制发送缓冲区数据进而得到发送信号，以TX1、TX2引脚驱动天线产生电磁波的形式发送，IC卡采用RF场的负载调制进行响应。同时天线检测到IC卡的响应信号后，经过天线匹配传送到RX引脚，MFRC522内部接收缓冲器对其信号进行检测、解调，并根据寄存器的设置进行相应处理，再将其数据发送至单片机。3 MFRC522在智能仪表中的应用3.1 智能仪表的要求 由于大多数智能仪表是由电池供电的，它要求射频模块在保证正常数据通讯的同时，功耗越低越好。MFRC522可以提供多种降低功耗的方法，包括软掉电、硬掉电等。软掉电时，MFRC522的功耗是10μA，硬掉电，MFRC522的功耗为5μA。而对于静态功耗只有3μA～4μA的产品来说，5μA的功耗仍不能满足要求。因此，可将MFRC522的NRSTPD引脚通过一只100 kΩ电阻接至DVCC。对卡无操作时，控制DVCC使MFRC522完全断电，使功耗降至最低，并采用按键或干簧管实现触发程序，向MFRC522供电。3.2 接口方式 MFRC522可提供三种接口方式，如表2所示，根据所采用的单片机选择相应的接口方式。 以MSP430F413为例，选用I2C接口方式，其连接图如图2所示。由于单片机MSP430F413无I2C接口功能的端口线，因此采用I／O模拟I2C时序3.3 天线匹配电路 从TX1和TX2引脚发射的信号是已调制的13.56 MHz载波信号，辅以多个无源器件实现匹配和滤波功能，以直接驱动天线。 内部接收电路利用卡的响应信号在副载波的双边带上都具有调制这一功能进行工作。推荐使用MFRC522内部产生的VMID信号作为RX引脚输入信号的偏置。为了稳定VMID输出．需在VMID和GND之间连接一只电容C4。接收电路需在RX和VMID之间连接一分压电路。其匹配电路和信号接收电路如图3所示，图3中包含有EMC低通滤波器（L01，L02，C01，C02）、接收电路（R66，C3，R65，C4）、天线匹配电路（C03,C04，C2A，C2B,R2A，R281以及天线。其中EMC低通滤波器、接收电路中元件大小可参考相关数据资料，一般无需调整，但要注意元件精度及材料一定要符合设计要求，诸如：L01、L02应选用1.0μH±10％的滤波电感，C01、C02应选用NP0材料±2％的电容。3.4 天线设计 实现与非接触卡的通讯，智能仪表必须具有发射和接收射频信号的天线。针对不同应用可设计相关天线。天线设计步骤为：设定智能仪表的工作环境；优化天线与非接触卡的耦合系数；确定天线线圈和匹配电容。 非接触式IC卡天线利用电感耦合产生磁通，磁通用于向IC卡器件提供电源，并且可在两者之间传输数据。因此要求天线线圈的电流最大，产生最大磁通量；功率匹配，最大限度使用磁通量的可用能量；足够的带宽以无失真地传输数据调制的载波信号。 实际的天线电感和电容值取决于天线电阻（PCB类型）、导体厚度、线与线之间的距离、保护层材料、附近的金属或者铁氧体等因素。天线设计完成后，以能准确通讯的最远距离为标准，调整匹配电容。匹配电容也应采用NP0材料。3.5 MFRC522识卡的软件设计 MFRC522能渎写所有符合ISO／IEC 14443TYPE A接口的非接触卡，其识卡过程如下： （1）MFRC522复位后，即可对卡操作。 （2）复位应答。当卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议进行通讯，从而确定该卡是否为S50射频卡，即验证卡型。 （3）防冲突闭合机制。当有多张S50卡在读写器的操作范同内时，防冲突闭合电路首先从众多卡片中选择其中的一张作为下步处理的对象，而未选中的卡片则处于空闲模式以等待下一次选择，该过程返回一个被选中卡的序列号。 （4）选择卡片。选择被选中卡的序列号，同时返回卡的容量代码。 （5）三次互相认证。选定要处理的卡片后，读写器可确定访问的扇区号，并对该扇区进行密码校验，在三次互相认证后就可以通过加密流进行通讯（而在选择下一个扇区时，必须对新扇区的密码进行校验。）。4 结束语 随着射频卡应用普及，其各项技术指标也得到改善，具备广泛应用的技术能力。MFRC522在智能仪表以及各种手持设备上的应用，以其低工作电压和低功耗的优势处于领先地位，因此，MFRC522具有较大的发展空间。