探究射頻IC MFRC522在智能儀表中的應(yīng)用技術(shù)

1 引言

由于環(huán)境溫度、濕度、油污等外界條件對諸如預(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(jì)，提高了智能儀表的使命壽命。

2 MFRC522簡介

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)動級接至天線；

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)動器，即關(guān)閉RF場，達(dá)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(dú)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 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(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，使用高速CRYPTO1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(dá)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對射頻卡的讀、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，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(fù)載調(diào)制進(jìn)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(jìn)行檢測、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，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(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(shí)現(xiàn)匹配和濾波功能，以直接驅(qū)動天線。