OLD---射頻卡操作芯片MFRC522在電能量管理終端中的應(yīng)用設(shè)計-old

1、射頻卡操作芯片MFRC522在電能量管理終端中的應(yīng)用設(shè)計陶維青1，王璟1，黃俊祥111（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 安徽合肥 230009）（E-mail: wqtao, tonado.wang, jxh_smile）摘 要：本文介紹了在現(xiàn)有電能量管理終端的硬件平臺基礎(chǔ)上，對射頻卡操作芯片MFRC522進(jìn)行二次開發(fā)的方法。文章首先介紹MFRC522的特性；接著對MFRC522與終端主控DSP 的連接方式進(jìn)行闡述；然后提出了射頻天線設(shè)計的方法以及其中需要注意的問題；隨后對MFRC522初始化的方法以及其中需要配置的寄存器進(jìn)行了描述；最后闡述了射頻卡操作指令以及MFRC522射頻卡操作的實現(xiàn)

2、方法并給出了軟件流程。關(guān)鍵詞：MFRC522；射頻卡；電能量管理終端Application Design of RF Card Operation Chip MFRC522 in EnergyManagement Terminal UnitWei-qing Tao1，Jing Wang1，Jun-xiang Huang11(School of Electric Engineering and Automation,Hefei University Of Technology, Hefei Anhui, 230009(E-mail: wqtao, tonado.wang, jxh_smileAb

3、stract ：In this paper, we present an application design of RF Card operation chip MFRC522 in Energy Management Terminal Unit(EMTU. First, introduces the characteristics of MFRC522 , describes MFRC522 and EMTU s DSP connecting circuit diagram. Then describes the method of RF antenna design and some i

4、mportant things. Describes the method of MFRC522 initialization, and some registers need to configure. At last, describes the RF Card operation commands and the software flow diagram of MFRC522 achieves RF card operation. Key words: MFRC522; RF Card ; Energy Management Terminal Unit1引言隨著“城市一卡通”工程的實施

5、和推廣，射頻卡憑借安全、可靠、便捷的特點在公共交通、城市支付方面充當(dāng)著電子錢包的角色。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及一卡通的普及，電能量管理終端也需要具有射頻卡讀寫功能。MFRC522是Philips 公司繼MFRC500、MFRC531及CLRC632等一系列典型產(chǎn)品后推出的一款針對智能儀表領(lǐng)域的符合ISO1443A 協(xié)議的射頻卡操作芯片，采用統(tǒng)一的3.3V 供電, 內(nèi)置13.56MHz 無源天線驅(qū)動，且具有多種串行接口(I2C、SPI 、UART 。相比以前的產(chǎn)品，MFRC522具有低電壓、低功耗、低成本、體積小、與主控器件通訊方便的特點。本次設(shè)計的硬件平臺采用安徽科大魯能科技有限公司的電能量

6、管理終端，終端具有多種擴展接口，擴展板與終端擴展接口接駁后即可進(jìn)行功能性擴展。設(shè)計時將MFRC522以及天線等外部電路以擴展板的形式進(jìn)行實現(xiàn)，再配合軟件完成了終端的射頻卡操作功能。2 MFRC522擴展板的硬件設(shè)計終端的主控DSP 通過對MFRC522寄存器操作來控制芯片，芯片收到DSP 發(fā)來的命令后，通過天線按照ISO1443A 協(xié)議格式向附近發(fā)出13.56 MHz頻率的調(diào)制信號與卡片通訊。 2.1 MFRC522與終端主控DSP 的連接電路終端擴展口為擴展板提供3.3V 電源以及由主控DSP 引出的GPIO 口，所以設(shè)計時1陶維青，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，wqt

7、ao 王 璟，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院研究生，tonado.wang 黃俊祥，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院研究生，jxh_smileMFRC522使用I2C 總線與DSP 的GPIO 模擬的I2C 總線相連。硬件電路圖如下所示： 圖 1 DSP與MFRC522的連接電路圖為使MFRC522進(jìn)入I2C 工作模式，I2C 引腳應(yīng)該拉高電平。EA 引腳和D1D6引腳共同確定MFRC522作為I2C 從設(shè)備的7位地址。當(dāng)EA=1即高電平時，MFRC522地址的其中6位數(shù)據(jù)由D1D6的電平高低來確定，剩下一位為0，在這種情況下，需要注意D1D6位的值不要與I2C 協(xié)議中規(guī)定的一些特殊地址相同

8、，以免發(fā)生沖突；當(dāng)EA=0即低電平時，則MFRC522的地址高四位為0101，其余低三位由D1D3的電平高低來確定，本次設(shè)計使EA=0，所以芯片地址7位地址為0101 000*，*為I2C 總線讀寫控制位，1為讀0為寫。 DSP 的GPIOB0、B1分別模擬I2C 的數(shù)據(jù)線SDA 和時鐘線SCL ，GPIOB3用來接收MFRC522的中斷處理請求IRQ ；DSP 通過GPIOB4將復(fù)位信號發(fā)送至MFRC522的NRSTPD 引腳，需要強調(diào)的是，復(fù)位操作不僅需要向NRSTPD 輸入一個由低到高的電平跳變，還需要向其命令寄存器CommandReg 寫入軟件復(fù)位命令指令0X0F 才能完成整個復(fù)位過程

9、。 2.2 MFRC522天線的設(shè)計在天線設(shè)計中須注意以下兩點：1、保證產(chǎn)生一個盡可能強的電磁場，以使卡片能夠獲得足夠的能量來給自己供電；2、需要考慮調(diào)諧電路的帶通特性，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調(diào)制后的信號。天線是一個特定諧振頻率的LC 電路，其輸入阻抗是輸入端信號電壓與信號電流之比，輸入阻抗具有電感分量和電抗分量，電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡可能使電抗分量為零，讓天線表現(xiàn)出純電阻特性。諧振頻率計算公式為：f=（1）式中，L 為天線等效電感，C 為天線等效電容，在本設(shè)計中，天線工作頻率f 為13.56 MHz，考慮到如果天線的等效電感L

10、太高，則等效電容C 的值就必須很小，而電感一旦超出5 uH ，電容匹配問題就更困難。為解決以上問題，使用MFRC522的兩個TX 引腳，并聯(lián)兩個天線，從而使得感抗減半。環(huán)狀天線電感經(jīng)驗計算公式為：L a (H = 2I 1ln(I 1D 1-K N 1p（2）其中：I 1為環(huán)形天線一圈的周長；D 1為導(dǎo)線直徑或PCB 板上天線導(dǎo)線的寬度； K 為天線形狀系數(shù)（圓形天線為1.07，矩形天線為1.47）；N 1為天線的圈數(shù)；p 為與線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，印刷電路板線圈取1.8。關(guān)于天線的重要參數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q ，計算公式如下：Q =L R=2fL R（3）Q 值用來評價輸出效率，Q 值越高，其能量輸出效

11、率越高，但當(dāng)Q 值過高時，會導(dǎo)致帶通變窄，從而影響調(diào)制信號的發(fā)送。因此我們采用10-30的低Q 值設(shè)計，若經(jīng)式（3）計算的Q 值大于30 ，可以在天線的兩邊分別串聯(lián)電阻，增加天線阻抗，以降低Q 值。MFRC522提供無源天線接口，其引腳為：TX1、TX2、RX 、VMID 。其中TX1、TX2為天線1輸出、天線2輸出，RX 為天線接收，VMID 為接收的偏置電壓。為了使感抗減半，容易匹配電容，設(shè)計使用雙天線并聯(lián)發(fā)射電路，電路如下： 圖2 MFRC522的天線設(shè)計電路圖射頻發(fā)射部分：TX1、TX2差分信號通過電感L200、L201，電容C212、C213的諧振把TX 方波信號從低電壓升高到將近5

12、0V 的正弦波，C209、C211為隔直電容，C214與天線實現(xiàn)并聯(lián)諧振，使天線獲得最大的電流，提供給卡最大的能量。天線中間點接地，有利于提高抗干擾性能。射頻接收部分：接收信號通過C208、R217進(jìn)入到RX 腳上，VDIM 為接收的偏置電壓，外部的C207濾波提高穩(wěn)定性，通過R210對RX 進(jìn)行偏置，讓RX 腳電平處于電源的中間點，提高接收靈敏度。2.3硬件調(diào)試中遇到的問題及解決方法在設(shè)計的一開始，MFRC522上電復(fù)位后，與DSP 通訊正常，通過軟件可以讀寫MFRC522內(nèi)部寄存器，但是無法進(jìn)行射頻卡讀寫操作。筆者一開始認(rèn)為是內(nèi)部寄存器配置不正確，耽誤了近十天的時間在檢查寄存器配置上，后來

13、使用示波器對天線發(fā)射信號進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)天線部分工作異常，所以在開發(fā)中天線的設(shè)計還是比較重要的，對一些心得總結(jié)如下： 1、天線的面積一般認(rèn)為大一些好，其繞線的圈數(shù)一般為5到8圈，若天線的面積做不大，可以適當(dāng)提高圈數(shù)，一般將電感量控制在15uH即可。2、匹配的調(diào)節(jié)，一般L200、L201采用1uH 電感，最好采用繞線電感。C209、C211值不變，調(diào)整C214的天線諧振電容或者調(diào)整C212和C213的值，使R110、R112天線兩端的電壓達(dá)到50V 左右，一般電壓高一些，讀卡距離會遠(yuǎn)一些。3、調(diào)節(jié)R110、R112的值，讓天線的品質(zhì)因數(shù)Q 為合適值。從能量來說，天線的電壓越高，讀卡器對卡提供更大的

14、能量，讀卡距離會更遠(yuǎn)，但是如果電壓過高，會導(dǎo)致卡反射的信號被天線屏蔽，反而會降低讀卡距離，所以在調(diào)節(jié)的過程中需要找到一個最佳Q 值。3 MFRC522的軟件操作流程3.1 MFRC522的初始化MFRC522功能強大，在芯片復(fù)位時，各種寄存器設(shè)置將恢復(fù)默認(rèn)，為了使其能夠讀寫ISO14443A 射頻卡，需要某些寄存器重新配置，具體需要重新配置的寄存器如下：表1 需要重新配置的寄存器列表 1、CommandReg ，復(fù)位模塊，需要注意的是，復(fù)位操作不僅需要向復(fù)位引腳NRSTPD 輸入一個由低到高的電平跳變，還需要向其命令寄存器CommandReg 寫入軟件復(fù)位命令指令0x0F 才能完成整個復(fù)位過程

15、。2、TxASKReg ，設(shè)置調(diào)試深度為100%的ASK 調(diào)制，遵循ISO14443A 協(xié)議要求。3、TxModeReg ，開啟CRC 校驗功能，設(shè)置傳輸速率為106kbit/s與射頻卡速率相匹配。4、RxModeReg ，開啟CRC 校驗功能，設(shè)置傳輸速率為106kbit/s，設(shè)置接收器工作模 式為收到數(shù)據(jù)后停止工作。5、DemodReg ，芯片接收器有I 、Q 兩個頻道，設(shè)置為Q 頻道接收。 6、GsNReg ，設(shè)置天線引腳TX1、TX2的電導(dǎo)。 7、TxConrolReg ，設(shè)置芯片為雙天線工作模式。8、ConrolReg ，使能雙天線，使雙天線工作，發(fā)送信號，隨后需要延時5ms 等待天

16、線信號穩(wěn)定。9、TxSelReg ，設(shè)置內(nèi)部發(fā)送器使用內(nèi)部編碼器，Miller Pulse編碼，其它默認(rèn)設(shè)置。 10、RxSelReg ，設(shè)置使用內(nèi)部解碼器，其它默認(rèn)設(shè)置。 3.2 MFRC522 射頻卡操作的實現(xiàn)射頻卡的基本操作包括讀、寫、增減值, 需要使用不同的指令進(jìn)行實現(xiàn)，指令分為Command 指令和卡指令。Command 指令是面向MFRC522的，寫入CommandReg 的低四位，由MFRC522進(jìn)行識別和響應(yīng)，具體Command 指令及其功能列表如下：在一般情況的操作中，并不是用到所有指令，常用的幾個指令有：Idle ，使讀卡器進(jìn)入空閑模式；CalcCRC ，用于CRC 校驗；

17、Transceive ，該指令最常用，用于數(shù)據(jù)的收發(fā)；MFAuthent ，用于射頻卡中的密碼驗證?？ㄖ噶钤贛FRC522內(nèi)相當(dāng)于普通數(shù)據(jù)，由天線發(fā)射出后，它的識別過程在射頻卡內(nèi)進(jìn)行，卡指令及其功能列表如下：表3 卡指令及其功能列表 的AccessBit 設(shè)置決定如何訪問，可以是僅密碼A 有效、僅密碼B 有效和A 、B 同時有效。當(dāng)某一扇區(qū)密碼驗證成功后即可訪問該扇區(qū)的所有數(shù)據(jù)塊。讀卡器與射頻卡的典型通訊過程如下：將待發(fā)送數(shù)據(jù)(包括卡指令 按一定格式寫入MFRC522的FIFOData 寄存器后，再寫Command 指令到CommandReg 開始通信?？ㄈ羰盏綌?shù)據(jù)先讀取數(shù)據(jù)中的卡指令，再將余

18、下數(shù)據(jù)根據(jù)卡指令進(jìn)行操作，并將結(jié)果返回MFRC522 的FIFOData 寄存器?？▋?nèi)部數(shù)據(jù)操作由卡內(nèi)芯片自動進(jìn)行，只要將Command 指令寫入CommandReg 中，使用定時器延時后讀取FIFOData 寄存器中的返回值來確定射頻卡是否完成操作。射頻卡的操作流程包括：請求、防碰撞、選卡、密碼驗證、具體操作響應(yīng)和HALT 休眠，卡操作完畢后，使卡進(jìn)入HALT 休眠狀態(tài)，此時只有Request All 指令才能請求該卡。軟件設(shè)計中使用了重試計數(shù)方式，當(dāng)操作失敗時，重試計數(shù)N 加1，最多可以重試5次，超過5次后自動退出射頻卡操作并將重試計數(shù)N 清零，流程如圖3所示：圖 3 射頻卡操作流程圖 在

19、射頻卡密碼驗證成功后的數(shù)據(jù)操作中，增、減值過程比較復(fù)雜，其過程如下： 1、 發(fā)送： 增/減值指令(0xC1/0xC0、 目標(biāo)塊號、 CRC 校驗(2 字節(jié)共 4 字節(jié)數(shù)據(jù)， 若返回 1010， 則表示本步驟操作成功，可以進(jìn)入下一步驟。 2、發(fā)送：待增/減的具體值(4 字節(jié)、CRC 校驗(2 字節(jié)共 6 字節(jié)數(shù)據(jù)，若返回 1010，則表 示本步驟操作成功，可以進(jìn)入下一步驟。 3、 發(fā)送： 數(shù)據(jù)傳送指令 0xB0、 目標(biāo)塊號、 CRC 校驗(2 字節(jié)共 4 字節(jié)數(shù)據(jù)， 成功則返回 1010, 表明整個增/減值操作成功。 4 結(jié)語 本文介紹了射頻卡操作芯片 MFRC522 在電能量管理終端中的應(yīng)用設(shè)計方法，對硬件、 軟件設(shè)計方法均進(jìn)行了詳細(xì)的闡述：如 MFRC522 與終端主控 DSP 的連接方式、天線的設(shè) 計、MFRC522 的初始化、MFRC522 對射