基于ISO14443 TypeA標(biāo)準(zhǔn)讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文中以ST公司的超低功耗單片機(jī)STMS8L152C6T6為主控芯片，控制恩智浦公司的高集成度讀寫(xiě)器芯片MFRC1522，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遵循ISO／IEC14443AA協(xié)議的讀寫(xiě)器模塊，該模塊提供了用戶二次開(kāi)發(fā)功能。可方便地集成到用戶應(yīng)用系統(tǒng)中。同時(shí)讀寫(xiě)摸塊還具有在線編程特性，因此可以很方便地供用戶使用讀寫(xiě)摸塊繼續(xù)開(kāi)發(fā)RFID卡應(yīng)用產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：STM8L；低功耗；RFID；MFRC522

射頻識(shí)別作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，已從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展至工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域。針對(duì)這一需求研究射頻識(shí)別技術(shù)、開(kāi)發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品已成了相關(guān)科技人員的重點(diǎn)研究方向之一 。本文介紹的基于ISO14443 TypeA標(biāo)準(zhǔn)的低功耗RFID讀寫(xiě)器正是基于上述需求研發(fā)的。

1 低功耗STM8L控制芯片
在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)數(shù)字邏輯電路中，功耗取決于靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩個(gè)因素之和。靜態(tài)功耗主要由晶體管的偏置電流和漏電流產(chǎn)生；動(dòng)態(tài)功耗則取決于電源電壓和工作時(shí)鐘頻率當(dāng)CMOS邏輯電路以一定時(shí)鐘頻率運(yùn)行時(shí)，靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗相比是可以忽略的。但在低功耗模式下、時(shí)鐘不再運(yùn)行時(shí)，靜態(tài)功耗則是主要的功耗源。因此，功耗主要取決于微控制器單元(MCU)的芯片面積、MCU電源電壓、時(shí)鐘頻率、激活的外設(shè)數(shù)目或使用的MCU功能數(shù)目、工作模式等。
依據(jù)上述因素來(lái)分析STFM8L如何降低功耗。
MCU電源電壓。STM8L工作電壓為1．8～3．6 V，其芯片中嵌入了2個(gè)穩(wěn)壓器，主穩(wěn)壓器(MVR)和低功耗穩(wěn)壓器(LPVR)，在不同的功能模式對(duì)內(nèi)部數(shù)字電路提供1．65 V以上電壓。
時(shí)鐘頻率。在運(yùn)行模式下，可選擇STM8L內(nèi)部?jī)煞N時(shí)鐘源(16 MHz內(nèi)部高速RC振蕩器(HSI)和128 kHz的內(nèi)部低速RC振蕩器(LSI))，且不影響外設(shè)時(shí)鐘情況下，降低CPU的時(shí)鐘頻率。(CPU時(shí)鐘分頻數(shù)為1到128)
減少外設(shè)時(shí)鐘配置。STM8L通過(guò)設(shè)置外設(shè)門控時(shí)鐘(PCG)來(lái)減少未使用的外沒(méi)時(shí)鐘來(lái)降低功耗。
工作模式。STM8L芯片具有4種主要的低功耗模式。有低功耗運(yùn)行模式(CPU運(yùn)行模式下功耗為5．4μA)、低功耗等待模式(CPU停止，外設(shè)保持工作，功耗為3．3μA)、活躍暫停模式(CPU停止，自動(dòng)喚醒模式打開(kāi)，功耗為1．0μA)、暫停模式(所有時(shí)鐘關(guān)閉，自動(dòng)喚醒模式關(guān)閉，功耗為0．4μA)。
因此，STM8L在多種低功耗模式下低于MSP430、HCS08和Microchip的nanoWattXLP，在現(xiàn)有的RFTD讀寫(xiě)器MCU選型下為超低功耗芯片之一。

2 硬件組成
讀寫(xiě)器如圖1所示，包括MCU、讀卡器芯片、天線及其濾波匹配電路、RS232接口、RS485接口、LCD顯示、蜂鳴器、工作指示燈等基本模塊。在該結(jié)構(gòu)中MCU通過(guò)SPI方式與MFRC522連接，供電電壓均為3．3 V，所以不需要外圍的電壓轉(zhuǎn)換電路，外接一個(gè)天線及簡(jiǎn)單的濾波匹配電路，即可實(shí)現(xiàn)與卡片的通信。同時(shí)，通信接口加入了可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信或與其它設(shè)備通信的RS485接口。

MCU選用ST公司的超低功耗單片機(jī)STM8L152C6T6，該單片機(jī)是一款8位微控制器，高達(dá)16MIPS的CPU性能和1．8～3．6 V的電壓范圍，有助于現(xiàn)有的8位系統(tǒng)向電壓更低的電源過(guò)渡。存儲(chǔ)器包括2 kB的內(nèi)部SRAM、多達(dá)32 kB的Flash和1 kB的EERPOM。芯片內(nèi)部包含12位ADC／DAC轉(zhuǎn)換器，最多有25條通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于3 ms；先進(jìn)的16位控制定時(shí)器，其它外設(shè)包括一個(gè)I2C接口、一個(gè)USART接口和一個(gè)SPI接口。其性能優(yōu)于51系列，性價(jià)比高十TI公司的16位芯片MSP430。
讀寫(xiě)器芯片采用Philips公司推出的MFRC522，該芯片是一款針對(duì)智能儀表領(lǐng)域的符合ISO14443A協(xié)議的射頻卡操作芯片，采用統(tǒng)一的3．3 V供電，內(nèi)置13．56 MHz無(wú)源天線驅(qū)動(dòng)，且具有多種串行接口 (I2C、SPI、UART)。相比較MFRC500、MFRC531及CLRC632等一系列典型產(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(diǎn)。
控制端的主控芯片STM8L通過(guò)對(duì)MFRC522寄存器操作來(lái)控制芯片，芯片收到STM8L發(fā)來(lái)的命令后，通過(guò)天線按照ISO14443A協(xié)議格式向附近發(fā)出13．56 MHz頻率的調(diào)制信號(hào)與卡片通訊。
2．1 MFRC522與MCU接口
控制端擴(kuò)展口為擴(kuò)展板提供3．3 V電源以及由主控芯片STM8L引出的GPIO口，所以設(shè)計(jì)時(shí)MFRC522使用SPI總線與STM8L的GPIO模擬SPI總線相連。硬件電路如圖2所示(STM8L與MFRC522的連接電路圖)

通信中的時(shí)鐘信號(hào)由MCU產(chǎn)生，MFRC522芯片設(shè)置為從機(jī)模式，接收來(lái)自MCU的數(shù)據(jù)以設(shè)置奇存器，并負(fù)責(zé)射頻接口通信中相關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā)。當(dāng)選擇SPI模式時(shí)，需IIC引腳為低電平，EA引腳為高電平，相應(yīng)的SDA和D7、D6、D5分別用作MFSDA、MFMISO、MFMOSI、MFSCK。