基于MFRC522的RFID讀卡器模塊設計

黃俊祥，陶維青

(合肥工業大學 電氣與自動化學院,安徽 合肥 230009)

目前國內的13.56 MHz RFID讀卡器芯片市場上，荷蘭恩智浦公司的Mifare非接觸讀卡芯片系列中MFRC522系列具有低電壓、低功耗、小尺寸、低成本等優點。采用3.3 V統一供電，工作頻率為 13.56 MHz，兼容ISO/IEC 14443A及MIFARE模式。MFRC522主要包括兩部分，其中數字部分由狀態機、編碼解碼邏輯等組成；模擬部分由調制器、天線驅動器、接收器和放大器組成[2]。MFRC522的內部發送器無需外部有源電路即可驅動讀寫天線實現與符合ISO/IEC 14443A或MIFARE標準的卡片的通訊。接收器模塊提供了一個強健而高效的解調和解碼電路，用于接收兼容ISO/IEC 14443A和MIFARE的卡片信號。數字模塊控制全部ISO/IEC 14443A幀和錯誤檢測(奇偶和CRC)功能。模擬接口負責處理模擬信號的調制和解調。非接觸式異步收發模塊配合主機處理通信協議所需要的協議。FIFO(先進先出)緩存使得主機與非接觸式串行收發模塊之間的數據傳輸變得更加快速方便。

1 系統組成

如圖1所示,讀卡器模塊包括MCU、讀卡器芯片、天線及其濾波匹配電路。MCU選用TI公司的超低功耗單片機MSP430F149，該單片機支持多種低功耗模式，并能夠快速喚醒，具有60 KB+256 B的Flash、2 KB的RAM、兩個既可做異步UART又可以做SPI使用的串行通訊口、6組I/O口、一個內部DCO和2個外部時鐘，非常適合開發低功耗高性能的產品[3]。在本模塊中MCU通過SPI方式與 MFRC522連接，供電電壓均為 3.3 V，所以不再需要外圍的電壓轉換電路，外接一個天線及簡單的濾波匹配電路，即可實現與卡片的通信。

2 工作原理

MCU通過對讀卡器芯片內寄存器的讀寫來控制讀卡器芯片，讀卡器芯片收到MCU發來的命令后，按照非接觸式射頻卡協議格式，通過天線及其匹配電路向附近發出一組固定頻率的調制信號(13.56 MHz)進行尋卡，若此范圍內有卡片存在，卡片內部的LC諧振電路(諧振頻率與讀卡器發送的電磁波頻率相同)在電磁波的激勵下，產生共振，在卡片內部電壓泵的作用下不斷為其另一端的電容充電，獲得能量，當該電容電壓達到2 V時，即可作為電源為卡片的其他電路提供工作電壓。

當有卡片處在讀卡器的有效工作范圍內時，MCU向卡片發出尋卡命令，卡片將回復卡片類型，建立卡片與讀卡器的第一步聯系，若同時有多張卡片在天線的工作范圍內，讀卡器通過啟動防沖撞機制，根據卡片序列號來選定一張卡片，被選中的卡片再與讀卡器進行密碼校驗,確保讀卡器對卡片有操作權限以及卡片的合法性，而未被選中的則仍然處在閑置狀態，等待下一次尋卡命令。密碼驗證通過之后，就可以對卡片進行讀寫等應用操作。

3 MFRC522與MCU接口實現

MFRC522提供了3種接口模式：高達10 Mb/s的SPI、I2C總線模式 (快速模式下能達 400 kb/s，而高速模式下能達3.4 Mb/s)、最高達1228.8 kb/s的UART模式。每次上電或硬件重啟之后MFRC522復位其接口,并通過檢測控制引腳上的電平信號來判別當前與主機的接口模式，這樣給讀寫設備的開發帶來了極大的可選擇性。與判別接口模式有關的兩個引腳為IIC和EA：當IIC引腳拉高時，表示當前模式為IIC方式，若IIC引腳為低電平時，再通過EA引腳電平來區分，EA為高表示SPI模式，為低則表示UART方式。

本設計中采用了四線制SPI,通信中的時鐘信號由MCU產生，MFRC522芯片設置為從機模式，接收來自MCU的數據以設置寄存器，并負責射頻接口通信中相關數據的收發。數據的傳輸路徑為：MCU通過MOSI線將數據發到 MFRC522，MFRC522通過 MISO線發回至MCU，并且兩根線上的每一個字節都是先發高位。兩根數據線上的信號電平在時鐘信號必須保證上升沿穩定，在下降沿才允許改變，可以連續讀寫N個字節。此外，MCU向MFRC522發送的第一個字節定義操作模式和所要操作的寄存器地址，最高位代表操作模式，1表示讀，0表示寫，中間六位(bit1～bit6)表示地址，最低位預留不用，默認為 0。

因為MSP430F149的SPI接口個數有限，在此通過軟件模擬SPI方式，不僅增加了 MSP430F149的SPI接口數量，更充分利用了MSP430F149本身豐富的I/O口。在此模式下，IIC引腳為低電平，EA引腳為高電平,相應的SDA 和 D7、D6、D5 分別用作 NSS、MISO、MOSI、SCK。 接口原理如圖2。

讀操作（主機最先發送字節的最高位為1）：首先將NSS拉低 （使能通信），將要讀出數據的MFRC522地址字節按數據表規定的格式進行編碼；然后循環8次，按編碼后的字節逐位將MOSI線上數據置一或清零；地址發出去之后，MFRC522收到讀命令，會將對應地址值通過MISO發回主機，所以主機只需循環8次，把MISO上的數據逐位讀出，存入臨時變量中。最后將NSS拉高，一字節的讀操作完成。

寫操作（主機最先發送字節的最高位為 0）：同樣首先將NSS拉低，將目標地址字節按數據表中規定的格式進行編碼；然后循環8次將地址發送出去后，再進行8次循環，將所需寫入的數據仍通過MOSI發送過去，MFRC522對應地址的字節數據即可實現更新。

當有多個數據要傳送時，數據是通過FIFO緩存來處理的（見圖1），即不斷向FIFO數據寄存器進行讀寫操作。MFRC522具有64 B的FIFO緩存器，專門用來緩存主機與MFRC522內部狀態機之間的輸入和輸出數據流，FIFO緩存器數據輸入輸出總線是與FIFO數據寄存器相連的，每寫一個數據到這個寄存器都會存1 B到FIFO緩存器，并使其寫指針加一；相反，從這個寄存器讀數據能得到讀指針所在處的數據，并且使讀指針減小，寫指針和讀指針之間的距離就是FIFO緩沖器中的數據字節數，反映在相應的寄存器中。此外，可以通過重設FIFO緩存器的指針來清空緩沖器。

4 MFRC522天線模塊設計

13.56 MHz射頻天線及其匹配電路共有三塊：天線線圈、匹配電路（LC諧振電路）和EMC濾波電路[2]。在天線的匹配設計中必須保證產生一個盡可能強的電磁場，以使卡片能夠獲得足夠的能量給自己供電，而且考慮到調諧電路的帶通特性，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調制后的信號。

天線線圈就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，因此在設計中應當盡可能使電抗分量為零，即讓天線表現出純電阻特性，這時電路實現諧振[4]，諧振頻率計算公式為：

式中，L為天線等效電感，C為天線等效電容，在本設計中，天線工作頻率 f為 13.56 MHz，如果天線的等效電感L太高，等效電容C的值就只能很小了，而一旦超出5 μH，電容匹配的問題就變得更難了。但因為所用的芯片MFRC522上具有兩個TX引腳,可以在TX1和TX2上并聯兩個天線，從而使得感抗減半。環形天線電感經驗計算公式[5]為：

其中：I1為環形天線一圈的長度；D1為導線的直徑，或PCB板上天線導線的寬度；K為天線形狀因素 (圓形天線取1.07，矩形天線取1.47)；N1為天線的圈數；p為與線圈結構相關的系數，印刷電路板線圈的取為1.8。

天線品質因數Q，計算公式如下：

天線的Q值用來評價回路輸出效率，Q值越高，其能量輸出效率越高，但當Q值過高時，其特性會導致通帶變窄，副載波頻率處的能量幅度太小甚至在天線的邊帶之外，從而影響調制信號的發送，得不償失。因此采用10～30的低Q值設計[5]，若經式(3)計算的Q值大于 30,可在天線的兩邊分別串聯一個電阻Rq以降低Q值，相當于天線增加電阻，R變成 Ra+2Rq，由式(3)可推出每邊電阻的計算公式為：

式中：ω=22πf；La為天線電感；Q 為擬調整值 （此處為30）；Ra天線電阻。

如圖3所示,在發送部分，引腳 TX1和 TX2上發送的信號是由包絡信號調制的13.56 MHz載波能量，經過L0和 C0組成的 EMC濾波電路以及 C1、C2、Rq(其中 Rq只在Q值太高的情況下需要)組成的匹配電路，就可直接用來驅動天線，TX1和TX2上的信號可通過寄存器TxSelReg來設置，系統默認為內部米勒脈沖編碼后的調制信號。調制系數可以通過調整驅動器的阻抗(通過設置寄存器 CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg來實現)來設置，同樣采用默認值即可。在接收部分，使用R2和C4以保證Rx引腳的直流輸入電壓保持在 VMID，R1和C3的作用是調整Rx引腳的交流輸入電壓。

5 軟件流程

系統初始化完成后，就進入讀卡器與卡片的應用操作準備階段，此期間要進行尋卡、防碰撞、選卡以及密碼校驗[7]，密碼校驗通過后再根據應用操作代碼進行相應的操作：讀卡片塊數據、向卡片的某塊寫數據、充值扣款、數據備份、或是使卡進入停機狀態。流程圖如圖4所示。

[1]紀震.電子標簽原理與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[2]NXP Inc.MFRC522 Contactless Reader IC product data sheet(Rev.3.2)[EB/OL].2007.http://www.nxp.com.

[3]Texas Instruments Inc.MSP430x14x Mixed Signal Microcontroller[EB/OL].2004.http://www.ti.com.

[4]NUMMELA J,UKKONEN L,SYDANHEIMO L,et al.13.56 MHz RFID antenna for cell phone integrated reader[J].Antennas and Propagation International Symposium 2007 IEEE,2007(6):1088-1091.

[5]NXP Inc.Directly Matched Antenna Design(Rev.2.05)[EB/OL].2006.http://www.nxp.com.

[6]NXP Inc.Mifare ISO/IEC 14443 PICC Selection(Rev.1.0)[EB/OL].2006.http://www.nxp.com.