教儀開放使用控制系統小型化RFID模塊設計

潘世華

摘 要 基于P89LPC931微控制器和MF RC530讀寫芯片，為教儀開放使用控制系統設計一種小型、低功耗、低成本的高頻RFID讀卡模塊，該模塊可以通過RS232或SPI接口進行通信。詳細說明模塊的電路設計及通信規范，該模塊可作為其他應用系統中的通用RFID讀寫模塊。

關鍵詞 教儀開放使用控制系統；RFID模塊；微控制器；讀寫芯片

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）04-0038-04

Design of Small Type RFID Module for Teaching Instrument Open Access Control System//PAN Shihua

Abstract Based on P89LPC931 microcontroller and MF RC530， a small type， low power consumption， low cost， high frequency RFID card reader module is designed for Teaching Instrument Open Access Control System. The module can communicate through RS232 or SPI interface. This article details the module circuit design and communication specification， and the module can be used for other application system as a general RFID read-write module.

Key words teaching instrument open access control system； RFID Module； microcontroller； Read and Write Chip

1 引言

基于RFID的教儀開放使用控制系統（見圖1），通過RFID授權進行教儀設備供電控制，從而實現教儀設備開放使用的目的。系統中包含一個教儀使用授權的RFID模塊，該模塊是一種低成本、小型通用、高可靠的高頻RFID模塊，可用于：1）應用系統的IC卡的發行和管理；2）本系統控制的IC卡識別與記錄回寫；3）其他RFID應用系統的通用讀寫模塊。

2 模塊設計方案

由于13.56 MHz高頻RFID在校園、市民卡等公共應用中非常普及[1]，本系統采用ISO14443A協議的高頻RFID。目前支持ISO14443A協議的RFID讀寫芯片很多，本系統采用NXP的MFRC530[2]。該芯片的應用已非常成熟，它利用先進的調制和解調概念，集成了13.56 MHz的被動非接觸式通信方式和協議的所有類型，支持ISO14443A多層協議。內部的發送器部分不需增加有源電路就能夠直接驅動近距天線（可達10 cm）；接收器部分則包含一個先進的解調和解碼電路，用于ISO14443A兼容信號的應答；內部的數字部分負責ISO14443A幀及奇偶CRC錯誤檢測。它支持用于驗證MIFARE系列產品的快速CRYPTO1加密算法。

模塊的處理器采用NXP的P89LPC931微控制器，同一生產商的IC更好保證產品的可靠性。P89LPC931是8位微處理器，內含8 K字節可擦除程序存儲器Flash和256字節RAM數據存儲器，為2時鐘的80C51內核，與標準80C51指令系統兼容，但它指令執行只需2～4個時鐘周期，速度是標準80C51處理器的6倍，且集成了更多的系統級功能，從而有效減少模塊的元器件數目和PCB面積，可以滿足高集成度、低成本的應用需求。

另外，本模塊還提供SPI、RS232通信接口，并通過232-USB轉換模塊，可以直接和PC機的USB口通信。RFID讀寫模塊的結構如圖2所示。

3 模塊硬件設計

控制器及外圍電路 控制器采用28腳TSSOP小型封裝的P89LPC931FDH，充分利用芯片內部資源，減少外圍器件電路。采用片內獨立振蕩器的看門狗定時器，使用片內上電復位電路，低電平復位，不需要外接元件，且其片內的復位干擾抑制電路和復位計數器可有效防止不完全或虛假的復位。同時，采用其低電壓掉電檢測的功能，可在電源故障時做應急處理，如讓系統安全關閉。采用片內RC振蕩器，震蕩頻率設置為7.373 MHz，亦無需外接振蕩器件。所有的端口均有LED驅動能力（20 mA），可根據需要將各端口編程設置為準雙向、開漏輸出、推挽輸出或僅為輸入功能，不用外接上拉電阻。控制器及外圍電路如圖3所示，外圍器件極少[3]。

RFID讀寫芯片及天線電路 RFID讀寫芯片電路圖如圖4所示[4]，非接觸式IC卡（Mifare）讀寫芯片選用SO32封裝的MFRC530。該芯片使用了3個獨立的電源，在設計時需要特別關注其電源線的布局，DVDD、AVDD、TVDD分別提供數字部分、模擬部分和射頻發射器部分的電源，以實現其在EMC和信號退耦方面能夠達到最佳性能。雖然本模塊采用一個統一的+3.3 V直流電源供電，但在PCB設計時要細心布局這三個電源線和對應的地線，如圖4和圖5中的Vdd-Gdd、Vaa-Gaa、Vtt-Gtt。采用四層PCB設計更易實現其最佳性能。條件允許的話，模擬部分和射頻發射器部分的電源采用+5 V供電，以增加RFID的操作距離，達到出色的RF性能。

天線部分電路如圖5所示，MFRC530的非接觸式天線使用4個管腳：TX1、TX2、WMID、RX（表1）。

根據內部寄存器的設定，MFRC530對要通過天線發射的數據進行調制（100%調制變形的Miller編碼），得到的射頻信號經過TX1和TX2來驅動天線，并發送13.56 MHz的能量載波。天線拾取的RFID卡片發回的回波信號（為10%調制的Manchester編碼信號），由天線匹配回路送至RX腳，MFRC530的內部接收器對此回波信號進行檢測并解調，然后根據寄存器的設定進行相關的處理，再將數據由并行接口發送給微控制器。

Miller碼波形調制的幅度大，數據易于識別，但其中間會有短時間（3 ?s）無波形的現象，這樣就會有瞬間不能向RFID卡發送載波能量，要求卡片中有較大的電源濾波電容以保持電源的穩定。在RFID射頻電路的設計中，需要抑制和防止電磁干擾，有效提高其電磁兼容性。PCB要選擇介電常數小的基材，電路的數字部分和模擬射頻部分分開進行供電處理。射頻部分盡量使用表面貼裝小型元件，盡量減少過孔，采用多層PCB設計加接地金屬屏蔽層。

MFRC530數據讀寫控制端口ALE、CS、RD、WR分別為控制器的P1.7、P2.1、P2.6、P2.7，內部產生的VMID電位分壓后作為管腳RX的輸入電位。為減少干擾擾動，需用電容C9將VMID接地。

接口電路 本模塊對外部的通信方式有兩種，分別是RS232和三線SPI，對應的接口是J2和J3。RS232采用3.3 V

供電的MAX3221進行電平轉換，可以和PC機等進行基于標準RS232的數據通信。SPI則是TTL電平的接口，方便短距離模塊間的通信。為方便模塊的應用和調試，設立了3.3 V的電源接口J1，P89LPC931的編程接口J4，如圖6所示。

4 模塊通信規范設計

本模塊（暫命名為LPC530模塊）可方便地通過RS232或三線SPI與任何控制器進行接口。在應用中，本模塊作為從機使用，外部控制器為主機。

RS-232串行通信接口規范 LPC530模塊可通過標準RS-232接口與外部控制器進行UART通信。

UART接口一幀的數據格式為1個起始位，8個數據位，無奇偶校驗位，1個停止位，波特率為19200。其控制字符定義如表2。

通信必須先由外部控制器（主機）發送命令和數據給LPC530（從機），LPC530執行命令完畢后，將命令執行的狀態和響應數據發回外部控制器。

外部控制器發送格式見表3。

然后外部控制器（主機）等待LPC530發回的狀態和響應數據。若在300 ms內沒有檢測到響應，則退出本次傳輸，進行通信錯誤處理，如表4所示。

三線SPI串行通信接口規范 LPC530模塊也可方便地通過三線SPI與外部控制模塊（下稱主控模塊）進行接口。在該應用中，本模塊也作為從機使用。

三線SPI分別為片選使能線SS、數據線SDATA以及時鐘線SCLK。主控模塊和LPC530通過這三線相連，該三線上的實際電平是主從雙方口線上狀態的邏輯。

在接口空閑時，主控模塊的SS置1，SCLK清0，SDATA為0；LPC53的SS置1，SDATA為0。其中片選SS和數據線SDATA是雙向的。時鐘線SCLK由主控模塊產生，是單向的，其時序要求嚴格，必須遵從，否則通信將不會成功。

SS是數據發送的使能信號。如果一方要將數據發給另一方，則SS由該方控制，將SS線設為0，并在數據發送結束后將SS線置為1，數據接收方不得控制SS線。

數據線SDATA由數據發送方控制，接收方必須釋放該線。

1）時序圖。SPI線上信號的波形如圖7所示。由圖中可以看出，要進行數據傳輸時，要將SS設為低電平，此時時鐘SCLK和數據線SDATA信號才有效，且SDATA的變化應該在SCLK為低電平時進行；在SCLK為高電平時，SDATA應保持不變，變化無效。

2）外部控制器向LPC530寫數據（主機向從機傳輸）。如表5所示，除信號響應外，SPI三線上的信號均由外部控制器（主機）產生。首先由主機在SS線上生成一個下降沿，向從機發出數據傳輸的請求信號，等待LPC530（從機）響應（從機將SDATA置高電平）；有響應后該次數據傳輸開始，從機在SCLK為高電平時讀取SDATA線上的狀態。主機在數據傳輸完畢后將SS線置為高電平，結束本次傳輸。

3）外部控制器從LPC530讀數據（從機向主機傳輸）。當從機向主機傳輸數據時，由從機發出數據傳輸請求，主機進行數據傳輸響應，并產生SCLK信號。各動作如表6所示時序。

5 結語

本模塊為教儀開放使用控制系統中的RFID讀卡模塊，采用P89LPC931微控制器和MF RC530讀寫芯片，可以通過標準RS232或SPI三線接口與外部控制器進行通信，經驗證，其讀寫卡距離>3 cm，是一種通用小型、低功耗、低成本的高頻RFID讀卡模塊，也可作為其他RFID應用系統化中的讀寫模塊。

參考文獻

[1]況夫容，鐘曉玲.基于RFID技術的智能多媒體控制系統的應用研究[J].中國集成電路，2013（11）：71-74，81.

[2]鮑茂潭，趙春江，薛美盛，等.用于農產品信息管理的RFID讀寫器設計[J].電子技術應用，2008（3）：68-71.

[3]唐洪富.基于LPC系列單片機的串口擴展器設計[J].微型機與應用，2015，34（13）：97-99

[4]程偉，何俊華.基于MFRC530的非接觸式IC讀卡系統設計[J].微計算機信息，2009（14）：276-277.