基于ISO14443 TypeA標(biāo)準(zhǔn)讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要:文中以ST公司的超低功耗單片機STMS8L152C6T6為主控芯片,控制恩智浦公司的高集成度讀寫器芯片MFRC1522,設(shè)計實現(xiàn)了遵循ISO/IEC14443AA協(xié)議的讀寫器模塊,該模塊提供了用戶二次開發(fā)功能??煞奖愕丶傻接脩魬?yīng)用系統(tǒng)中。同時讀寫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摸塊繼續(xù)開發(fā)RFID卡應(yīng)用產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞:STM8L;低功耗;RFID;MFRC522
射頻識別作為一種非接觸式的自動識別技術(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。針對這一需求研究射頻識別技術(shù)、開發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品已成了相關(guān)科技人員的重點研究方向之一 。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)功耗和動態(tài)功耗兩個因素之和。靜態(tài)功耗主要由晶體管的偏置電流和漏電流產(chǎn)生;動態(tài)功耗則取決于電源電壓和工作時鐘頻率當(dāng)CMOS邏輯電路以一定時鐘頻率運行時,靜態(tài)功耗與動態(tài)功耗相比是可以忽略的。但在低功耗模式下、時鐘不再運行時,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內(nèi)部數(shù)字電路提供1.65 V以上電壓。
時鐘頻率。在運行模式下,可選擇STM8L內(nèi)部兩種時鐘源(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)時鐘情況下,降低CPU的時鐘頻率。(CPU時鐘分頻數(shù)為1到128)
減少外設(shè)時鐘配置。STM8L通過設(shè)置外設(shè)門控時鐘(PCG)來減少未使用的外沒時鐘來降低功耗。
工作模式。STM8L芯片具有4種主要的低功耗模式。有低功耗運行模式(CPU運行模式下功耗為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,自動喚醒模式打開,功耗為1.0μA)、暫停模式(所有時鐘關(guān)閉,自動喚醒模式關(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讀寫器MCU選型下為超低功耗芯片之一。
2 硬件組成
讀寫器如圖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,外接一個天線及簡單的濾波匹配電路,即可實現(xiàn)與卡片的通信。同時,通信接口加入了可用于工業(yè)現(xiàn)場設(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STM8L152C6T6,該單片機是一款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渡。存儲器包括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)換時間小于3 ms;先進(jìn)的16位控制定時器,其它外設(shè)包括一個I2C接口、一個USART接口和一個SPI接口。其性能優(yōu)于51系列,性價比高十TI公司的16位芯片MSP430。
讀寫器芯片采用Philips公司推出的MFRC522,該芯片是一款針對智能儀表領(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無源天線驅(qū)動,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。
控制端的主控芯片STM8L通過對MFRC522寄存器操作來控制芯片,芯片收到STM8L發(fā)來的命令后,通過天線按照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)計時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)
通信中的時鐘信號由MCU產(chǎn)生,MFRC522芯片設(shè)置為從機模式,接收來自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,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。
評論