基于ISO14443 TypeA标准读写器的设计与实现

摘要：文中以ST公司的超低功耗单片机STMS8L152C6T6为主控芯片，控制恩智浦公司的高集成度读写器芯片MFRC1522，设计实现了遵循ISO／IEC14443AA协议的读写器模块，该模块提供了用户二次开发功能。可方便地集成到用户应用系统中。同时读写摸块还具有在线编程特性，因此可以很方便地供用户使用读写摸块继续开发RFID卡应用产品。
关键词：STM8L；低功耗；RFID；MFRC522

射频识别作为一种非接触式的自动识别技术，已从物联网应用领域扩展至工业监控领域。针对这一需求研究射频识别技术、开发相应产品已成了相关科技人员的重点研究方向之一 。本文介绍的基于ISO14443 TypeA标准的低功耗RFID读写器正是基于上述需求研发的。

1 低功耗STM8L控制芯片
在互补金属氧化物半导体(CMOS)数字逻辑电路中，功耗取决于静态功耗和动态功耗两个因素之和。静态功耗主要由晶体管的偏置电流和漏电流产生；动态功耗则取决于电源电压和工作时钟频率当CMOS逻辑电路以一定时钟频率运行时，静态功耗与动态功耗相比是可以忽略的。但在低功耗模式下、时钟不再运行时，静态功耗则是主要的功耗源。因此，功耗主要取决于微控制器单元(MCU)的芯片面积、MCU电源电压、时钟频率、激活的外设数目或使用的MCU功能数目、工作模式等。
依据上述因素来分析STFM8L如何降低功耗。
MCU电源电压。STM8L工作电压为1．8～3．6 V，其芯片中嵌入了2个稳压器，主稳压器(MVR)和低功耗稳压器(LPVR)，在不同的功能模式对内部数字电路提供1．65 V以上电压。
时钟频率。在运行模式下，可选择STM8L内部两种时钟源(16 MHz内部高速RC振荡器(HSI)和128 kHz的内部低速RC振荡器(LSI))，且不影响外设时钟情况下，降低CPU的时钟频率。(CPU时钟分频数为1到128)
减少外设时钟配置。STM8L通过设置外设门控时钟(PCG)来减少未使用的外没时钟来降低功耗。
工作模式。STM8L芯片具有4种主要的低功耗模式。有低功耗运行模式(CPU运行模式下功耗为5．4μA)、低功耗等待模式(CPU停止，外设保持工作，功耗为3．3μA)、活跃暂停模式(CPU停止，自动唤醒模式打开，功耗为1．0μA)、暂停模式(所有时钟关闭，自动唤醒模式关闭，功耗为0．4μA)。
因此，STM8L在多种低功耗模式下低于MSP430、HCS08和Microchip的nanoWattXLP，在现有的RFTD读写器MCU选型下为超低功耗芯片之一。

2 硬件组成
读写器如图1所示，包括MCU、读卡器芯片、天线及其滤波匹配电路、RS232接口、RS485接口、LCD显示、蜂鸣器、工作指示灯等基本模块。在该结构中MCU通过SPI方式与MFRC522连接，供电电压均为3．3 V，所以不需要外围的电压转换电路，外接一个天线及简单的滤波匹配电路，即可实现与卡片的通信。同时，通信接口加入了可用于工业现场设备通信或与其它设备通信的RS485接口。

MCU选用ST公司的超低功耗单片机STM8L152C6T6，该单片机是一款8位微控制器，高达16MIPS的CPU性能和1．8～3．6 V的电压范围，有助于现有的8位系统向电压更低的电源过渡。存储器包括2 kB的内部SRAM、多达32 kB的Flash和1 kB的EERPOM。芯片内部包含12位ADC／DAC转换器，最多有25条通道，转换时间小于3 ms；先进的16位控制定时器，其它外设包括一个I2C接口、一个USART接口和一个SPI接口。其性能优于51系列，性价比高十TI公司的16位芯片MSP430。
读写器芯片采用Philips公司推出的MFRC522，该芯片是一款针对智能仪表领域的符合ISO14443A协议的射频卡操作芯片，采用统一的3．3 V供电，内置13．56 MHz无源天线驱动，且具有多种串行接口 (I2C、SPI、UART)。相比较MFRC500、MFRC531及CLRC632等一系列典型产品，MFRC522具有低电压、低功耗、低成本、体积小、与主控器件通讯方便的特点。
控制端的主控芯片STM8L通过对MFRC522寄存器操作来控制芯片，芯片收到STM8L发来的命令后，通过天线按照ISO14443A协议格式向附近发出13．56 MHz频率的调制信号与卡片通讯。
2．1 MFRC522与MCU接口
控制端扩展口为扩展板提供3．3 V电源以及由主控芯片STM8L引出的GPIO口，所以设计时MFRC522使用SPI总线与STM8L的GPIO模拟SPI总线相连。硬件电路如图2所示(STM8L与MFRC522的连接电路图)

通信中的时钟信号由MCU产生，MFRC522芯片设置为从机模式，接收来自MCU的数据以设置奇存器，并负责射频接口通信中相关数据的收发。当选择SPI模式时，需IIC引脚为低电平，EA引脚为高电平，相应的SDA和D7、D6、D5分别用作MFSDA、MFMISO、MFMOSI、MFSCK。
2．2 天线及匹配电路
MFRC522根据其寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号，通过天线驱动引脚TX1和TX2驱动的天线以13．56 MHz的电磁波形式发送出去。在其射频范围内的RFID卡采用RF场的负载调制进行响应。天线接收到卡片的响应信号经过天线匹配电路送到MFRC522的接收引脚RX，芯片内部的接收器对接收信号进行解调、译码，并根据寄存器的设定进行处理，最后将数据通过SPI总线发送给控制端的STM8L。
为了获得稳定、可靠的射频信号，天线部分的电路设计非常关键。在设计读写模块的天线电路时，主要分为三个模块，天线线圈(Coil)匹配电路(Matching Circuit)和EMC滤波电路(EMCFilter)，如图3所示。