探究射频IC MFRC522在智能仪表中的应用技术

1 引言

由于环境温度、湿度、油污等外界条件对诸如预付费水表、预付费燃气表、预付费热量表等接触式卡表的影响明显，卡座磨损、腐蚀，以及潮气、灰尘等大大缩短了对卡表的使用寿命，因此非接触卡表已成为当前发展趋势。这里给出了一种基于射频器件MFRC522的智能仪表设计，提高了智能仪表的使命寿命。

2 MFRC522简介

2.1 MFRC522的特点

MFRC522采用串行通信方式与主机通信，可根据用户需求，选用SPI、I2C或串行UART工作模式，有利于减少连线，缩小PCB板面积，降低成本。MFRC522主要特点如下：

高度集成的调制解调电路，采用少量外部器件，即可将输出驱动级接至天线；

支持ISO／IEC 14443 FypeA接口和MIFARE通信协议：

支持多种主机接口：10 Mbit／s的SPI接口；I2C接口，快速模式的速率为400 Kbit／s，高速模式的速率为3 400 Kbit／s；串行UART，传输速率可以高达1 228.8 Kbit／s，帧取决于RS232接口；

特有的发送器掉电机制可关闭内部天线驱动器，即关闭RF场，达到低功耗；

内置温度传感器，在过热时自动停止RF发射；

独立的多组电源供电，避免相互干扰，优化EMC特性和信号退耦性能；

2.5 V～3.6 V的低压、低功耗，采用5 mm×5 mm×0.85 mm的超小型HVQFN32封装。

2.2 MFRC522的内部结构

MFRC522的内部结构框图如图1所示。MFRC522支持可直接相连的各种微控制器接口，如SPI、I2C和串行UART。MFRC522能使其接口复位自动检测上电或硬复位的当前微控制器接口类型。可通过复位控制引脚的逻辑电平来识别微控制器接口。数据处理部分实现数据并行一串行转换。可支持CRC和奇偶校验。

由于MFRC522以完全透明的模式操作，因而支持ISO14443A所有层。状态和控制部分用于配置器件，以适应环境影响并使性能达到最佳。当MFRC522与MIFARE通信时，使用高速CRYPTO1流密码单元和一个可靠的非易失性密钥存储器。模拟电路包含超低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这样可使其最大操作距离达到100 mm。接收器检测弱应答信号并对其解码。

MFRC522有4页共64个的寄存器，用于发送接收数据。第0页为命令和状态寄存器，用于设置数据通讯及其和状态标志；第1页为命令寄存器，用于控制并设置发射器和接收器；第2页为内部结构寄存器，用于控制发射引脚及设置定时器；第3页为测试模式寄存器，主要用于芯片测试。

MFRC522利用多种命令完成对寄存器的设置和操作，进而实现对射频卡的读、写、校验等操作。表1列出了MFRC522的操作命令。

2.3 MFRC522的工作原理

系统通过与MFRC522连接的天线和IC卡线圈产生共振来传递数据，从而完成模块与卡间的通讯。MFRC522根据寄存器的设置来调制发送缓冲区数据进而得到发送信号，以TX1、TX2引脚驱动天线产生电磁波的形式发送，IC卡采用RF场的负载调制进行响应。同时天线检测到IC卡的响应信号后，经过天线匹配传送到RX引脚，MFRC522内部接收缓冲器对其信号进行检测、解调，并根据寄存器的设置进行相应处理，再将其数据发送至单片机。

3 MFRC522在智能仪表中的应用

3.1 智能仪表的要求

由于大多数智能仪表是由电池供电的，它要求射频模块在保证正常数据通讯的同时，功耗越低越好。MFRC522可以提供多种降低功耗的方法，包括软掉电、硬掉电等。软掉电时，MFRC522的功耗是10μA，硬掉电，MFRC522的功耗为5μA。而对于静态功耗只有3μA～4μA的产品来说，5μA的功耗仍不能满足要求。因此，可将MFRC522的NRSTPD引脚通过一只100 kΩ电阻接至DVCC。对卡无操作时，控制DVCC使MFRC522完全断电，使功耗降至最低，并采用按键或干簧管实现触发程序，向MFRC522供电。

3.2 接口方式

MFRC522可提供三种接口方式，如表2所示，根据所采用的单片机选择相应的接口方式。

以MSP430F413为例，选用I2C接口方式，其连接图如图2所示。由于单片机MSP430F413无I2C接口功能的端口线，因此采用I／O模拟I2C时序。

3.3 天线匹配电路

从TX1和TX2引脚发射的信号是已调制的13.56 MHz载波信号，辅以多个无源器件实现匹配和滤波功能，以直接驱动天线。