非接触式IC卡读写器的设计与实现
2016-05-14葛瑞雪
葛瑞雪
摘要：随着非接触式IC的普及，非接触式IC卡读写器也同样得到了广泛应用。本文介绍了一个非接触式IC卡读写器的硬件设计实例。设计采用了NXP的cortex M0+ 32位低功耗MCU，射频接口采用了NXP的MFRC522；本例给出了读写器硬件电路的组成和工作原理，并针对读写器的低功耗和读写距离短等方面，提出了相应的解决方法。
关键词：非接触式IC卡读写器 MFRC522 MKL03Z8VFK4
中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00
1 设计背景
IC卡是将微电子芯片封装到有机绝缘材料的产品，采用无源结构，具有易携带、信息安全的特点，在身份认证、银行、电信、公共交通等领域得到了越来越多的应用。IC卡根据接口方式，分为了接触式IC卡和非接触式IC卡。非接触式IC卡又称射频卡，解决了无源供电和免接触信息通信难题，使得非接触式IC卡使用更便捷。随着非接触式IC的普及，非接触式IC卡读写器也同样得到了广泛应用。
2 非接触式读写器的设计与实现
2.1工作原理
非接触式IC卡内置读写线圈，与读写器的读写天线，采用近场耦合（交变磁场或电磁场）方式，建立了非接触式供电与读写通道。读写器天线与IC卡内的天线，在13.56MHz频点，形成了串联谐振电路；IC卡内集成了单向导通的电荷泵，当电荷累积到IC卡内微芯片的正常工作电压时（1.8V以上），IC卡开始正常工作。IC卡端作为读写器天线的负载端，通过主动调整其可控的负载端阻抗，使得整个谐振电路的谐振电压发生变化；读写器端通过检测谐振电压的变化，可以捕获IC卡端传递的数据。
2.2 读写器原理框图
本设计采用了NXP的Kinetis系列中的MKL03Z8VFK4作为主控MCU。MFRC522作为非接触读写芯片。MAX3232作为RS232接口电平转换芯片。外部电源输入DC12V；内部采用了两颗TPS62170 DCDC变换芯片，将DC12V电源输入变换到3.3V和5V。原理框图如图一。
2.3 电源供电分析
MKL03Z8VFK4是一颗低功耗MCU，在48MHz主频模式下，最大消耗6.5mA。MFRC522在直接射频输出状态时，最多消耗140mA；若在MFRC522的射频输出端增加外置放大器，会使得MFRC522本身消耗的电流降低到50mA。MAX3232的功耗与外接负载相关，大概估计为30mA。在采用外置功率放大的条件下，DC3.3V电源需最少提供86.5mA。本例外置功率放大器的消耗电流，参考提供5V射频输出的MFRC531资料可知，最大为150mA。
2.4 Kinetis系列的MKL03Z8VFK4
MKL03Z8VFK4，是Kinetis的低功耗L系列中的一颗芯片。它采用Arm Cortex-M0+内核，48MHz主频，具有8KByte Flash，2KByte SRAM；内置48 MHz 高精度内部参考时钟，8/2 MHz 低功率内部参考时钟；支持SPI、I2C、UART串行接口；电压范围1.71～3.6V；温度范围（环境）： -40 至 105°C。MKL03Z8VFK4完全适合于在本例作为主控MCU。
2.5 非接触读写芯片MFRC522及射频放大电路
MFRC522是一颗高度集成的非接触式读写芯片，符合ISO/IEC 14443 A/MIFARE标准。MFRC522与IC卡间最高支持848kBd传输速率，为读写器应用于大数据快速传输提供了硬件支撑。MFRC522支持SPI、I2C及UART三种串行通信总线，减少了与主控MCU的连接线，有利于选择小封装的MCU。本设计采用SPI同步通信总线，作为与MCU的通信接口，最高达到10 Mbit/s。MFRC522采用3.3v单一电源供电，读写距离仅达到5CM；而其他采用5V射频供电的读写芯片，读写距离达到了10CM。由此可知，读写距离的降低，是由于MFRC522的射频部分的供电电压偏低。为解决读写距离偏低的问题，可以在MFRC522的输出端，增加射频放大器，提高射频输出功率，进而增加读写距离。
3 结语
本设计实例，采用了低功耗的MCU和低电压的外围器件，使得整机功耗得到了有效降低。在选用射频接口器件时，充分考虑了大数据传输的需求，选用了具备848kBd高速传输能力的MFRC522；通过增加外置射频放大器，解决了MFC522读写距离偏短的问题。
参考文献
[1]KL03 Sub-Family Reference Manual（KL03P24M48SF0RM）.
[2]MFRC52x Reader IC Family Directly Matched Antenna Design.
[3]AN1425 RF Amplifier for NXP Contactless NFC Reader ICs.
