非接觸式IC卡讀寫器的設計與實現

葛瑞雪

摘要：隨著非接觸式IC的普及，非接觸式IC卡讀寫器也同樣得到了廣泛應用。本文介紹了一個非接觸式IC卡讀寫器的硬件設計實例。設計采用了NXP的cortex M0+ 32位低功耗MCU，射頻接口采用了NXP的MFRC522；本例給出了讀寫器硬件電路的組成和工作原理，并針對讀寫器的低功耗和讀寫距離短等方面，提出了相應的解決方法。

關鍵詞：非接觸式IC卡讀寫器 MFRC522 MKL03Z8VFK4

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

1 設計背景

IC卡是將微電子芯片封裝到有機絕緣材料的產品，采用無源結構，具有易攜帶、信息安全的特點，在身份認證、銀行、電信、公共交通等領域得到了越來越多的應用。IC卡根據接口方式，分為了接觸式IC卡和非接觸式IC卡。非接觸式IC卡又稱射頻卡，解決了無源供電和免接觸信息通信難題，使得非接觸式IC卡使用更便捷。隨著非接觸式IC的普及，非接觸式IC卡讀寫器也同樣得到了廣泛應用。

2 非接觸式讀寫器的設計與實現

2.1工作原理

非接觸式IC卡內置讀寫線圈，與讀寫器的讀寫天線，采用近場耦合（交變磁場或電磁場）方式，建立了非接觸式供電與讀寫通道。讀寫器天線與IC卡內的天線，在13.56MHz頻點，形成了串聯諧振電路；IC卡內集成了單向導通的電荷泵，當電荷累積到IC卡內微芯片的正常工作電壓時（1.8V以上），IC卡開始正常工作。IC卡端作為讀寫器天線的負載端，通過主動調整其可控的負載端阻抗，使得整個諧振電路的諧振電壓發生變化；讀寫器端通過檢測諧振電壓的變化，可以捕獲IC卡端傳遞的數據。

2.2 讀寫器原理框圖

本設計采用了NXP的Kinetis系列中的MKL03Z8VFK4作為主控MCU。MFRC522作為非接觸讀寫芯片。MAX3232作為RS232接口電平轉換芯片。外部電源輸入DC12V；內部采用了兩顆TPS62170 DCDC變換芯片，將DC12V電源輸入變換到3.3V和5V。原理框圖如圖一。

2.3 電源供電分析

MKL03Z8VFK4是一顆低功耗MCU，在48MHz主頻模式下，最大消耗6.5mA。MFRC522在直接射頻輸出狀態時，最多消耗140mA；若在MFRC522的射頻輸出端增加外置放大器，會使得MFRC522本身消耗的電流降低到50mA。MAX3232的功耗與外接負載相關，大概估計為30mA。在采用外置功率放大的條件下，DC3.3V電源需最少提供86.5mA。本例外置功率放大器的消耗電流，參考提供5V射頻輸出的MFRC531資料可知，最大為150mA。

2.4 Kinetis系列的MKL03Z8VFK4

MKL03Z8VFK4，是Kinetis的低功耗L系列中的一顆芯片。它采用Arm Cortex-M0+內核，48MHz主頻，具有8KByte Flash，2KByte SRAM；內置48 MHz 高精度內部參考時鐘，8/2 MHz 低功率內部參考時鐘；支持SPI、I2C、UART串行接口；電壓范圍1.71～3.6V；溫度范圍（環境）： -40 至 105°C。MKL03Z8VFK4完全適合于在本例作為主控MCU。

2.5 非接觸讀寫芯片MFRC522及射頻放大電路

MFRC522是一顆高度集成的非接觸式讀寫芯片，符合ISO/IEC 14443 A/MIFARE標準。MFRC522與IC卡間最高支持848kBd傳輸速率，為讀寫器應用于大數據快速傳輸提供了硬件支撐。MFRC522支持SPI、I2C及UART三種串行通信總線，減少了與主控MCU的連接線，有利于選擇小封裝的MCU。本設計采用SPI同步通信總線，作為與MCU的通信接口，最高達到10 Mbit/s。MFRC522采用3.3v單一電源供電，讀寫距離僅達到5CM；而其他采用5V射頻供電的讀寫芯片，讀寫距離達到了10CM。由此可知，讀寫距離的降低，是由于MFRC522的射頻部分的供電電壓偏低。為解決讀寫距離偏低的問題，可以在MFRC522的輸出端，增加射頻放大器，提高射頻輸出功率，進而增加讀寫距離。

3 結語

本設計實例，采用了低功耗的MCU和低電壓的外圍器件，使得整機功耗得到了有效降低。在選用射頻接口器件時，充分考慮了大數據傳輸的需求，選用了具備848kBd高速傳輸能力的MFRC522；通過增加外置射頻放大器，解決了MFC522讀寫距離偏短的問題。

參考文獻

[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.