Cortex-M0+的RFID讀卡器模塊設(shè)計(jì)

　　1 主控和射頻芯片簡(jiǎn)介

　　1.1 主控芯片NXP LPC812

　　LPCS00系列是基于ARM Cortex-M0+的低成本32位MCU系列產(chǎn)品，工作時(shí)CPU 頻率最高可達(dá)30 MHz。它支持最高16 KB的閃存和4 KB的SRAM。

　　1.2 射頻芯片SLRC610

　　SLRC610是NXP公司新一代多協(xié)議無(wú)線近場(chǎng)芯片中的一員，它是用于13.56 MHz的非接觸式通信的高度集成的收發(fā)器芯片，支持并遵守IS0/IEC15693、EPC UID和ISO/IEC18000-3 mode 3/EPC Class-1 HF協(xié)議的卡片。它與主機(jī)的通信接口有SPI、UART、I2C總線(包括I2C和I2CL模式)三種。另外，它的安全性比上一代更高，支持安全訪問(wèn)模塊(SAM)的連接。

　　數(shù)據(jù)手冊(cè)的第一個(gè)正式版(SLRC610 v.3.1)在2012年9月6日發(fā)布，從目前最新的數(shù)據(jù)手冊(cè)(SLRC6l0 v.3.4)來(lái)看，新版主要是修正發(fā)現(xiàn)的描述錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)值的更新。

　　2 模塊硬件設(shè)計(jì)

　　模塊主要由通信升級(jí)接口、調(diào)試接口、提示信號(hào)、LPC812、SLRC610、模塊內(nèi)置天線等組成。模塊框圖如圖1所示。

　　圖1 模塊框圖

　　2.1 主控芯片電路設(shè)計(jì)

　　LPC812是LPC800 系列配置最高的型號(hào)，它有TSSOP16、SO2O、TSSOP20三種封裝，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是小模塊，所以選用了sO2O塑料小型封裝。由于LPC812支持通過(guò)開關(guān)矩陣將特殊功能分配到某個(gè)I/O引腳，所以在設(shè)計(jì)原理圖的時(shí)候可以充分考慮將某個(gè)功能分配到哪個(gè)引腳上既方便布線、性能又好。另外，本次設(shè)計(jì)中LPC812內(nèi)置的1%精度的12 MHz內(nèi)部RC振蕩器作系統(tǒng)時(shí)鐘。主控芯片電路如圖2所示。

　　圖2 主控芯片電路圖

　　2.1.1 通信、升級(jí)接口設(shè)計(jì)

　　LPC812繼承NXP以往單片機(jī)的在系統(tǒng)編程(ISP)升級(jí)功能。由于在ISP模式下占用了USARTO，而本次設(shè)計(jì)模塊的通信接口也是串口，故將通信和升級(jí)合并為一個(gè)接口。要模塊正常工作則將IsPEN懸空(推薦接VCC);要升級(jí)固件，則將ISPEN接GND，然后給LPC812上電，再通過(guò)工具軟件Flash Magic燒寫新固件。這部分對(duì)應(yīng)圖2中的J1接口。

　　2.1.2 調(diào)試接口設(shè)計(jì)

　　LPC812支持SWD調(diào)試、JTAG 邊界掃描、微跟蹤緩沖區(qū)(MTB)三種方式。其中，SWD使用較為方便，僅僅需要串行線調(diào)試數(shù)據(jù)輸入/輸出(SWDIO)、串行線時(shí)鐘(SWCLK)、復(fù)位(nRST)這i根線。本設(shè)計(jì)中為了調(diào)試方便又加了VCC和GND這兩根線，也就是說(shuō)可以在只插這個(gè)調(diào)試接口的情況下對(duì)模塊進(jìn)行調(diào)試。在默認(rèn)情況下它的VCC是從外界取電的，所以要外部給板子供電才能調(diào)試。打開JTAG的外殼，將內(nèi)部的跳線帽插到靠近VCC的兩針上，那么JTAG工具的VCC就對(duì)外供電了，對(duì)板子調(diào)試可以不用再外部供電。這部分對(duì)應(yīng)圖2中J2接口。

　　2.2 射頻芯片電路設(shè)計(jì)

　　SLRC610只有一種小型的HVQFN32封裝，特別要注意它的第33引腳，也就是芯片朝PCB面正中間一個(gè)正方形的面，這個(gè)面必須良好接地，否則會(huì)出現(xiàn)些奇怪的現(xiàn)象。SLRC610支持SPI、I2C 總線、I2CI 和UART 四種接口，它會(huì)在掉電復(fù)位后通過(guò)IFSEL0和IFSEL1電平組合來(lái)判斷當(dāng)前主機(jī)接口類型。本次設(shè)計(jì)是采用了硬編碼的SPI接口，在硬件電路上需IFSEL0接地、IFSEL1接VCC.射頻芯片電路如圖3所示。其巾，引在SLRC610芯片中33引腳VSS的作用是接地和散熱，所以此引腳必須良好接地。

　　圖3 射頻芯片電路圖

　　天線的匹配電路包含一個(gè)EMC低通濾波器(L1、L2、C5、C6)，一個(gè)匹配電路(C3、C4、C7~ C1O)，一個(gè)接收電路(R2、R3、C15)和天線本身。接收電路的元件值需被特別設(shè)計(jì)并根據(jù)板子實(shí)際情況調(diào)整。本次設(shè)計(jì)模塊的尺寸有限，接收電路采用了元器件較少的單端模式，且天線線圈是內(nèi)置在PCB中間層，以方便應(yīng)用，減小體積。

　　3 模塊軟件設(shè)計(jì)

　　主程序包含系統(tǒng)初始化、LED測(cè)試、串口測(cè)試、SLRC610測(cè)試這4部分。系統(tǒng)初始化部分主要有系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)鐘更新、GPIO初始化、systick配置功能。LED測(cè)試部分主要包含LED端口初始化、更新為滅狀態(tài)、更新為亮狀態(tài)、翻轉(zhuǎn)亮滅狀態(tài)功能測(cè)試。當(dāng)然這之后LED已經(jīng)配置好，可以隨意使用三個(gè)更新?tīng)顟B(tài)函數(shù)。串口測(cè)試主要包括對(duì)串口功能引腳分配(LPC812的開關(guān)矩陣，這部分放在SPI配置部分詳細(xì)敘述)、串口初始化、發(fā)送字符串等功能測(cè)試。這之后，就可以通過(guò)串口打印調(diào)試信息。

　　3.1 SLR0610測(cè)試部分

　　SLRC610測(cè)試部分包含設(shè)置接口連接、SLRC610復(fù)位、NXP lib初始化、等待SLRC610復(fù)位就緒進(jìn)人空閑狀態(tài)、檢測(cè)15693卡、LED燈提示等。設(shè)置 接口連接部分主要是通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置IFSEL0和IFSEL1的電平，告訴SLRC610采用哪種接口，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中這兩個(gè)引腳是通過(guò)硬件方式設(shè)置的，所以這里沒(méi)有執(zhí)行實(shí)際操作，僅打印了當(dāng)前使用了SPI接口的提示信息。

　　SLRC610復(fù)位是通過(guò)將SLRC610的PDOwN 引腳加載超過(guò)10μs的持續(xù)高電平來(lái)啟動(dòng)內(nèi)部復(fù)位程序的，它包含復(fù)位電源和啟動(dòng)時(shí)間兩個(gè)階段。由于它的復(fù)位方式和老一代的方式不同，所以升級(jí)射頻芯片的時(shí)候要格外注意。筆者調(diào)試的時(shí)候就遇到過(guò)因復(fù)位導(dǎo)致的問(wèn)題，當(dāng)循環(huán)跑SLRC610測(cè)試時(shí)，會(huì)偶爾成功。追蹤發(fā)現(xiàn)讀寫寄存器不是每次都成功，后來(lái)調(diào)了較長(zhǎng)一段時(shí)間才發(fā)現(xiàn)是復(fù)位的問(wèn)題。在本次設(shè)計(jì)中為確保復(fù)位成功，后面又加了“等待SLRC610復(fù)位就緒進(jìn)入空閑狀態(tài)”這一步驟。

　　SLRC610測(cè)試流程圖如圖4所示。

　　圖4 SLRC610測(cè)試流程圖