Cortex-M0+的RFID讀卡器模塊設計

　　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A(yíng)RM 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(xiàn)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。它與主機的通信接口有SPI、UART、I2C總線(xiàn)(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(fǎng)問(wèn)模塊(SAM)的連接。

　　數據手冊的第一個(gè)正式版(SLRC610 v.3.1)在2012年9月6日發(fā)布，從目前最新的數據手冊(SLRC6l0 v.3.4)來(lái)看，新版主要是修正發(fā)現的描述錯誤和數據值的更新。

　　2 模塊硬件設計

　　模塊主要由通信升級接口、調試接口、提示信號、LPC812、SLRC610、模塊內置天線(xiàn)等組成。模塊框圖如圖1所示。

　　圖1 模塊框圖

　　2.1 主控芯片電路設計

　　LPC812是LPC800 系列配置最高的型號，它有TSSOP16、SO2O、TSSOP20三種封裝，因為設計的是小模塊，所以選用了sO2O塑料小型封裝。由于LPC812支持通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣將特殊功能分配到某個(gè)I/O引腳，所以在設計原理圖的時(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(xiàn)、性能又好。另外，本次設計中LPC812內置的1%精度的12 MHz內部RC振蕩器作系統時(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、升級接口設計

　　LPC812繼承NXP以往單片機的在系統編程(ISP)升級功能。由于在ISP模式下占用了USARTO，而本次設計模塊的通信接口也是串口，故將通信和升級合并為一個(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(xiě)新固件。這部分對應圖2中的J1接口。

　　2.1.2 調試接口設計

　　LPC812支持SWD調試、JTAG 邊界掃描、微跟蹤緩沖區(MTB)三種方式。其中，SWD使用較為方便，僅僅需要串行線(xiàn)調試數據輸入/輸出(SWDIO)、串行線(xiàn)時(shí)鐘(SWCLK)、復位(nRST)這i根線(xiàn)。本設計中為了調試方便又加了VCC和GND這兩根線(xiàn)，也就是說(shuō)可以在只插這個(gè)調試接口的情況下對模塊進(jìn)行調試。在默認情況下它的VCC是從外界取電的，所以要外部給板子供電才能調試。打開(kāi)JTAG的外殼，將內部的跳線(xiàn)帽插到靠近VCC的兩針上，那么JTAG工具的VCC就對外供電了，對板子調試可以不用再外部供電。這部分對應圖2中J2接口。

　　2.2 射頻芯片電路設計

　　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 )出現些奇怪的現象。SLRC610支持SPI、I2C 總線(xiàn)、I2CI 和UART 四種接口，它會(huì )在掉電復位后通過(guò)IFSEL0和IFSEL1電平組合來(lái)判斷當前主機接口類(lèi)型。本次設計是采用了硬編碼的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(xiàn)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(xiàn)本身。接收電路的元件值需被特別設計并根據板子實(shí)際情況調整。本次設計模塊的尺寸有限，接收電路采用了元器件較少的單端模式，且天線(xiàn)線(xiàn)圈是內置在PCB中間層，以方便應用，減小體積。

　　3 模塊軟件設計

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

　　3.1 SLR0610測試部分

　　SLRC610測試部分包含設置接口連接、SLRC610復位、NXP lib初始化、等待SLRC610復位就緒進(jìn)人空閑狀態(tài)、檢測15693卡、LED燈提示等。設置 接口連接部分主要是通過(guò)軟件來(lái)設置IFSEL0和IFSEL1的電平，告訴SLRC610采用哪種接口，因為本設計中這兩個(gè)引腳是通過(guò)硬件方式設置的，所以這里沒(méi)有執行實(shí)際操作，僅打印了當前使用了SPI接口的提示信息。

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

　　SLRC610測試流程圖如圖4所示。

　　圖4 SLRC610測試流程圖