高性能 ISO/IEC 14443 A/B 前端 MFRC631 詳細解析

引言

在當今的電子設備領(lǐng)域，近場通信（NFC）技術(shù)的應用愈發(fā)廣泛，從移動支付到門禁系統(tǒng)，NFC 為我們的生活帶來了極大的便利。NXP 推出的 MFRC631 作為一款高性能的 ISO/IEC 14443 A/B 前端芯片，在 NFC 應用中發(fā)揮著重要作用。本文將對 MFRC631 進行全面解析，涵蓋其基本特性、功能模塊、寄存器配置以及應用設計等方面，希望能為電子工程師們在實際設計中提供有價值的參考。

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一、MFRC631 概述

MFRC631 是一款經(jīng)濟高效的 NFC 前端芯片，專為支付應用設計。它支持多種操作模式，包括 ISO/IEC 14443 類型 A 和 MIFARE Classic 通信模式的讀寫操作，以及 ISO/IEC 14443B 模式的讀寫操作。其內(nèi)部發(fā)射器能夠驅(qū)動與 ISO/IEC 14443A 和 MIFARE Classic IC 卡及應答器通信的讀寫器天線，無需額外的有源電路。數(shù)字模塊則管理完整的 ISO/IEC 14443A 幀和錯誤檢測功能（奇偶校驗和 CRC）。

MFRC631 支持多種 MIFARE 產(chǎn)品，如 MIFARE Classic（1 kB 和 4 kB 內(nèi)存）、MIFARE Ultralight、MIFARE Ultralight C、MIFARE Plus 和 MIFARE DESFire 等，并且支持 MIFARE 產(chǎn)品系列高達 848 kbit/s 的雙向傳輸速度。此外，它還支持 ISO/IEC 14443B 讀寫器通信方案的第 2 層和第 3 層（除防沖突功能外），防沖突功能需在主機控制器的固件以及上層實現(xiàn)。

二、特性與優(yōu)勢

2.1 高性能多協(xié)議支持

MFRC631 集成了 NXP ISO/IEC14443 - A 和 Innovatron ISO/IEC14443 - B 知識產(chǎn)權(quán)許可，支持高達 848 kbit/s 的傳輸速度，能滿足多種應用場景的需求。它不僅支持 ISO/IEC 14443 類型 A、MIFARE Classic 和 ISO/IEC 14443 B 模式，還能通過硬件實現(xiàn) MIFARE Classic 產(chǎn)品的加密讀寫操作，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.2 低功耗設計

具備低功耗卡檢測功能，可有效降低設備的功耗。同時，它還支持多種靈活高效的節(jié)能模式，包括硬關(guān)機、待機和低功耗卡檢測模式，有助于延長設備的電池續(xù)航時間。

2.3 豐富的接口支持

支持多種主機接口，如 SPI（最高 10 Mbit/s）、I2C - bus 接口（快速模式最高 400 kBd，快速模式 + 最高 1000 kBd）和 RS232 串行 UART（最高 1228.8 kBd，電壓電平取決于引腳電源），方便與不同的主機設備進行連接。此外，還提供了單獨的 I2C - bus 接口用于連接安全訪問模塊（SAM），增強了系統(tǒng)的安全性。

2.4 其他優(yōu)勢

• 集成 PLL 從 27.12 MHz RF 石英晶體派生系統(tǒng)時鐘，節(jié)省了成本。
• 具有 512 字節(jié)的 FIFO 緩沖區(qū)，可實現(xiàn)最高的事務處理性能。
• 提供 3 V 至 5.5 V（MFRC63102）或 2.5 V 至 5.5 V（MFRC63103）的電源供應范圍，適應不同的電源環(huán)境。
• 多達 8 個自由可編程輸入/輸出引腳，增加了設計的靈活性。

三、功能模塊詳解

3.1 中斷控制器

中斷控制器負責處理中斷請求的啟用和禁用，所有中斷都可以通過固件進行配置。固件還可以觸發(fā)中斷或清除待處理的中斷請求。芯片實現(xiàn)了兩個 8 位中斷寄存器 IRQ0 和 IRQ1，以及兩個 8 位中斷使能寄存器 IRQ0En 和 IRQ1En。通過設置中斷控制器寄存器中的位 7，可以設置和清除位 0 至 6。

MFRC631 通過在寄存器 Status1Reg 中設置位 IRQ 來指示某些事件，并且如果激活，還會通過引腳 IRQ 發(fā)出信號。引腳 IRQ 上的信號可用于利用主機的中斷處理功能來中斷主機，從而實現(xiàn)高效的主機軟件。

3.2 定時器模塊

3.2.1 定時器概述

MFRC631 實現(xiàn)了五個定時器，其中四個定時器（Timer0 至 Timer3）的輸入時鐘可以通過寄存器 T(x)Control 配置為 13.56 MHz、212 kHz（從 27.12 MHz 石英派生）或第五個定時器（Timer4）的下溢事件。每個定時器都實現(xiàn)了一個 16 位寬的計數(shù)器寄存器，定時器的重載值在寄存器 T(x)ReloadHi 和 T(x)ReloadLo 中定義。第五個定時器 Timer4 連接到內(nèi)部 LFO（低頻振蕩器）作為輸入時鐘源，可用于喚醒系統(tǒng)。

3.2.2 定時器模式

• 超時計數(shù)器和看門狗計數(shù)器：通過設置寄存器 T(x)ReloadValue 并啟動定時器計數(shù)，當定時器下溢時，如果在配置的時間間隔內(nèi)事件未發(fā)生，定時器單元將生成中斷請求，通知主機事件未發(fā)生。
• 喚醒定時器：Timer4 可在預定義的時間后喚醒系統(tǒng)。在低功耗卡檢測模式下，可設置 T4Control.T4AutoWakeUp 和 T4Control.T4AutoRestart 來激活 Timer4 并自動將系統(tǒng)置于待機狀態(tài)。如果檢測到卡，主機通信可以啟動；如果未檢測到卡且 T4Control.T4AutoWakeUp 未設置，MFRC631 將保持全功率運行。
• 秒表：可以測量配置的開始和停止事件之間的時間間隔。通過設置寄存器 T(x)ReloadValueHi 和 T(x)ReloadLo，定時器開始遞減計數(shù)，當配置的停止事件發(fā)生時，定時器停止計數(shù)，主機可以根據(jù)定時器間隔計算經(jīng)過的時間。
• 可編程單次定時器：主機配置中斷和定時器，啟動定時器并等待引腳 IRQ 上的中斷事件。在配置的時間后，中斷請求將被觸發(fā)。
• 周期性觸發(fā)器：如果設置了位 T(x)Control.T(x)AutoRestart 并激活中斷，在每個定時器周期結(jié)束后，將周期性地發(fā)出中斷請求。

3.3 非接觸式接口單元

3.3.1 ISO/IEC14443 類型 A 和 MIFARE Classic 通信模式

在該模式下，讀寫器到卡的通信采用 100% ASK、Miller 編碼，傳輸速度為 106 kbit/s 至 848 kbit/s；卡到讀寫器的通信采用子載波負載調(diào)制、Manchester 編碼或 BPSK，傳輸速度同樣為 106 kbit/s 至 848 kbit/s。內(nèi)部 CRC 協(xié)處理器根據(jù) ISO/IEC 14443 A 第 3 部分計算 CRC 值，并根據(jù)傳輸速度內(nèi)部處理奇偶校驗生成。

3.3.2 ISO/IEC14443B 功能

讀寫器到卡的通信采用 NRZ、Miller 編碼，傳輸速度為 106 kbit/s 至 848 kbit/s；卡到讀寫器的通信采用子載波負載調(diào)制、BPSK 編碼，傳輸速度為 106 kbit/s 至 848 kbit/s。MFRC631 連接到主機后，可管理完整的 ISO/IEC 14443 B 協(xié)議。

3.4 主機接口

3.4.1 主機接口配置

MFRC631 支持多種主機接口類型，包括 SPI、I2C、I2CL 和串行 UART。在上電或從掉電恢復后，它會自動重置接口并檢查當前的主機接口類型。通過控制引腳的邏輯電平組合來識別主機接口。

3.4.2 SPI 接口

作為 SPI 通信的從設備，SPI 時鐘 SCK 由主設備生成。數(shù)據(jù)從主設備到從設備通過 MOSI 線傳輸，從 MFRC631 到主設備通過 MISO 線傳輸。支持高達 10 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速度，NSS 信號用于啟用或禁用 SPI 接口。讀寫數(shù)據(jù)時，遵循特定的字節(jié)順序和地址字節(jié)格式。

3.4.3 RS232 接口

內(nèi)部 UART 接口與 RS232 串行接口兼容，電壓電平在 VSS 和 PVDD 之間?？赏ㄟ^設置寄存器 SerialSpeedReg 中的 BR_T0 和 BR_T1 位來選擇不同的傳輸速度，默認傳輸速度為 115.2 kbit/s。讀寫數(shù)據(jù)時，遵循特定的幀格式。

3.4.4 I2C - bus 接口

實現(xiàn)了與 NXP Semiconductors I2C 接口規(guī)范兼容的接口，支持標準模式、快速模式和快速模式 +。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，遵循特定的數(shù)據(jù)有效性、起始和停止條件、字節(jié)格式和應答規(guī)則。支持 7 位尋址，設備地址的高 5 位由 NXP 保留，低 2 位可由用戶自由配置。

3.4.5 SAM 接口

MFRC631 實現(xiàn)了專用的 I2C 或 SPI 接口，可方便地將 MIFARE SAM 集成到應用中。SAM 可作為加密協(xié)處理器，與微控制器和讀寫器 IC 進行通信，有效降低協(xié)議開銷，提高交易時間性能。

3.4.6 邊界掃描接口

提供符合 IEEE 1149.1 的邊界掃描接口，可通過測試單元對引腳功能進行覆蓋，實現(xiàn)無需物理測試探針的互連測試。支持多種邊界掃描命令，方便對芯片進行測試和編程。

3.5 緩沖區(qū)

MFRC631 實現(xiàn)了一個 512 × 8 位的 FIFO 緩沖區(qū)，用于緩沖主機和內(nèi)部狀態(tài)機之間的輸入和輸出數(shù)據(jù)流?？赏ㄟ^寄存器配置 FIFO 的大?。?55 字節(jié)或 512 字節(jié)），并通過相關(guān)寄存器獲取 FIFO 的狀態(tài)信息，如長度、幾乎滿或幾乎空的警告等。還可以通過設置 FIFOFlush 位清除 FIFO 緩沖區(qū)。

3.6 模擬接口和非接觸式 UART

3.6.1 概述

集成的非接觸式 UART 支持外部主機在線處理協(xié)議要求的幀和錯誤檢查，最高傳輸速度可達 848 kbit/s。外部電路可連接到通信接口引腳 SIGIN 和 SIGOUT 進行數(shù)據(jù)調(diào)制和解調(diào)。

3.6.2 TX 發(fā)射器

引腳 TX1 和 TX2 輸出的信號是經(jīng)包絡信號調(diào)制的 13.56 MHz 載波，可直接驅(qū)動天線?？赏ㄟ^寄存器 DrvMode 配置信號，通過 TxAmp 設置調(diào)制指數(shù)。為避免過沖，提供了過沖保護功能，通過兩個定時器 overshoot_t1 和 overshoot_t2 實現(xiàn)。還可通過位生成器對數(shù)據(jù)流進行編碼。

3.6.3 接收器電路

采用多功能正交接收器架構(gòu)，具有完全差分信號輸入（RXP 和 RXN）?？膳渲脼閷崿F(xiàn)各種 13.56 MHz 協(xié)議的最佳接收性能，接收過程包括多個步驟，如正交解調(diào)等。支持單端和差分模式，單端模式下接收靈敏度會降低。

3.6.4 有源天線概念

通過配置相關(guān)寄存器，可將 MFRC631 的模擬部分和數(shù)字部分分離，實現(xiàn)有源天線概念。外部有源天線電路可連接到 MFRC631 的數(shù)字電路，提高系統(tǒng)的靈活性和性能。

3.6.5 符號生成器

用于創(chuàng)建各種協(xié)議符號，如 ISO14443 協(xié)議中的 SOF 或 EOF 符號。可通過符號定義寄存器和模式寄存器配置符號，每個符號由一組寄存器定義，包括位時鐘和子載波頻率、脈沖類型/長度和包絡類型等。

3.7 內(nèi)存

3.7.1 內(nèi)存概述

MFRC631 實現(xiàn)了三種不同的內(nèi)存：EEPROM、FIFO 和寄存器。上電時，通過自動將 EEPROM 區(qū)域的內(nèi)容復制到寄存器來初始化寄存器?？赏ㄟ^執(zhí)行 LoadProtocol 命令將 EEPROM 中的默認協(xié)議設置復制到寄存器，改變 MFRC631 的行為。讀寫 EEPROM 部分 2 可用于存儲用戶數(shù)據(jù)或預定義的寄存器設置。FIFO 用作輸入/輸出緩沖區(qū)，可提高系統(tǒng)性能。

3.7.2 EEPROM 內(nèi)存組織

EEPROM 大小為 8 kB，按頁組織，每頁 64 字節(jié)。不同的內(nèi)存區(qū)域有不同的用途，如產(chǎn)品信息和配置、寄存器重置、MIFARE Classic 密鑰存儲和寄存器設置協(xié)議區(qū)域等。

3.7.3 EEPROM 初始化內(nèi)容 LoadProtocol

EEPROM 在生產(chǎn)時進行初始化，其內(nèi)容可用于將 MFRC631 的某些寄存器重置為默認設置。通過執(zhí)行 LoadProtocol 命令，可將 EEPROM 中的寄存器設置復制到相應的寄存器。

3.8 時鐘生成

3.8.1 晶體振蕩器

晶體振蕩器為 MFRC631 提供時鐘，作為載波生成、正交混頻器 I 和 Q 時鐘生成以及同步系統(tǒng)的編碼器和解碼器的時間基準。為獲得最佳性能，建議使用內(nèi)部振蕩器緩沖器和推薦的電路，以確保時鐘頻率的穩(wěn)定性和低抖動。

3.8.2 IntegerN PLL 時鐘線

MFRC631 可通過 CLKOUT 引腳提供頻率可配置的時鐘（1 MHz 至 24 MHz），時鐘源為 27.12 MHz 晶體振蕩器。通過兩個分頻器確定輸出頻率，可根據(jù)需要配置不同的頻率和分頻比。

3.8.3 低頻振蕩器（LFO）

實現(xiàn)了低頻振蕩器（LFO），Timer4 可配置為使用 LFO 生成的時鐘作為輸入時鐘，用于喚醒系統(tǒng)。LFO 在芯片生產(chǎn)時進行了校準，運行頻率為 16 kHz。如果需要更高的精度，可通過數(shù)字狀態(tài)機對 LFO 進行微調(diào)。

3.9 電源管理

3.9.1 供電概念

MFRC631 由 VDD（電源電壓）、PVDD（焊盤電源）和 TVDD（發(fā)射器電源）供電，三者相互獨立。建議使用阻塞電容對這些電源進行緩沖，以提高電源的穩(wěn)定性。

3.9.2 功率降低模式

• 硬關(guān)機：通過將引腳 PDOWN 置為高電平，可實現(xiàn)硬關(guān)機，關(guān)閉內(nèi)部 1.8 V 電壓調(diào)節(jié)器和振蕩器，將輸出引腳切換到高阻抗狀態(tài)。
• 待機模式：通過設置寄存器 Command 中的 PowerDown 位為 1 進入待機模式，此時內(nèi)部電流源關(guān)閉，電壓參考和電壓調(diào)節(jié)器進入待機狀態(tài)。退出待機模式時，需清除該位并遵循特定的操作步驟。
• 調(diào)制器關(guān)閉模式：通過設置寄存器 Control 中的 ModemOff 位為 1，可關(guān)閉天線發(fā)射器和接收器。

3.9.3 低功耗卡檢測（LPCD）

LPCD 是一種節(jié)能模式，分為待機和檢測兩個階段。通過喚醒計數(shù)器（WUC）控制待機時間，在檢測階段檢測 I 和 Q 通道的值，并與寄存器中的閾值進行比較。如果超過閾值，將觸發(fā) LPCDIRQ 中斷。

3.9.4 復位和啟動時間

在 PDOWN 引腳施加 10 μs 的高電平可啟動內(nèi)部復位程序。復位完成且振蕩器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，芯片即可使用，典型的啟動時間為 2.5 ms。

3.10 命令集

3.10.1 概述

MFRC631 的行為由狀態(tài)機控制，通過向命令寄存器寫入命令代碼來執(zhí)行命令。命令的參數(shù)和數(shù)據(jù)通過 FIFO 緩沖區(qū)進行交換。每個命令可通過向命令寄存器寫入新的命令代碼來停止。

3.10.2 命令集概述

提供了多種命令，如空閑命令、低功耗卡檢測命令、加載密鑰命令、MIFARE Classic 認證命令、接收命令、發(fā)送命令、收發(fā)命令、EEPROM 讀寫命令、加載寄存器命令、加載協(xié)議命令等。

3.10.3 命令功能

不同的命令具有不同的功能和執(zhí)行條件，如空閑命令用于取消當前命令執(zhí)行，LPCD 命令用于低功耗卡檢測，MFAuthent 命令用于 MIFARE Classic 認證等。在執(zhí)行命令時，需要根據(jù)命令的要求設置相應的參數(shù)和寄存器。

四、寄存器配置

4.1 寄存器位行為

根據(jù)寄存器的功能，其訪問條件有所不同。主要分為讀/寫（r/w）、動態(tài)（dy）、只讀（r）、只寫（w）和保留（RFU）等類型。

4.2 MFRC631 寄存器概述

提供了多個可由主機修改的寄存器，涵蓋了命令控制、主機控制、FIFO 控制、中斷控制、非接觸式接口配置、定時器配置、發(fā)射器配置、CRC 配置等多個方面。

4.3 命令配置

通過命令寄存器控制命令的執(zhí)行，可設置命令的啟動和停止，以及接收器和發(fā)射器電路的電源狀態(tài)。

4.4 SAM 配置寄存器

HostCtrl 寄存器用于控制接口訪問權(quán)限，可設置寄存器的可修改性、總線控制權(quán)和 SAM 接口的選擇。

4.5 FIFO 配置寄存器

包括