特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

•電池供電的獨(dú)立RFID閱讀器

•10$BOM成本目標(biāo)

•低功耗（平均400uA）

•優(yōu)化外形，便于集成

應(yīng)用

•近程無觸點(diǎn)門禁

•短程射頻識別終端

訂購信息

零件號說明

DEMO90121DA RFID門禁演示器

范圍

DEMO90121DA是一個基于RFID收發(fā)器IC MLX90121的全包式非接觸門接入示例。一旦設(shè)置好，它可以檢測并讀取ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A卡，并且能夠通過軟件配置點(diǎn)亮紅色或綠色LED。

作為一個運(yùn)行在電池上的獨(dú)立應(yīng)用程序，考慮到快速響應(yīng)時間，電流消耗得到了優(yōu)化。為了證明MLX90121所允許的高集成度，外形尺寸被最小化。DEMO90121DA的材料清單的目標(biāo)是為1000個模塊設(shè)置每個組件10美元的成本。

完整的示意圖、材料清單和布局附在本文件之后，便于快速開發(fā)。固件的源代碼基于FW90121庫，可以在DEMO90121DA附帶的CD-ROM上找到。該設(shè)備基于ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A RFID標(biāo)準(zhǔn)，但軟件庫使其易于調(diào)整固件以使用其他ISO協(xié)議。

本文檔包括快速啟動說明，描述了演示的性能，并解釋了其硬件和軟件。我們可以將本文件視為構(gòu)建自己的訪問控制系統(tǒng)的起點(diǎn)，通過調(diào)整其功能和性能來滿足他們的特定要求。

相關(guān)Melexis產(chǎn)品

MLX90121–13.56MHz收發(fā)器

簡介

你買了一臺DEMO90121DA。謝謝你選擇了梅萊西斯。該演示器是基于MLX90121的非接觸式門禁解決方案。本文件包含使用和評估本演示器功能和性能的說明。

所有必要的硬件都在包裝盒中提供，并且板上的微控制器已經(jīng)用與CD上的固件相同的固件編程。您只需插入電纜，然后在一個或多個標(biāo)簽卡靠近天線時目視檢查LED的狀態(tài)。

如果您想根據(jù)這個演示器開始開發(fā)，您可以在本文檔和CD上找到所有信息，如原理圖、電路板布局、元件列表、固件源（C代碼）和相關(guān)應(yīng)用說明。請注意，所有這些材料的提供都是為了支持相關(guān)Melexis產(chǎn)品的使用。除非特別同意，否則Melexis不允許以任何方式在數(shù)據(jù)載體上復(fù)制、流通或存儲用于任何其他類型的用途。

盒內(nèi)容

您將在框中找到以下組件。

•1個RFID讀卡器板

•1個天線板

•3張標(biāo)簽卡

•9V電池和電池電纜

•1張帶有固件和文檔的CD

交付的CD包含DEMO90121DA硬件和固件的完整文檔、用戶手冊、數(shù)據(jù)表MLX90121、固件源代碼（用C編寫，flavor AVR gcc）、固件的十六進(jìn)制文件、電路板示意圖（ORCAD 9.2文件）、電路板布局（GERBER文件）、電路板材料清單

•1本用戶手冊（紙質(zhì)）-本文件

•1盒內(nèi)容（紙質(zhì)）

連接

第一步是連接組件。將天線板連接到RFID讀卡器板（3針連接器）。將讀卡器的電纜（2）連接到讀卡器上。將電池插入電纜的電池連接器。

工作原理

一旦連接，這個演示器允許使用幾種功能，這些功能通常在RFID門禁設(shè)備中使用。其原理是基于ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A標(biāo)簽的唯一標(biāo)識號（UID）。

演示程序能夠存儲多個UID。所有存儲在設(shè)備中UID號的卡都可以打開門。每張卡都與特定的訪問權(quán)限、主密鑰或有效密鑰相關(guān)聯(lián)。唯一的最高卡級別（主密鑰）（它只能是一張具有主密鑰特權(quán)的卡）可以將其開門的權(quán)利轉(zhuǎn)讓給通過這種方式獲得第二個訪問級別（有效密鑰）的卡。

設(shè)備可以重新初始化。通過這種方式，您可以更改具有主密鑰特權(quán)的卡，并從有效密鑰卡列表中刪除所有其他卡。當(dāng)模塊通電或通過復(fù)位按鈕復(fù)位時，模塊開始初始化階段：

•如果天線的讀取范圍內(nèi)沒有標(biāo)簽，則配置沒有任何變化。以前存儲在內(nèi)存中的uid將被保留。

•如果存在一個標(biāo)記，設(shè)備將讀取其UID，將其存儲并與主密鑰特權(quán)相關(guān)聯(lián)，并從內(nèi)存中刪除其他UID。

•如果存在兩個或多個標(biāo)簽，配置不會發(fā)生任何變化。以前存儲在內(nèi)存中的uid將被保留。

該裝置可作為電池供電門禁系統(tǒng)的一個實(shí)例，優(yōu)化了功耗。因此，該裝置主要是在低功耗模式下運(yùn)行的，其標(biāo)簽檢測功能開啟的時間不多。在沒有標(biāo)簽的情況下，設(shè)備以低功率返回。在相反的情況下，它啟動RFID通信和門訪問功能。

功能和用途

系統(tǒng)初始化

在天線上放置一張卡。按下DEMO90121DA的按鈕1（重置），檢查LED D3和隨后的D2是否開始快速閃爍（微控制器將1號標(biāo)簽卡注冊為主卡）

開門

該設(shè)備分3個步驟執(zhí)行此操作：標(biāo)簽檢測、打開ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A通信、讀取和檢查UID。接近天線附近的任何類型的卡。LED D2和D3將同時亮起，表示檢測到標(biāo)簽。如果該卡符合ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A，則D2將單獨(dú)閃爍一次。在相反的情況下，什么都不會發(fā)生。如果該卡具有任何訪問權(quán)限（主密鑰或有效密鑰），那么D3將單獨(dú)閃爍一次，這意味著該卡被識別為有效卡。在另一種情況下，不會發(fā)生更多的事情。

轉(zhuǎn)讓使用權(quán)

將具有主密鑰權(quán)限的卡（卡A）與另一張卡（卡B）放在靠近天線的位置。LED D2和D3將同時亮起（檢測到標(biāo)簽），然后D2單獨(dú)閃爍兩次（檢測到兩個ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A卡），然后D3單獨(dú)閃爍兩次（兩個有效代碼存儲在微控制器內(nèi)存中）。這意味著開門的權(quán)利從卡A轉(zhuǎn)移到卡B。卡B UID被添加為有效的密鑰卡1。

觀察結(jié)果

1.DEMO90121DA的讀數(shù)范圍約為10厘米。

2.標(biāo)簽檢測是通過改變天線場強(qiáng)負(fù)載來實(shí)現(xiàn)的（一個周期約為300ms或更長）。因此，LED D2和D3一起閃爍一次，表明磁場發(fā)生變化。可能會發(fā)生接近天線的物體產(chǎn)生標(biāo)簽檢測指示

3.當(dāng)一個或多個ISO14443標(biāo)記卡已在字段中時，標(biāo)簽檢測指示D2將閃爍，指示檢測到的卡數(shù)：如果只有一個卡，則閃爍一次；如果檢測到兩個卡，則閃爍兩次，以此類推。

4.為了減少標(biāo)簽卡之間的過強(qiáng)耦合，當(dāng)接近兩個或更多個標(biāo)簽卡到天線時，稍微扇動一下。

5.有效的標(biāo)簽碼存儲在DEMO90121DA微控制器的非易失性存儲器中，因此斷電后代碼不會丟失。

6.平均電流消耗為~0.4mA（天線負(fù)載不變）。

硬件

概述

DEMO90121DA圍繞MLX90121射頻識別收發(fā)器前端和8位微控制器Atmel ATMega8構(gòu)建。MLX90121在傳輸和接收中處理空中接口。它通過E類功率驅(qū)動器驅(qū)動天線產(chǎn)生高頻磁場，并根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的協(xié)議和命令進(jìn)行調(diào)制。它解調(diào)來自標(biāo)簽的答案，并向微控制器提供數(shù)字信號。ATMega8運(yùn)行協(xié)議和應(yīng)用軟件。該板有三個接口，一個用于開門機(jī)構(gòu)，一個用于uC編程的SPI接口和一個調(diào)試連接器。它嵌入了復(fù)位按鈕，時鐘和電源管理功能，可以從電池供電。

射頻部分

排放

MLX90121集成了一個E級驅(qū)動器，能夠?yàn)樘炀€提供高達(dá)200mW的功率。E類驅(qū)動器（TX引腳）通過諧振負(fù)載和適配器電路連接到天線。為了給用戶選擇連接到各種不同的天線，收發(fā)器輸出與50ȍ阻抗匹配。自適應(yīng)阻抗由L2、C6（諧振負(fù)載）、CV2、C8、L4、L3、C10、CV1（阻抗適配器）組成。為了獲得最佳的性能，有必要對自適應(yīng)電路進(jìn)行調(diào)諧。調(diào)諧操作從調(diào)整CV2開始，以獲得最大振幅。一旦CV2固定，就可以對CV1進(jìn)行調(diào)整。可使用與50ȍ匹配的任何13.56MHz天線。但是，應(yīng)該注意它的質(zhì)量系數(shù)，它必須在10到25之間。如果天線的阻抗不是50ȍ，則使用電容器C9來匹配輸出。當(dāng)天線放置在其最終位置時，必須對其進(jìn)行調(diào)諧，因?yàn)榭拷饘俨考ò娋€）會導(dǎo)致其在自由空氣中的特性發(fā)生變化。有關(guān)建造天線的一些提示，請參閱13.56MHz RFID系統(tǒng)和天線設(shè)計(jì)指南。

前臺

接收通過R1電阻器完成，該電阻器將MLX90121的接收器部分連接到天線。它的值可以從1kȍ到4.7kȍ不等，這取決于反向調(diào)制幅度和讀取距離。在本例中，2.2kȍ給出了最佳折衷方案。使用其他值時必須特別小心。如果R1太大，則接收器看到的直流偏壓和反向調(diào)制信號不足以進(jìn)行正確接收。如果R1太小，直流偏壓會使接收器輸入飽和。

調(diào)制深度

10ȍ電阻器R2為ISO14443B通信固定了10%的調(diào)制指數(shù)。當(dāng)使用ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A卡時，R1電阻器被內(nèi)部調(diào)制晶體管旁路。在使用OOK的情況下，電阻器可以保留在這里，也可以不安裝。

微控制器

連接至MLX90121

微控制器控制MLX90121，管理時鐘信號，并將RFID功能與應(yīng)用程序（即門鎖機(jī)構(gòu)）接口。端口D用于通過信號CK、DSYNC、DOUT、DIN、RTB和MODE連接MLX90121。

時鐘

在PB6和PB7之間連接了一個13.56MHz石英晶體振蕩器來產(chǎn)生時鐘。電阻器R12用于衰減MLX90121和ATMega8之間時鐘連接產(chǎn)生的快速瞬態(tài)。

喚醒周期

為了降低功耗，微控制器交替使用休眠和喚醒模式。這個循環(huán)是由連接在PD3上的R16和C21組成的RC電路產(chǎn)生的。RC給出的時間常數(shù)在大約280ms后啟用中斷（INT）。精度由R16和C21的公差給出。

規(guī)劃與開發(fā)

微控制器可以使用SPI接口在船上編程。這個串行接口與足夠的硬件和軟件相關(guān)聯(lián)，允許對微控制器的所有內(nèi)存塊進(jìn)行讀寫訪問。這對于固件更新或更改非常有用，以適應(yīng)特定要求。

代碼大小

DEMO90121DA中使用的固件需要ATMega8的5.2k字節(jié)程序閃存。微控制器ATMega8可以被其他引腳兼容的ATMEL型號所取代，具有不同的特性和價(jià)格。

功率

DEMO90121DA嵌入5V調(diào)節(jié)器，因此至少需要6V直流電壓供應(yīng)。在電源連接器后面使用一個二極管來保護(hù)電路板不受反向電壓的影響。

MLX90121有三組電源引腳（電源和接地），對應(yīng)于三個主要模塊：數(shù)字模塊、發(fā)射機(jī)模塊和接收機(jī)模塊。為減少噪音，小心地分開電源線是很重要的。因此，電源引腳的連接方式如下：

-數(shù)字塊電源引腳VSS2和VDD2分別接至微控制器數(shù)字接地，并直接連接至主+5V；

-通過濾波電路（L1、C7和C1）將變送器電源引腳連接至TX接地層（VSS1）和VDD1，與主+5V絕緣；

-接收器通過另一個濾波器（L5、C11）向RX接地層（VSS3）供電，VDD3向主+5V供電。

MLX90121的基準(zhǔn)時鐘塊內(nèi)部連接到傳輸塊，因此引腳XIN、XOUT處的組件應(yīng)放置在同一接地層上（GND U TX）。

微控制器有兩組不同的電源引腳，數(shù)字電源（GND uC和主+5V）和模擬電源（GDN_ADC和AVCC引腳）通過濾波器（L6、C18）從主5V供電。

微控制器大約有0.98%的時間處于喚醒狀態(tài)，發(fā)送器有0.25%的時間處于喚醒狀態(tài)。測量的平均電源電流低于0.41mA。

兩層PCB具有多個接地層，這些接地層通過可由一些小值電阻器（0805情況下）代替的分流器相互連接，以減少不同功能塊之間的噪聲傳播：

時鐘

唯一的時鐘源參考是一個13.56MHz的石英諧振器連接到微控制器。為了減少元件數(shù)量和物料清單，Xtal被共享，并且來自微控制器的時鐘輸出PB7被饋送到收發(fā)器的時鐘輸入XIN。

接口

微控制器與“外部世界”的接口還有其他組件：可用于微控制器編程的SPI接口、用于系統(tǒng)初始化的復(fù)位開關(guān)、供開發(fā)人員驗(yàn)證固件更改的調(diào)試連接器以及由2個LED、2個數(shù)字電平輸入組成的功能接口用于兩個位置傳感器（限制器1和限制器2）和一個低功率數(shù)字電平輸出（鎖止馬達(dá)）。

開發(fā)商應(yīng)該增加一個足夠的功率緩沖器，能夠驅(qū)動門鎖電機(jī)或電磁鐵。

固件

結(jié)構(gòu)

為DEMO90121DA開發(fā)的固件提供主標(biāo)簽編程、防撞處理和標(biāo)簽檢測，作為門鎖應(yīng)用程序的基本服務(wù)功能。下面的流程圖顯示了固件的主要結(jié)構(gòu)：

上電或復(fù)位后，微控制器向字段中的第一個標(biāo)簽發(fā)送讀取命令，并將其ID存儲在內(nèi)存中。這將成為應(yīng)用程序的主標(biāo)記的ID。如果字段中沒有標(biāo)記，則先前存儲的代碼仍然有效，包括主代碼。

一旦完成，固件進(jìn)入主循環(huán)。測量RSSI電平并將其與存儲在微控制器存儲器中的基準(zhǔn)相比較，以檢測字段中是否存在標(biāo)簽。在沒有任何標(biāo)簽的情況下，系統(tǒng)將在PD3上連接的RC電路定義的時間段內(nèi)進(jìn)入休眠模式。如果一個標(biāo)簽在字段中，它會根據(jù)ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A協(xié)議啟動一個清單（參見圖10），并讀取響應(yīng)其請求的所有ID（標(biāo)識碼）。（見圖9）

如果現(xiàn)場只有一個有效的標(biāo)簽，微控制器就會發(fā)出開門命令。如果字段中有多個有效標(biāo)記，但沒有主標(biāo)記，則它們將被忽略，門將不會打開。（見圖9）

如果主標(biāo)記與其他標(biāo)記（ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A）一起檢測到，固件會將所有代碼注冊為有效代碼，并將重置所有以前的有效代碼。為了防止錯誤地重新定義有效代碼，此注冊取決于兩個限制器的狀態(tài)：應(yīng)打開門鎖和按下車門把手。如果字段中只有主標(biāo)記，則列表保持原樣，并發(fā)送開門命令。（見圖9）

為了降低代碼掃描黑客設(shè)備的成功率，在現(xiàn)場只有一個有效標(biāo)簽的情況下才能打開門鎖。這也適用于主標(biāo)記。關(guān)門限位開關(guān)條件限制固件訪問開門功能，并且只有一個有效標(biāo)簽出現(xiàn)在現(xiàn)場。（見圖9）

硬件復(fù)位后，可以清除所有有效代碼的列表并重新定義主標(biāo)記代碼。（見圖11）

觀察：

-有效的標(biāo)簽碼最長可達(dá)12個字節(jié)（96位）。

-該算法可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的具體需求進(jìn)行修改。

大約300ms的長睡眠時間是基于硬件的（見圖12）：一個連接到pin INT1（ATMega8的pin 1）的RC電路從VDD向輸入電平“LOW”放電，從而觸發(fā)一個中斷（見圖12）。

為了降低器件的功耗，我們采用了微控制器的掉電模式。所有的鐘都停了，只有看門狗在跑。看門狗會在主循環(huán)結(jié)束時重置，也會在長時間延遲之后重置。

實(shí)用信息

DEMO90121DA的固件基于FW121庫。（FW90121：固件說明）此庫提供ISO15693和ISO14443協(xié)議功能，作為控制MLX90121、尋址其內(nèi)部寄存器和讀/寫ATMEL微控制器的EEPROM的特定命令。在通電或復(fù)位時，微控制器IO端口、定時器、ADC和看門狗以及MLX90121收發(fā)器寄存器配置為符合MLX90121數(shù)據(jù)表中所述的ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A協(xié)議。

固件是在avrstudio4下使用GCC開發(fā)的。固件可以使用連接到STK500、STK300、AVRISP mkII模塊或類似模塊的SPI接口加載到微控制器中，由適當(dāng)?shù)能浖ˋVR Studio、PonyProg2000等）驅(qū)動。FW_DA21_14A.c和FW_DA21_14A.h包含固件特定的gcc代碼和函數(shù)的原型。h描述硬件（輸入、輸出引腳等）。文件FW_DA21_14A.aps是AVR Studio 4項(xiàng)目文件。

功耗

DEMO90121DA是專為電池供電而設(shè)計(jì)的，因此電流消耗得到了優(yōu)化。下圖（圖13）顯示了一個循環(huán)（回路）中典型的電流消耗變化。

平均電流消耗約為0.41mA，使用1000mAh電池可實(shí)現(xiàn)100天的自主性。此值當(dāng)然取決于訪問事件的數(shù)量，并且深受門鎖機(jī)械裝置消耗量的影響。在選擇RSSI閾值（dVrssi參數(shù)）時應(yīng)特別小心。如果它的值太小，噪音會使設(shè)備在沒有標(biāo)簽的情況下啟動資源清冊嘗試。

如表所示，MLX90121大部分時間處于斷電狀態(tài)（t1§288ms）。如果RSSI信號自上一個環(huán)路后沒有變化，則發(fā)射機(jī)將在很短的時間內(nèi)開啟，然后微控制器將MLX90121置于斷電狀態(tài)。如果RSSI信號發(fā)生顯著變化，MLX90121發(fā)送資源清冊命令，然后進(jìn)入斷電模式（t4增加到數(shù)十毫秒）。微控制器將繼續(xù)檢查庫存結(jié)果，最終打開門鎖，或?qū)⑿麓a存儲在EEPROM中。

使用四個堿性AA電池為應(yīng)用板DEMO90121DA提供每天10次驅(qū)動（ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A標(biāo)簽卡通過13.56MHz磁場），電壓變化如圖14所示。

結(jié)論

DEMO90121DA是基于Melexis 13.56MHz收發(fā)器MLX90121的小型、經(jīng)濟(jì)高效且簡單的門禁控制模塊。對于那些希望構(gòu)建自己的系統(tǒng)以滿足其特定需求的開發(fā)人員來說，它也可以被視為一個高級起點(diǎn)。

軟件庫FW121方便了MLX90121收發(fā)器的軟件開發(fā)，程序員可以使用高級命令與MLX90121通信。通過這種方式，他們可以集中精力管理微控制器和應(yīng)用程序的上層功能。

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