特點和優點

•電池供電的獨立RFID閱讀器

•10$BOM成本目標

•低功耗（平均400uA）

•優化外形，便于集成

應用

•近程無觸點門禁

•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收發器IC MLX90121的全包式非接觸門接入示例。一旦設置好，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亮紅色或綠色LED。

作為一個運行在電池上的獨立應用程序，考慮到快速響應時間，電流消耗得到了優化。為了證明MLX90121所允許的高集成度，外形尺寸被最小化。DEMO90121DA的材料清單的目標是為1000個模塊設置每個組件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。固件的源代碼基于FW90121庫，可以在DEMO90121DA附帶的CD-ROM上找到。該設備基于ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A RFID標準，但軟件庫使其易于調整固件以使用其他ISO協議。

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建自己的訪問控制系統的起點，通過調整其功能和性能來滿足他們的特定要求。

相關Melexis產品

MLX90121–13.56MHz收發器

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簽卡靠近天線時目視檢查LED的狀態。

如果您想根據這個演示器開始開發，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）和相關應用說明。請注意，所有這些材料的提供都是為了支持相關Melexis產品的使用。除非特別同意，否則Melexis不允許以任何方式在數據載體上復制、流通或存儲用于任何其他類型的用途。

盒內容

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、數據表MLX90121、固件源代碼（用C編寫，flavor AVR gcc）、固件的十六進制文件、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）-本文件

•1盒內容（紙質）

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門禁設備中使用。其原理是基于ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A標簽的唯一標識號（UID）。

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

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

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

•如果存在一個標記，設備將讀取其UID，將其存儲并與主密鑰特權相關聯，并從內存中刪除其他UID。

•如果存在兩個或多個標簽，配置不會發生任何變化。以前存儲在內存中的uid將被保留。

該裝置可作為電池供電門禁系統的一個實例，優化了功耗。因此，該裝置主要是在低功耗模式下運行的，其標簽檢測功能開啟的時間不多。在沒有標簽的情況下，設備以低功率返回。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號標簽卡注冊為主卡）

開門

該設備分3個步驟執行此操作：標簽檢測、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，表示檢測到標簽。如果該卡符合ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A，則D2將單獨閃爍一次。在相反的情況下，什么都不會發生。如果該卡具有任何訪問權限（主密鑰或有效密鑰），那么D3將單獨閃爍一次，這意味著該卡被識別為有效卡。在另一種情況下，不會發生更多的事情。

轉讓使用權

將具有主密鑰權限的卡（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（檢測到標簽），然后D2單獨閃爍兩次（檢測到兩個ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A卡），然后D3單獨閃爍兩次（兩個有效代碼存儲在微控制器內存中）。這意味著開門的權利從卡A轉移到卡B。卡B UID被添加為有效的密鑰卡1。

觀察結果

1.DEMO90121DA的讀數范圍約為10厘米。

2.標簽檢測是通過改變天線場強負載來實現的（一個周期約為300ms或更長）。因此，LED D2和D3一起閃爍一次，表明磁場發生變化。可能會發生接近天線的物體產生標簽檢測指示

3.當一個或多個ISO14443標記卡已在字段中時，標簽檢測指示D2將閃爍，指示檢測到的卡數：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.為了減少標簽卡之間的過強耦合，當接近兩個或更多個標簽卡到天線時，稍微扇動一下。

5.有效的標簽碼存儲在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（天線負載不變）。

硬件

概述

DEMO90121DA圍繞MLX90121射頻識別收發器前端和8位微控制器Atmel ATMega8構建。MLX90121在傳輸和接收中處理空中接口。它通過E類功率驅動器驅動天線產生高頻磁場，并根據單片機產生的協議和命令進行調制。它解調來自標簽的答案，并向微控制器提供數字信號。ATMega8運行協議和應用軟件。該板有三個接口，一個用于開門機構，一個用于uC編程的SPI接口和一個調試連接器。它嵌入了復位按鈕，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級驅動器，能夠為天線提供高達200mW的功率。E類驅動器（TX引腳）通過諧振負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，收發器輸出與50ȍ阻抗匹配。自適應阻抗由L2、C6（諧振負載）、CV2、C8、L4、L3、C10、CV1（阻抗適配器）組成。為了獲得最佳的性能，有必要對自適應電路進行調諧。調諧操作從調整CV2開始，以獲得最大振幅。一旦CV2固定，就可以對CV1進行調整。可使用與50ȍ匹配的任何13.56MHz天線。但是，應該注意它的質量系數，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。當天線放置在其最終位置時，必須對其進行調諧，因為靠近金屬部件（包括電線）會導致其在自由空氣中的特性發生變化。有關建造天線的一些提示，請參閱13.56MHz RFID系統和天線設計指南。

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制信號不足以進行正確接收。如果R1太小，直流偏壓會使接收器輸入飽和。

調制深度

10ȍ電阻器R2為ISO14443B通信固定了10%的調制指數。當使用ISO14443a-ic/" title="ISO14443A">ISO14443A卡時，R1電阻器被內部調制晶體管旁路。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功能與應用程序（即門鎖機構）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生時鐘。電阻器R12用于衰減MLX90121和ATMega8之間時鐘連接產生的快速瞬態。

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。這個循環是由連接在PD3上的R16和C21組成的RC電路產生的。RC給出的時間常數在大約280ms后啟用中斷（INT）。精度由R16和C21的公差給出。

規劃與開發

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聯，允許對微控制器的所有內存塊進行讀寫訪問。這對于固件更新或更改非常有用，以適應特定要求。

代碼大小

DEMO90121DA中使用的固件需要ATMega8的5.2k字節程序閃存。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格。

功率

DEMO90121DA嵌入5V調節器，因此至少需要6V直流電壓供應。在電源連接器后面使用一個二極管來保護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），對應于三個主要模塊：數字模塊、發射機模塊和接收機模塊。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：

-數字塊電源引腳VSS2和VDD2分別接至微控制器數字接地，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的基準時鐘塊內部連接到傳輸塊，因此引腳XIN、XOUT處的組件應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，發送器有0.25%的時間處于喚醒狀態。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、用于系統初始化的復位開關、供開發人員驗證固件更改的調試連接器以及由2個LED、2個數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）和一個低功率數字電平輸出（鎖止馬達）。

開發商應該增加一個足夠的功率緩沖器，能夠驅動門鎖電機或電磁鐵。

固件

結構

為DEMO90121DA開發的固件提供主標簽編程、防撞處理和標簽檢測，作為門鎖應用程序的基本服務功能。下面的流程圖顯示了固件的主要結構：

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

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

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

如果主標記與其他標記（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：應打開門鎖和按下車門把手。如果字段中只有主標記，則列表保持原樣，并發送開門命令。（見圖9）

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

硬件復位后，可以清除所有有效代碼的列表并重新定義主標記代碼。（見圖11）

觀察：

-有效的標簽碼最長可達12個字節（96位）。

-該算法可以根據目標應用的具體需求進行修改。

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。看門狗會在主循環結束時重置，也會在長時間延遲之后重置。

實用信息

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

固件是在avrstudio4下使用GCC開發的。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，由適當的軟件（AVR Studio、PonyProg2000等）驅動。FW_DA21_14A.c和FW_DA21_14A.h包含固件特定的gcc代碼和函數的原型。h描述硬件（輸入、輸出引腳等）。文件FW_DA21_14A.aps是AVR Studio 4項目文件。

功耗

DEMO90121DA是專為電池供電而設計的，因此電流消耗得到了優化。下圖（圖13）顯示了一個循環（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電池可實現100天的自主性。此值當然取決于訪問事件的數量，并且深受門鎖機械裝置消耗量的影響。在選擇RSSI閾值（dVrssi參數）時應特別小心。如果它的值太小，噪音會使設備在沒有標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（t1§288ms）。如果RSSI信號自上一個環路后沒有變化，則發射機將在很短的時間內開啟，然后微控制器將MLX90121置于斷電狀態。如果RSSI信號發生顯著變化，MLX90121發送資源清冊命令，然后進入斷電模式（t4增加到數十毫秒）。微控制器將繼續檢查庫存結果，最終打開門鎖，或將新代碼存儲在EEPROM中。

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

結論

DEMO90121DA是基于Melexis 13.56MHz收發器MLX90121的小型、經濟高效且簡單的門禁控制模塊。對于那些希望構建自己的系統以滿足其特定需求的開發人員來說，它也可以被視為一個高級起點。

軟件庫FW121方便了MLX90121收發器的軟件開發，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用程序的上層功能。

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