THM3050_(7K读卡器芯片

THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 1 页 共 33 页 THM3050 ISO/IEC14443 TYPE-B 读卡器芯片 用户手册 Version 0.2 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 2 页 共 33 页 联系我们 公 司 名 称 ：北京清华同方微电子有限公司 办 公 地 点：北京市 海淀区 知春路 27 号大运村量子芯座 11 层 邮 编：100083 电 话：+86-10-82351818 传 真：+86-10-82357168 电 子 邮 件 ：support@tsinghuaic.com 网 址：www.tsinghuaic.com THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 3 页 共 33 页 版本 版本号 主要修改 日期 作者 V0.1 初始版本 2006-2-17 DingYM V0.2 修改 SEND 位描述，原为硬件自动复位，改为软件复 位。 2006-3-24 DingYM THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 4 页 共 33 页 简称及缩略语 ISO/ISC 14443 非接触集成电路卡-接近式卡国际编号 RAM Random Access Memory, 随机存取存储器 ETU Element of Time Unit， 时间单元 EGT Extra Guard Time ， 额外监视时间 EOF End Of Frame ， 帧结束 SOF Start Of Frame ， 帧开始 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 5 页 共 33 页 目录 1 简介 ................................................................................................ 8 1.1 描述................................................................................................................................................ 8 1.2 特性................................................................................................................................................ 8 2 功能框图........................................................................................ 9 3 管脚.............................................................................................. 10 3.1 管脚图（LQFP-48）................................................................................................................... 10 3.2 管脚描述.......................................................................................................................................11 4 数字接口...................................................................................... 13 4.1 接口种类...................................................................................................................................... 13 4.2 透明模式...................................................................................................................................... 13 4.3 串行寄存器模式 .......................................................................................................................... 14 4.3.1 功能说明 ...................................................................................................................... 14 4.3.2 操作波形图 .................................................................................................................. 15 4.3.3 寄存器表 ...................................................................................................................... 17 4.3.4 寄存器说明 .................................................................................................................. 18 4.3.5 控制寄存器 .................................................................................................................. 19 4.3.6 操作步骤 ...................................................................................................................... 20 5 发送电路...................................................................................... 21 5.1 发送电路图.................................................................................................................................. 21 5.2 发送电路波形 .............................................................................................................................. 21 6 接收电路...................................................................................... 23 7 时钟电路...................................................................................... 24 8 复位电路...................................................................................... 25 9 电气参数...................................................................................... 26 9.1 工作范围...................................................................................................................................... 26 9.2 极限参数...................................................................................................................................... 26 9.3 直流参数...................................................................................................................................... 27 9.4 交流参数...................................................................................................................................... 27 10 封装（LQFP48） ........................................................................ 28 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 6 页 共 33 页 11 典型应用...................................................................................... 29 11.1 透明接口模式 .............................................................................................................................. 29 11.2 串行寄存器接口模式 .................................................................................................................. 31 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 7 页 共 33 页 图表目录 图表 1 THM3050 功能框图 .......................................................................................................................... 9 图表 2 管脚图（LQFP-48） ....................................................................................................................... 10 图表 3 管脚功能 .......................................................................................................................................... 12 图表 4 透明接口模式管脚 .......................................................................................................................... 13 图表 5 透明接口模式示意图 ...................................................................................................................... 14 图表 6 透明模式收发信号示意图（SLEEP OFF/ON 为低电平） ......................................................... 14 图表 7 串行寄存器接口模式示意图 .......................................................................................................... 15 图表 8 串行寄存器时序图 .................................................................................................................. 15 图表 9 串行寄存器接口模式写示意图 ...................................................................................................... 16 图表 10 串行寄存器接口模式读寄存器示意图 ........................................................................................ 16 图表 11 寄存器地址表 ................................................................................................................................ 17 图表 12 CFG_REG0 寄存器说明 ............................................................................................................... 18 图表 13 CFG_REG1 寄存器说明 ............................................................................................................... 18 图表 14 CTL_REG0 寄存器说明 ............................................................................................................... 19 图表 15 CTL_REG1 寄存器说明 ............................................................................................................... 19 图表 16 ST_REG 寄存器说明 .................................................................................................................... 20 图表 17 发送电路图 .................................................................................................................................... 21 图表 18 发送电路波形示意图 .................................................................................................................... 22 图表 19 检波电路图 1（无分压） ............................................................................................................ 23 图表 20 检波电路（有分压） .................................................................................................................... 23 图表 21 时钟电路 ........................................................................................................................................ 24 图表 22 复位电路（外部控制器复位） .................................................................................................... 25 图表 23 复位电路（上电复位） ................................................................................................................ 25 图表 24 工作范围 ........................................................................................................................................ 26 图表 25 极限参数 ........................................................................................................................................ 26 图表 26 直流参数 ........................................................................................................................................ 27 图表 27 交流参数 ........................................................................................................................................ 27 图表 28 封装尺寸图 .................................................................................................................................... 28 图表 29 电源连接示意图 ............................................................................................................................ 29 图表 30 透明接口模式应用图 .................................................................................................................... 30 图表 31 多个 THM3050 串行寄存器 模式连接图 ................................................................................. 31 图表 32 串行寄存器 接口模式应用图 ...................................................................................................... 32 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 8 页 共 33 页 1 简介 1.1 描述 THM3050 是一款符合 ISO/IEC14443 Type B 标准的非接触卡读卡器芯片，内置接收放大和数字 解调电路、时钟电路、复位电路。 THM3050 支持在协议范围内对帧结构的灵活设置，精度可达 0.25ETU1，满足不同卡片的 要求， THM3050 支持“透明”模式和 串行寄存器 接口模式，并可以灵活切换。“透明”模式为用户 对数据帧进行编码和解码，便于进行调试或实现自定义协议。串行寄存器 接口模式提供了一个非常 易于操作的方式，用户通过将数据写入芯片的内部缓冲区，然后控制寄存器进行发送，发送完成自 动进入接收状态，再由缓冲区内将接收数据读出即可。芯片内置两个大小为 512Byte 的 RAM 作为 缓冲区，串行寄存器接口模式下支持最大发送接收帧为 512 字节。 1.2 特性 - 符合ISO/ISC 14443 Type B 标准，灵活设置帧结构 - 支持 106Kbps、212Kbps 和 424Kbps 数据波特率 - 支持串行“透明”和 串行寄存器 两种接口模式 - 串行寄存器接口模式可支持最大收发数据帧 512 字节，“透明”模式无限制 - 外部时钟 27.12 MHz，可采用晶体 - 内置接收放大电路，外围器件少 - 解调抗噪声采用平滑滤波器 - 3.3V/5V 兼容 - LQFP48 封装，占用面积小 1 ETU：element of time unit 时间单元，106K 波特率时约为 9.44 微秒，详见 ISO/IEC14443 标准的规定。 2 功能框图 RAM_A (512B) RAM_B (512B) SPI InterfaceUART DPLL TransparentInterface Reset Oscillator Band-pass Amplifier 图表 1 THM3050 功能框图 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 9 页 共 33 页 3 管脚 3.1 管脚图（LQFP-48） 图表 2 管脚图（LQFP-48） THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 10 页 共 33 页 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 11 页 共 33 页 3.2 管脚描述 管脚 名称 输入/ 输出2 描述 复用 备注 18 SPI_DIN I 在 MODE 为高电平 时，即 串行寄存器 接口模式下，为串行 寄存器 数据输入 TRD 在 MODE 为低电平 时，即透明接口模式 时，为发送数据输入 19 SPI_DOUT O 在 MODE 为高电平 时，即 串行寄存器 接口模式下，为串行 寄存器 数据输出 RCD 在 MODE 为低电平 时，即透明接口模式 时，为接收数据输出 20 SPI_CLK I 在 MODE 为高电平 时，即 串行寄存器 接口模式下，为串行 寄存器 时钟输入，最 大 时 钟 不 能 超 过 3MHz SLEEP 在 MODE 为低电平 时，即透明接口模式 时，为低功耗信号控制 信号，高有效。 44 SPI_SS I 在 MODE 为高电平 时，即 串行寄存器 接口模式下，为 串行 寄存器 片选信号，低 有效 OFF/ON 在 MODE 为低电平 时，即透明接口模式 时，为载波控制开关， 为高时，载波关闭 ， RF_TXD 和 CLKOUT 输 出 低 电 平。 17 MODE I 模式选择输入端，输 入高电平时，为串行 寄存器 接口模式；输 入为低电平时，为透 明接口模式 16 POR I 系统复位，高有效, 内置 60KΩ 下拉电 阻 28 AIN I 检波信号输入 31 XTAL1 I 外接 27.12MHz 晶 体 32 XTAL2 O 外接 27.12MHz 晶 体 2 I 输入引脚 O 输出引脚 P 电源引脚 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 12 页 共 33 页 6 RF_TXD O 调制信号输出管脚， 此管脚在载波关闭时 为低电平，为大电流 输出管脚，输出可达 30mA。 5 CLKOUT O 载波输出管脚，在载 波开启时，此管脚输 出为 13.56MHz 的方 波，为大电流输出管 脚，输出可达 30mA, 可以直接驱动外部功 率管。 43 RF_ENG_N O 副载波检测信号，低 有效。可以用作卡片 返回数据的指示信 号。当多个卡片同时 返回数据时，此信号 仍有输出，因此，可 以作为在防冲突循环 中，判断场内是否存 在卡片的标志。 7 DVDD P 数字电源 21 AVDD P 模拟电源 8 DGND P 数字地 22 AGND P 模拟地 29 VR1 I 参考电压 1，外接去 藕电容 30 VR2 I 参考电压 2，外接去 藕电容 1~4 9~15 23~27 33~42 45~48 NC 空管脚 图表 3 管脚功能 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 13 页 共 33 页 4 数字接口 4.1 接口种类 THM3050 具有两种接口模式，“透明”模式和 串行寄存器模式，模式切换通过 MODE 管脚进 行选择。MODE 为低电平时，为“透明”模式，MODE 为高电平时，为 串行寄存器 模式。 4.2 透明模式 顾名思义，“透明”模式是将发送接收的数据“透明”地提供出来。在“透明”模式下，需要用 户对数据的发送帧按照有关要求进行编码，对接收到的数据帧进行解码。采用透明模式，可以对发 送数据帧进行任意改造，也可以接收不完全符合 ISO/IEC14443 TYPE B 协议的数据帧。也可以接收 和发送超过 512 字节的数据帧。 当 MODE 管脚为低电平时，THM3050 为透明模式，此时，18、19、20、44 管脚为复用功能， TRD 为透明模式下发送数据输入端。RCD 为透明模式下接收数据输出端。SLEEP 管脚为低功耗模 式控制，当 SLEEP 管脚为高时，芯片进入低功耗模式，此时内部振荡器停止振荡，载波输出 CLKOUT 和调制信号输出均为低电平。OFF/ON 管脚为载波开关，当OFF/ON 为高电平时，载波输出 CLKOUT 为低电平，为低电平时，载波输出 CLKOUT 输出频率fosc3/2 的载波信号。 管脚 功能 功能 18 TRD 透明模式发送数据输入，由外部控制器进行输入 19 RCD 透明模式数据输出管脚 20 SLEEP 透明模式下低功耗信号，高有效。 44 OFF/ON 透明模式载波开关，为高时，载波关闭。 43 RF_ENG_N 副载波检测信号，低有效。可以用作卡片返回数据的指示 信号。当多个卡片同时返回数据时，此信号仍有输出，因 此，可以作为在防冲突循环中，判断场内是否存在卡片的 标志。 图表 4 透明接口模式管脚 3 fosc 晶体振荡频率 THM3050 OFF/ON SLEEP RCD TRD MODE DGND 图表 5 透明接口模式示意图 图表 6 透明模式收发信号示意图（SLEEP OFF/ON 为低电平） 4.3 串行寄存器 模式 4.3.1 功能说明 当 MODE 管脚为高电平时，THM3050 进入 串行寄存器 接口模式。 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 14 页 共 33 页 SPI_SS SPI_CLK SPI_DOUT(MISO) SPI_DIN(MOSI) MODE DVDD 图表 7 串行寄存器 接口模式示意图 4.3.2 操作波形图 串行寄存器方式时钟常态为 0, 上升沿有效。 串行寄存器协议时序: 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 SS SCK MOSI MISO tCSU 图表 8 串行寄存器协议时序图 注: tCSU 时间要大于 1us.。THM3050 为串行寄存器 SLAVE 器件，由串行寄存器 MASTER 发送不同命 令，可完成操作。 z 写命令xxxx_1xxx4 : 示意图（向 xxxx_1000 写入数据） 4 x 表示任意为 1 或为 0 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 15 页 共 33 页 .. . SPI_DIN SPI_SS SPI_CLK b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 Write data in 图表 9 串行寄存器 接口模式写示意图 串行寄存器串行数据输入： xxxx_1001+8bit ：写 CFG_REG0 xxxx_1010+8bit ：写 CFG_REG1 xxxx_1011+8bit ：写 CTL_REG0 xxxx_1000+ N* 8bit ：写待发送的数据，N 为写入的数据个数 z 读命令 xxxx_0xxx : 示意图（读取 xxxx_0000 地址寄存器数据） .. . SPI_DIN SPI_SS SPI_CLK b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0SPI_DOUT 图表 10 串行寄存器 接口模式读寄存器示意图 串行寄存器串行数据输入 8 个 bit，然后保持串行寄存器_SS 有效（低电平），当下 8 个串行寄存器 _CLK 上升沿有效时：串行寄存器_DOUT 上便是输出的数据 。 xxxx_0001:读 CFG_REG0 返回 8bit 数据 xxxx_0010:读 CFG_REG1 返回 8bit 数据 xxxx_0011 :读 CTL_REG0 返回 8bit 数据 xxxx_0000 :读已收回的数据 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 16 页 共 33 页 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 17 页 共 33 页 返回 n* 8bi 数据 xxxx_0100 :读状态寄存器 ST_REG 返回 8bit 数据 xxxx_0101 :读 RAM 地址,当 RF 返回数据结束,可用此命令查询 RAM 使用长度 返回 8bit 数据,RAM 低 8 位地址 xxxx_0110 :读 RAM 地址,当 RF 返回数据结束,可用此命令查询 RAM 使用长度 返回 8bit 数据,低一位有效,表示 RAM 最高位地址 要求: 1) 串行寄存器接口以接收主机（MASTER）发来的第一字节来区别不同的读写操作。其中第 3 位 (LSB bit3) 为 1 表示写,为 0 表示读； 低的三位(bit2,bit1,bit0)表示访问的类型,如数据,控制寄存器,配置寄存 器等。 2) 每次读/写完,都将 串行寄存器_SS 信号置为无效。 3) SPI_CLK 最大频率为 3MHz. 4.3.3 寄存器表 内部寄存器分为配置寄存器和控制寄存器和状态寄存器三类.。 主机对本芯片实行读写操作的时候,访问对应的控制寄存器和配置寄存器；状态寄存器为只读； 配置寄存器按一个字节访问,需要在发送/接收前配置好； 地址 名称 寄存器 复位值 是否可读写 8’b xxxx_?0005 数据寄存器 DAT_REG 8’h00 读写 8’b xxxx_?001 配置寄存器 0 CFG_REG0 8’h40 读写 8’b xxxx_?010 配置寄存器 1 CFG_REG1 8’h2a 读写 8’b xxxx_?011 控制寄存器 0 CTL_REG0 8’h00 读写 8’b xxxx_?100 状态寄存器 ST_REG 8’h00 只读 8’b xxxx_?101 返回长度低 8 位 LENL_REG 8’h00 只读 8’b xxxx_?110 返回数据长度最高 位（第 9 位） LENH_REG 8’h00 只读 8’bxxxx_?111 控制寄存器 1 CTL_REG1 8’h00 读写 图表 11 寄存器地址表 5 x代表可为任意 0,1 ?代表在串行寄存器模式下读写命令,其中 1 为写命令,0 为读命令； THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 18 页 共 33 页 4.3.4 寄存器说明 4.3.4.1 配置寄存器 配置寄存器分为 CFG_REG0 和 CFG_REG1,对芯片配置不同的操作模式,详细描述如下： z CFG_REG0 寄存器说明 地址:8’bXXXX_?001 CFG_REG0 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 EGT[2] EGT[1] EGT[0] FLT _n BAUDR[ 1] BAUDR[ 0] RFU RFU 000: 0 个 ETU 001: 1 个 ETU 010: 2 个 ETU 011: 3 个 ETU 100: 4 个 ETU 101: 5 个 ETU 11x: 6 个 ETU 0: 开 启 滤 波 1: 关 闭 滤 波 00:106K 01:212K 1X::424K 用于接收波特率的调 整 未用 未用 图表 12 CFG_REG0 寄存器说明 CFG_REG0 的 bit[7:5] 用来设置发送数据帧的 EGT6 时间，单位为 ETU。 CFG_REG0 的 bit4 用来控制是否打开内部平滑滤波器，0 为开启，1 为关闭。 CFG_REG0 的 bit[3:2] 用来设置发送数据帧的数据波特率。 z CFG_REG1 寄存器说明 地址 8’bXXXX_?010 CFG_REG1 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 RFU RFU EOFL[1] EOFL[0] SOFH[1] SOFH[0] SOFL[1] SOFL[0] 未用 未用 00: 10.00 个 ETU 01: 10.25 个 ETU 10: 10.50 个 ETU 11: 11.00 个 ETU 00: 2.00 个 ETU 01: 2.25 个 ETU 10: 2.50 个 ETU 11: 3 个 ETU 00: 10.00 个 ETU 01: 10.25 个 ETU 10: 10.50 个 ETU 11: 11.00 个 ETU 图表 13 CFG_REG1 寄存器说明 CFG_REG1 的bit[5:4] 设置发送数据帧的 EOF7 的低电平部分的长度。 6 EGT： Extra Guard Time 额外监视时间，详见 ISO/IEC14443 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 19 页 共 33 页 CFG_REG1 的bit[3:2] 设置发送数据帧的 SOF8 的高电平部分的长度。 CFG_REG1 的 bit[1:0] 设置发送数据帧的 SOF 的低电平部分的长度。 4.3.4.2 控制寄存器 z CTL_REG0 寄存器说明 ADDR:8’bXXXX_?011 CTL_REG Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 RFU RFU RFU RFU RFU RAMPT_CLR SEND CLK_EN 未用 未用 未用 未用 未用 1:RAM 地 址 回 0 0: 发送未开始 1: 为发送开始标志, 1:打开载波 0:关闭载波 图表 14 CTL_REG0 寄存器说明 RAMPT_CLR 置位使芯片内部 RAM 进行地址归零操作。 SEND 位置位后，即开始进行发送。因此，发送的数据需要先写入到芯片内部，然后置位 SEND 位 开始进行发送。 THM3050 芯片内部有两块 512 B 的RAM，每次启动发送过程，都会使用其中的一块 RAM。用户 可以先将发送数据写入芯片内，然后置位 SEND，启动发送过程。SEND 位为上升沿触发，可以在置位 后立即将其复位，也可以在数据接收完成后，再对其进行复位。发送完成后芯片会自动进入接收过程， 在这个发送和接收过程中间，用户可以将下一帧数据写入芯片内部，但不再置位 SEND，此时数据会写 入到另一块 RAM 中。当上一帧接收完成后，重新置位 SEND，即可开始下一帧数据发送。由于内部有 两块 RAM，两帧数据不会造成混乱。 CLK_EN 置位时，芯片 CLKOUT 输出载波，否则，CLK_OUT 输出为低电平。CLK_EN 可以用来 对卡片进行下电操作，同时，在关闭载波的条件下，也可以降低系统的功耗。 z CTL_REG1 地址:8’bXXXX_?111 CTL_REG1 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 RFU RFU RFU RFU AGAIN2 AGAIN1 AGAIN0 Sleep 未用 未用 未用 未用 增益控制 2 增益控制 1 增益控制 0 0：正常状 态 1：待机状 态 图表 15 CTL_REG1 寄存器说明 CTL_REG1 的 bit[3:1]为增益控制，可以对接收增益进行调节，一般均选择 0 即可。 SLEEP 位，低功耗模式控制位，SLEEP 置位时，振荡器停止工作，CLKOUT、RF_TXD 均输出为低电 平，芯片处于低功耗模式。 7 EOF： End Of Frame 帧结束，详见 ISO/IEC14443 8 SOF： Start Of Frame 帧开始，详见 ISO/IEC14443 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 20 页 共 33 页 4.3.4.3 状态寄存器 z ADDR:8’bXXXX_?100 ST_REG Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 RFU rsof seof full Empty frame_err frame_end /work_st ate 未用 1: SOF 接收结 束状态 1: 发 送 EOF 结 束状态 RAM 满 RAM 空 接收帧错误 0:接收帧未错误 1:接收帧错误 接收帧结束 0：接收帧未结 束 1：接收帧结束 0：接收状 态 1：发送状 态 图表 16 ST_REG 寄存器说明 状态寄存器全部为只读，用于查询当前发送接收状态。 4.3.5 操作步骤 以下为常规发送方法，如需加快发送速度，请参考 4.3.4.2 部分中 CTL_REG0 的说明。 1. MODE 设为 1,进入 串行寄存器 模式 2. 复位芯片 3. 将 RAMPT_CLR 置位，使内部 RAM 地址归零 4. 将 0x1 写入 CTL_REG0, 打开载波，同时复位 RAMPT_CLR 5. 写入发送数据（芯片自动对写入数据进行计数） 6. 置位 SEND，开始发送。 7. 复位 SEND 8. 等待状态寄存器 frame_end 置位 9. 读数据长度寄存器 LENL_REG 和 LENH_REG，得出接收数据帧长度 LEN 10. 连续读 LEN 次数据寄存器 DAT_REG，得到接收数据。 11. 从第 3 步开始，发送下一帧数据。 5 发送电路 5.1 发送电路图 THM3050 芯片没有内置的功率放大部分，需要外接功率放大器，如图 17 所示。CLKOUT 管脚输 出 13.56MHz 的载波信号，经功率放大器放大后输出，驱动 50 欧姆天线。RF_TXD 驱动外部电路，进 行载波幅度调制。RF_TXD 在载波关闭时输出为低电平，载波开启时 RF_TXD 输出发送波形数据。调 节电阻 R5 的大小可以改变调制深度 （Index）的大小9。 图表 17 发送电路图 5.2 发送电路波形 9 调制深度在 ISO/IEC14443 中规定为 7%~14%，调整 R5 有可能会导致调制深度超出此范围，而影响卡片的正常工作 。 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2 第 21 页 共 33 页 RF_TXD CLKOUT ANTA 图表 18 发送电路波形示意图 THM3050 用户手册 2006-03 Version 0.2