探索M24SR64-Y：动态NFC/RFID标签IC的技术剖析

引言

在当今的电子技术领域，NFC/RFID技术的应用越来越广泛，从移动支付到智能门禁，无处不在。M24SR64-Y作为一款动态NFC/RFID标签IC，以其独特的特性和强大的功能，在众多同类产品中脱颖而出。本文将深入剖析M24SR64-Y的各项技术细节，为电子工程师们在设计相关产品时提供有价值的参考。

文件下载：M24SR64-YMN6T 2.pdf

一、M24SR64-Y概述

M24SR64-Y属于ST25家族，该家族涵盖了意法半导体（STMicroelectronics）的所有NFC/RFID标签和读取器产品。它是一款具有双接口的动态NFC/RFID标签IC，内置了EEPROM存储器，可以通过I²C接口或者13.56 MHz的RFID读取器或NFC手机进行操作。其主要特点包括I²C接口支持1 MHz协议，单一电源电压范围为2.7 V至5.5 V；支持NFC Forum Type 4 Tag和ISO/IEC 14443 Type A标准，数据速率为106 Kbps；内部调谐电容为25 pF；拥有8-Kbyte（64-kbit）的EEPROM，支持NDEF数据结构等。

二、功能模式

2.1 I²C模式

在这种模式下，M24SR64-Y由Vcc供电，I²C接口连接到该设备，I²C主机可以与M24SR64-Y进行通信。这为工程师在设计中提供了一种稳定、可靠的通信方式，尤其在需要与其他I²C设备集成的系统中非常实用。

2.2 标签模式

此时，M24SR64-Y由RF场供电，并可以与RF主机（如RFID读取器或NFC手机）进行通信。用户内存只能通过RF命令进行访问。这种模式使得设备在无外部电源的情况下也能正常工作，适用于一些对电源要求较为苛刻的应用场景。

2.3 双接口模式

在双接口模式下，RF和I²C接口都连接到M24SR64-Y，RF或I²C主机都可以与该设备进行通信。电源供应和访问管理由M24SR64-Y自身完成，通过令牌机制来确保同一时间只有一个主机可以与设备通信。这为工程师在设计时提供了更大的灵活性，可以根据实际需求选择合适的通信方式。

三、信号描述

3.1 串行时钟（SCL）

SCL作为输入信号，用于对设备的所有数据进行选通。在某些应用中，当该信号被从设备用于将总线同步到较慢的时钟时，总线主设备必须具有开漏输出，并且需要从SCL连接一个上拉电阻到Vcc。不过，在大多数应用中，如果总线主设备具有推挽输出，则不需要上拉电阻。

3.2 串行数据（SDA）

SDA是一个双向信号，用于在设备中传输数据。它是一个开漏输出，可以与总线上的其他开漏或开集电极信号进行线或操作。同样，需要从SDA连接一个上拉电阻到Vcc。

3.3 天线线圈（AC0，AC1）

这两个输入用于将设备连接到外部线圈。需要注意的是，不要将任何其他直流或交流路径连接到AC0或AC1。当线圈正确调谐后，可以使用NFC Forum Type 4命令来访问设备。

3.4 接地（VSS）

VSS连接时，是所有焊盘（包括AC0和AC1）的VCC电源电压的参考。

3.5 电源电压（Vcc）

该引脚可以连接到外部直流电源。内部电压调节器允许施加在Vcc上的外部电压为M24SR64-Y供电。在操作时，需要在指定的[VCC(min)，VCC(max)]范围内施加有效且稳定的Vcc电压，并使用合适的电容对Vcc线路进行去耦，以保持稳定的直流电源电压。

3.6 RF禁用

该输入信号用于禁用RF通信。当Vcc引脚的电压低于POR电平或未连接时，内部下拉电阻连接在该焊盘上，RF禁用焊盘保持低电平，RF模拟前端被激活。当Vcc引脚的电压高于POR电平时，I²C主机应设置该引脚以启用或禁用RF通信。在双接口模式下，RF禁用引脚不能浮空。

3.7 通用输出（GPO）

GPO焊盘是一个开漏焊盘，需要连接一个外部上拉电阻。它是一个可配置的输出信号，默认配置为会话打开。其行为与I²C或RF会话的激活以及用户选择的模式一致。用户可以根据需要选择不同的配置，如会话打开、MIP（NDEF消息更新中）、WIP（写入中）、INT（中断）、I²C就绪响应、状态模式和RF繁忙等。

四、内存管理

4.1 内存结构

M24SR64-Y支持NFC Forum Type 4 Tag中定义的NDEF标签应用，由三个文件组成：能力容器（CC）文件、NDEF文件和系统文件（ST专有文件）。

• CC文件：提供有关M24SR64-Y和NDEF文件的一些信息，是RF或I²C主机的只读文件，不能通过写命令进行修改，但T字段、读访问和写访问字段可以通过特定过程进行更改。
• NDEF文件：包含NDEF消息和用户数据，RF主机或I²C主机可以在文件中读写数据。前两个字节定义了NDEF消息的长度，该长度应由应用程序管理，M24SR64-Y设备不会检查其值是否与RF或I²C主机写入的数据相关。
• 系统文件：指定M24SR64-Y的配置，包含设备长度、I²C保护、I²C看门狗、GPO、ST保留、RF启用、NDEF文件编号、UID、内存大小和产品代码等字段。

  4.2 读写访问权限

  NDEF文件可以被锁定以进行读写访问，并且受128位密码保护。有两个128位密码，分别用于读取和写入访问。读取锁定的NDEF文件之前，主机需要发送读取密码；写入锁定的NDEF文件之前，需要发送写入密码。通过CC文件中的两个字节来定义对NDEF文件的读写访问权限，用户可以根据需要进行更改。

  4.3 访问权限生命周期

  访问权限的生命周期在NDEF文件被选择时或直到RF或I²C会话结束时有效。一旦授予读写访问权限，主机可以发送一个或多个ReadBinary或UpdateBinary命令。在会话结束或主机选择另一个文件时，读写访问权限将被初始化。

五、通信机制

5.1 主从关系

M24SR64-Y在I²C总线或RF通道上作为从设备，等待I²C主设备或RF主机的命令后再发送响应。RF主机需要生成RF场和RF命令，I²C主机需要通过Vcc引脚为M24SR64-Y供电，并在SCL焊盘上生成I²C时钟。

5.2 会话机制

M24SR64-Y实现了一个令牌系统，令牌有RF或I²C两种可能的值。当令牌分配给一个接口时，M24SR64-Y不能与另一个主机进行通信。

• RF令牌：在防冲突完成后，令牌被分配给RF接口。释放条件可以是RF场切断、接收到取消选择命令或I²C主机发送KillRFsession命令。
• I²C令牌：当I²C主机发送正确的设备选择时，令牌被分配给I²C接口。释放条件可以是Vcc引脚的电源下降条件或I²C主机发送I²C令牌释放序列。

六、命令集

M24SR64-Y的命令集可以分为不同的命令家族，包括NFC Forum Type 4 Tag命令集、ISO/IEC 7816-4命令集和专有命令集。大多数命令在RF和I²C接口之间是通用的，但也有一些特定于RF接口或I²C接口的命令。

6.1 I-Block格式

用于在RF或I²C主机与M24SR64-Y之间交换数据，由起始数据（SoD）、负载（Payload）和结束数据（EoD）三个字段组成。当RF或I²C主机发送命令时，负载的格式为C-APDU；当M24SR64-Y发送响应时，负载的格式为R-APDU。

6.2 R-Block格式

用于在RF或I²C主机与M24SR64-Y之间传递肯定或否定确认信息，有R(ACK)和R(NAK)两种类型。

6.3 S-Block格式

用于在读取器和非接触式标签之间交换控制信息，有S(DES)和S(WTX)两种请求。S(DES)是取消选择命令，仅适用于RF；S(WTX)是等待帧扩展命令或响应，用于在M24SRxx需要的操作时间大于9.6 ms时请求时间扩展。

6.4 具体命令

• NFC Forum Type 4 Tag命令集：包括NDEF标签应用选择、能力容器选择、NDEF选择、系统文件选择、ReadBinary和UpdateBinary等命令。
• ISO/IEC 7816-4命令集：提供了一些扩展功能，如NDEF文件的保护，包括Verify、ChangeReferenceData、EnableVerificationRequirement和DisableVerificationRequirement等命令。
• 专有命令集：如ExtendedReadBinary、EnablePermanentState、DisablePermanentState、UpdateFileType、SendInterrupt和StateControl等命令。

七、设备操作

7.1 RF设备操作

• 防冲突和设备激活命令集：M24SR64-Y设备支持NFC-A技术和Type 4A标签平台章节中定义的命令集。
• 打开RF会话：RF主机完成防冲突程序并获取ATS响应后，发送SelectApplication命令，M24SR64-Y将打开RF会话。此时，RF主机可以发送应用命令集，而I²C主机需要先关闭RF会话才能与M24SR64-Y进行通信。
• 关闭RF会话：RF主机可以通过发送S(DES)命令或关闭RF场来关闭RF会话。

  7.2 I²C设备操作

• I²C通信协议：M24SR64-Y设备支持I²C协议，作为从设备进行通信。通信基于命令和响应的交换系统，I²C主机发起通信，发送请求，M24SR64-Y接收有效请求后执行内部操作并生成响应。
• 打开I²C会话：I²C主机可以通过发送GetSession命令或KillRFsession命令来打开I²C会话。
• 关闭I²C会话：可以通过关闭Vcc电源、发送I²C令牌释放序列、等待I²C看门狗（启用时）或等待I²C时钟周期超时来关闭I²C会话。

八、功能流程

文档中还介绍了一些访问内存或管理其保护的功能流程，如选择NDEF消息、读取NDEF消息、读取锁定的NDEF文件、锁定NDEF文件、解锁NDEF文件、使NDEF文件达到只读状态、更改NDEF密码、更改文件类型和更新NDEF文件等。这些流程为工程师在实际应用中操作M24SR64-Y提供了详细的指导。

总结

M24SR64-Y作为一款功能强大的动态NFC/RFID标签IC，具有丰富的功能和灵活的配置选项。通过对其功能模式、信号描述、内存管理、通信机制、命令集和设备操作等方面的深入了解，电子工程师们可以更好地利用该设备进行产品设计，满足不同应用场景的需求。在实际应用中，工程师们还需要根据具体的设计要求和实际情况，合理选择通信方式、配置访问权限和使用合适的命令集，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，还需要注意设备的工作环境和电源要求，避免超出绝对最大额定值，以保证设备的正常运行和使用寿命。

你在使用M24SR64-Y进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。