RF430FRL15xH NFC ISO 15693 Sensor Transponder：特性、应用与设计要点

在当今的电子设备设计领域，NFC（近场通信）技术凭借其便捷性和高效性，在工业、医疗等众多领域得到了广泛应用。而德州仪器（TI）的RF430FRL15xH系列NFC ISO 15693传感器应答器，以其丰富的特性和出色的性能，成为了许多工程师的首选。本文将深入探讨RF430FRL15xH的详细信息，包括其特性、应用场景、引脚配置、电气参数以及使用过程中的注意事项。

文件下载：rf430frl152h.pdf

1. 设备概述

1.1 特性

• 通信标准兼容：该系列应答器符合ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000 - 3（Mode 1）标准，确保了与各种NFC读写设备的兼容性。
• 灵活的供电方式：支持电池供电或13.56 - MHz H - 场供电，可根据实际应用场景选择合适的供电模式，以实现最佳的性能和功耗平衡。
• 高精度数据采集：内置14位Sigma - Delta模数转换器（ADC）和温度传感器，能够精确采集模拟信号和环境温度信息，为数据处理和分析提供可靠的基础。
• 强大的存储能力：配备2KB的FRAM、4KB的SRAM和8KB的ROM，可用于存储程序代码、用户数据、校准和测量数据等，满足不同应用的数据存储需求。
• 低功耗设计：MSP430™混合信号微控制器具有低功耗特性，在不同工作模式下的功耗表现出色。例如，在活动模式（AM）下，功耗仅为140 µA/MHz（1.5 V）；在待机模式（LPM3）下，功耗低至16 µA。
• 丰富的外设资源：拥有16位RISC架构、高达2 - MHz的CPU系统时钟、紧凑的时钟系统（包括4 - MHz高频时钟和256 - kHz内部低频时钟源）、16位Timer_A、eUSCI_B模块（支持3线和4线SPI以及I2C）、32位看门狗定时器（WDT_A）等，为系统设计提供了丰富的功能支持。

1.2 应用场景

• 工业无线传感器：在工业自动化和监测领域，RF430FRL15xH可用于实时采集工业设备的运行状态、环境参数等信息，并通过NFC通信将数据传输到上位机进行分析和处理，实现设备的远程监控和故障诊断。
• 医疗无线传感器：在医疗设备中，该应答器可用于监测患者的生命体征、药物剂量等信息，为医疗人员提供及时准确的数据支持，提高医疗服务的质量和效率。

1.3 功能描述

RF430FRL15xH是一款13.56 - MHz的应答器芯片，集成了可编程的16位MSP430™低功耗微控制器。它通过符合ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000 - 3标准的RFID接口以及SPI或I2C接口，实现了通信、参数设置和配置功能。内部温度传感器和14位ADC支持传感器测量，同时还可以通过SPI或I²C连接数字传感器，进一步扩展了系统的功能。此外，该芯片经过优化，可在完全无源（无电池）或单电池供电（半有源）模式下运行，有效延长了便携式和无线传感应用中的电池寿命。

1.4 功能框图

从功能框图中可以清晰地看到各个模块之间的连接和协作关系，有助于工程师更好地理解芯片的工作原理和设计思路。

2. 设备比较

RF430FRL15xH系列包括RF430FRL152H、RF430FRL153H和RF430FRL154H三个型号，它们在FRAM、SRAM、Timer、ISO/IEC 15693 13.56 - MHz前端、eUSCI_B和SD14等方面存在一些差异。具体比较如下表所示：	设备型号	FRAM (KB)	SRAM (KB)	Timer	ISO/IEC 15693 13.56 - MHz前端	eUSCI_B	SD14
RF430FRL152H	2	4	是	是	是	是
RF430FRL153H	2	4	是	是	否	是
RF430FRL154H	2	4	是	是	是	否

工程师在选择具体型号时，应根据实际应用需求，综合考虑各个型号的特点和差异，以确保所选型号能够满足系统的功能和性能要求。

3. 引脚配置与功能

3.1 引脚图

该图展示了24引脚RGE封装的引脚分配情况，为硬件设计提供了直观的参考。

3.2 信号描述

端子名称	编号	I/O	描述
ANT1	1	I	天线输入1
ANT2	2	I	天线输入2
VDDsw	3		开关电源电压
VDDB	4		电池电源电压
CP1	5		电荷泵飞电容端子1
CP2	6		电荷泵飞电容端子2
VDD2x	7		电压倍增器输出
P1.3 SPI_STE	8 - 9	VO	通用数字I/O、SPI从机发送使能、Timer_A TA0 OUT2输出、ACLK输出（除以1、2、4、8、16或32）、Timer_A TA0时钟信号TA0CLK输入、通用数字I/O、SPI时钟
……	……	……	……

详细的信号描述有助于工程师正确连接引脚，实现芯片与外部电路的有效通信和协作。

3.3 引脚复用

GPIO端口引脚具有复用功能，可与模拟外设和串行通信模块共享。引脚功能通过寄存器值和设备模式的组合进行选择。具体的端口引脚原理图和复用细节可参考文档的第6.7节。在设计过程中，工程师需要根据实际需求合理配置引脚复用功能，以充分发挥芯片的性能。

3.4 未使用引脚的连接

对于未使用的引脚，应按照以下建议进行连接：	引脚	电位	注释
TDI/TMS/TCK	开路	用于JTAG功能时
RST/NMI	Vcc或Vss	连接10 - nF电容到GND/Vss
Px.0到Px.7	开路	设置为端口功能，输出方向
TDO	开路	惯例：将TDO端子保留为JTAG功能

正确处理未使用引脚可以避免潜在的干扰和故障，提高系统的稳定性和可靠性。

4. 规格参数

4.1 绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
施加在VDDB相对于VSS的电压（VAMR）	- 0.3	1.65	V
施加在VANT相对于VSS的电压（VAMR）	- 0.3	3.6	V
施加到任何引脚的电压（相对于VSS）	- 0.3	VDDB + 0.3	V
任何设备引脚的二极管电流	±2	mA
I/O端口并行电气和逻辑切换时的电流降额因子	0.9
存储温度范围，Tstg	- 40	125	°C

超过绝对最大额定值可能会对设备造成永久性损坏，因此在设计和使用过程中必须严格遵守这些参数限制。

4.2 ESD额定值

静电放电（ESD）性能方面，人体模型（HBM）的ESD额定值为±2000 V（符合ANSI/ESDA/JEDEC JS001标准）。需要注意的是，低泄漏引脚ADC0的ESD耐受性降低至±500 V HBM。在实际应用中，应采取适当的ESD防护措施，以保护芯片免受静电损坏。

4.3 推荐工作条件

参数	最小值	标称值	最大值	单位
VDDB程序执行期间的电源电压	1.45	1.65	V
VSS电源电压（GND参考）	0			V
TA工作环境温度	0	70	°C
CVDDB VDDB上的电容	100	nF
CVDDSW VDDSW上的电容	2.2	µF
CFLY CP1和CP2之间的电荷泵电容	10	nF
CVDD2X VDD2x上的电容	100	nF
CVDDD VDDD上的电容	1	µF
CSVSS SVSS和VSS之间的电容	1	µF
fSYSTEM系统频率			2	MHz
fCLKIN外部时钟输入频率	32	kHz

遵循推荐工作条件可以确保芯片在最佳状态下运行，提高系统的性能和稳定性。

4.4 其他规格参数

文档还详细列出了谐振电路的推荐工作条件、有源模式和低功耗模式下的电源电流、数字I/O的电气参数、高频和低频振荡器的性能参数、从低功耗模式唤醒的时间、Timer_A的参数、eUSCI在不同模式下的工作条件等。这些参数对于系统的性能评估和优化具有重要意义，工程师在设计过程中应根据实际需求进行合理选择和调整。

5. 详细描述

5.1 CPU

MSP430 CPU采用16位RISC架构，对应用程序具有高度的透明性。除程序流指令外，所有操作均作为寄存器操作执行，并结合七种源操作数寻址模式和四种目的操作数寻址模式，有效减少了指令执行时间。CPU集成了16个寄存器，其中R0 - R3分别作为程序计数器、堆栈指针、状态寄存器和常量生成器，其余为通用寄存器。外设通过数据、地址和控制总线与CPU连接，可使用所有指令进行操作。

5.2 指令集

指令集由原始的51条指令组成，具有三种格式和七种地址模式。每条指令可对字和字节数据进行操作，为程序设计提供了丰富的选择。

5.3 工作模式

设备具有一种活动模式和三种软件可选的低功耗模式。中断事件可使设备从任何低功耗模式唤醒，处理请求后再返回低功耗模式。需要注意的是，如果至少有一个模块仍在MCLK、SMCLK或ACLK上请求时钟，则可能无法进入软件选择的低功耗模式，但CPU将保持关闭状态，直到发生中断。具体工作模式如下：

• 活动模式（AM）：CPU启用，所有时钟激活。
• 低功耗模式0（LPM0）：CPU禁用，MCLK禁用，SMCLK激活，ACLK激活，HFOSC关闭（如果未选择用于SMCLK或ACLK）。
• 低功耗模式3（LPM3）：CPU禁用，MCLK禁用，SMCLK禁用，ACLK激活，HFOSC关闭（如果未选择用于ACLK）。
• 低功耗模式4（LPM4）：CPU禁用，MCLK禁用，SMCLK禁用，ACLK禁用，HFOSC关闭，LFOSC开启。

5.4 中断向量地址

中断向量和上电起始地址位于地址范围0FFFFh - 0FFE0h内，其中0FFDFh - 0FFD0h保留用于引导代码签名。向量包含相应中断处理程序指令序列的16位地址。详细的中断源、标志和向量信息可参考文档中的表格，这对于中断处理程序的设计和调试非常重要。

5.5 内存

类型	正常模式	ROM开发模式
内存（FRAM）主：中断向量	总大小FRAM：2048B = 2KB，OFFFFh - OFFEOh
主：代码内存	银行A(1)(2)：512B，OFFFFh - OFE00h；银行B(1)：512B，OFDFFh - OFC00h；银行C(1)：512B，OFBFFh - OFA00h；银行D：448B，OF9FFh - 0F840h
引导数据（TLV）	大小FRAM：64B，01A3Fh - 01A00h	64B，01A3Fh - 01A00h
应用ROM	大小ROM：7168B = 7KB，05FFFh - 04400h	3584 B = 3.5KB，051FFh - 04400h
ROM开发内存	大小SRAM：	3584B = 3.5KB，02BFFh - 01E00h
SRAM内存	大小SRAM：4096B = 4KB，02BFFh - 01C00h	512B = 0.5 KB，01DFFh - 01C00h
外设	大小：4096B = 4KB，00FFFh - 00000h	4096B = 4KB，00FFFh - 00000h

FRAM可通过JTAG端口或CPU在系统中进行编程，具有低功耗、超快速写入、非易失性、字节和字访问能力以及自动等待状态生成等特点。部分地址范围可通过设置SYSCNF寄存器中的相应位进行写保护。SRAM由8个扇区组成，每个扇区可完全断电以节省泄漏电流，但数据会丢失。应用ROM包含RF库、功能库、预定义应用固件和引导代码等部分，为系统的功能实现提供了重要支持。

5.6 外设

外设通过数据、地址和控制总线与CPU连接，可使用所有指令进行管理。具体外设包括：

• 数字I/O（P1.x）：有一个I/O端口P1，具有8个I/O线，所有单个I/O位可独立编程，支持各种输入、输出和中断条件组合，所有端口可配置可编程上拉或下拉电阻，具有边沿可选中断输入功能，支持所有指令对端口控制寄存器进行读写访问。
• 多功能I/O端口P1：具有设备相关的复位值，具体信息可参考文档中的表格。
• 振荡器和系统时钟：时钟系统由Compact Clock System（CCS）模块支持，包括内部可调节的256 - kHz电流控制低频振荡器（LFOSC）和内部4 - MHz电流控制高频振荡器（HFOSC）。CCS模块可在不到1 ms的时间内快速启动振荡器，提供辅助时钟（ACLK）、主时钟（MCLK）和子主时钟（SMCLK）。
• 紧凑型系统模块（C - SYS_A）：处理设备内的许多系统功能，包括上电复位和上电清除处理、NMI源选择和管理、复位中断向量生成以及配置管理等，