ST25DV04KC/16KC/64KC：多功能NFC/RFID标签IC的技术剖析

在当今的电子领域，NFC/RFID技术的应用越来越广泛，为各种设备和系统带来了便捷与高效。ST25DV04KC、ST25DV16KC和ST25DV64KC这三款设备，作为NFC RFID标签，以其独特的功能和特性，在众多应用场景中展现出强大的优势。下面，我们就来深入剖析这三款设备的技术细节。

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一、产品概述

ST25DV04KC、ST25DV16KC和ST25DV64KC分别提供4Kbit、16Kbit和64Kbit的电可擦除可编程存储器（EEPROM）。它们具备两种接口：I²C串行接口可由直流电源供电运行；RF接口则在设备作为非接触式存储器时，由接收到的载波电磁波供电激活。这种双接口设计使得设备在不同的应用场景中都能灵活使用。

二、产品特性

（一）接口特性

1. I²C接口
   • 支持1MHz的双线I²C串行协议，单电源电压范围为1.8 - 5.5V，能适应多种电源环境。
   • 可进行多字节编程，最多可达256字节，提高了数据写入的效率。
   • 具有可配置的I²C目标地址，方便用户根据实际需求进行设置。
2. RF接口
   • 基于ISO/IEC 15693标准，获得了NFC Forum Type 5标签认证，兼容性强。
   • 支持ISO/IEC 15693的所有调制、编码、子载波模式和数据速率，能满足不同的通信需求。
   • 自定义快速读取访问速度可达53Kbit/s，大大提高了数据读取的速度。
   • 支持单块和多块读取、写入操作，操作灵活。

（二）内存特性

• 不同版本的设备提供不同容量的EEPROM，I²C接口按字节访问，RF接口按4字节块访问。
• 写入时间方面，从I²C写入1 - 16字节典型时间为5ms，从RF写入一个块典型时间为5ms。
• 数据保留时间长达40年，写入循环耐久性在不同温度下有所不同，如在25°C时可达100万次。

（三）其他特性

1. 快速传输模式
   • 通过256字节的专用缓冲区（邮箱）实现RF和I²C接口之间的快速数据传输，提高了数据交换的效率。
2. 能量收集
   • 具有模拟输出引脚，可在满足条件时为外部组件供电，实现能量的有效利用。
3. 数据保护
   • 用户内存可分为1 - 4个可配置区域，通过RF的三个64位密码和I²C的一个64位密码进行读写保护，保障数据的安全性。
4. GPO引脚
   • 可配置输出引脚，能提供RF和I²C活动信息，可根据多种RF和I²C事件触发中断，方便用户监控设备状态。
5. 低功耗模式
   • 10球和12引脚封装支持低功耗模式，通过输入引脚触发，降低设备功耗。
6. RF管理
   • RF命令解释器可由I²C主机控制器启用或禁用，I²C具有优先级，可立即关闭RF，方便用户对RF通信进行控制。

三、内存管理

（一）内存组织

ST25DVxxKC的内存分为四个主要区域：用户内存、动态寄存器、快速传输模式缓冲区和系统配置区域。用户内存可进一步划分为四个灵活的用户区域，每个区域可通过特定的64位密码进行读写保护。动态寄存器可提供动态活动状态或临时激活/停用某些功能。快速传输模式缓冲区作为RF和I²C接口之间的邮箱，实现快速数据传输。系统配置区域包含静态寄存器，用于配置设备的所有功能，其访问受64位配置密码保护。

（二）用户内存

1. 访问方式
   • RF接口按4字节块寻址，I²C接口按字节寻址。
   • RF扩展读写命令可访问所有内存块，其他读写命令最多只能访问到FFh块。
2. 用户内存区域
   • 用户内存可划分为不同区域，每个区域具有不同的访问权限。RF和I²C的读写命令在同一区域内有效，跨越区域边界可能会导致操作失败。
   • 每个用户内存区域由结束地址ENDA定义，起始地址由前一个区域的结束地址隐含定义。通过设置ENDA寄存器可调整区域大小，但需遵循一定的规则，如ENDAi - 1 < ENDAi ≤ ENDAi + 1 = 内存结束地址。

（三）系统配置区域

• 包含静态寄存器，可通过RF的专用读写配置命令和I²C的读写命令进行访问。
• RF配置安全会话需通过提供有效的RF配置密码来开启，I²C安全会话需通过提供有效的I²C密码来开启，才能对系统配置寄存器进行写访问。

（四）动态配置

• 具有一组动态寄存器，可临时修改设备行为或报告设备活动。部分静态寄存器在动态寄存器中有映像，动态寄存器的值可由应用程序更新，以临时修改设备行为。

（五）快速传输模式邮箱

• 用于在RF和I²C世界之间传输消息，最多可容纳256字节的数据。
• RF和I²C均可按字节访问邮箱，但访问时需满足一定条件，如快速传输模式必须启用，邮箱必须空闲等。

四、特定功能

（一）快速传输模式（FTM）

1. 寄存器
   • 静态寄存器FTM用于控制快速传输模式的启用和看门狗持续时间。
   • 动态寄存器MB_CTRL_Dyn用于控制和状态指示，如启用或禁用快速传输模式、指示消息来源等。
2. 使用方法
   • ST25DVxxKC作为RF（阅读器、智能手机）和I²C主机（微控制器）之间的邮箱，每个接口可通过邮箱向对方发送最多256字节的数据。
   • 发送数据时，快速传输模式必须启用，邮箱必须空闲，且VCC必须存在。接收方通过中断或轮询MB_CTRL_Dyn寄存器来得知消息的存在。

（二）RF管理功能

1. 寄存器
   • RF_MNGT和RF_MNGT_Dyn寄存器用于配置和控制RF模式，包括RF正常模式、禁用模式、睡眠模式和关闭模式。
2. 模式控制
   • 不同模式下，设备对RF请求的处理方式不同。RF关闭模式可由I²C通过特定命令控制，且具有最高优先级。

（三）接口仲裁

设备自动根据“先到先服务”的原则仲裁RF和I²C接口的独占使用。当RF忙碌时，I²C接口对除RFSwitchOff和RFSwitchOn之外的所有I²C命令回答NoAck；当I²C忙碌时，RF命令可能无响应或返回错误代码。

（四）GPO

1. 中断功能
   • 可报告多种RF和I²C事件，如RF_FIELD_CHANGE、RF_PUT_MSG、I2C_WRITE等，通过不同的寄存器进行配置。
2. 寄存器
   • 四个寄存器GPO1、GPO2、GPO_CTRL_Dyn和IT_STS_Dyn用于配置和监控GPO功能，用户可根据需求启用或禁用不同的中断源。

（五）能量收集（EH）

1. 寄存器
   • EH_MODE寄存器用于定义能量收集的默认策略，EH_CTRL_Dyn寄存器用于动态激活或停用能量收集功能，并提供能量收集和电源状态信息。
2. 工作原理
   • 当能量收集模式启用且RF场强足够时，V_EH引脚输出模拟电压；否则，V_EH引脚处于高阻状态。能量收集电压输出未经过调节。

（六）数据保护

1. 寄存器
   • 多个寄存器如RFAiSS、I2CSS、LOCK_CCFILE、LOCK_CFG等用于保护用户内存和系统配置静态寄存器。
2. 密码和安全会话
   • 设备提供三种安全会话：RF用户安全会话、RF配置安全会话和I²C安全会话，通过密码开启。不同安全会话具有不同的访问权限。
3. 用户内存保护
   • 每个内存区域可通过RF的三个密码和I²C的一个密码进行独立的读写保护，RF块0和1可独立写锁定。
4. 系统内存保护
   • 系统内存默认写保护，I²C主机需开启I²C安全会话才能对系统配置静态寄存器进行写访问，RF用户需开启RF配置安全会话且系统配置未锁定才能进行写访问。

五、I²C操作

（一）I²C协议

支持I²C协议，包括起始条件、停止条件、确认位和数据输入等操作。设备在通信中作为目标设备，数据传输由总线控制器发起。

（二）I²C超时

为防止RF通信冻结，设备具有超时机制，包括起始条件超时和时钟周期超时，超时后I²C逻辑块将自动复位。

（三）设备寻址

总线控制器通过发送设备选择代码来启动与目标设备的通信，设备选择代码由4位设备类型标识符和3位芯片使能位组成，第八位为读写位。

（四）I²C写操作

1. 字节写入
   • 总线控制器发送设备选择代码和地址字节后，发送一个数据字节。若写入未被禁止，设备回复Ack；否则，回复NoAck。
2. 顺序写入
   • 最多可一次写入256字节，但需满足数据在同一用户内存区域且地址可写的条件。写入完成后，内部编程时间取决于写入的字节数。

（五）I²C读操作

1. 随机地址读取
   • 先进行虚拟写入以加载地址，然后重新发送起始条件和设备选择代码，设置读写位为1，设备输出指定地址的字节内容。
2. 当前地址读取
   • 总线控制器发送设备选择代码，设置读写位为1，设备输出内部地址计数器指向的字节内容。
3. 顺序读取
   • 可在当前地址读取或随机地址读取后使用，设备按顺序输出数据，直到遇到不可读地址。

（六）I²C密码管理

通过I²C Present Password和I²C Write Password命令管理I²C 64位密码，用于开启I²C安全会话和更新密码。

六、RF操作

（一）RF通信

遵循ISO/IEC 15693或NFC Forum Type 5标准，通过13.56MHz载波电磁波进行非接触式交换。接收数据采用ASK调制，发送数据采用负载调制。

（二）RF协议

1. 协议描述
   • 基于“VCD先发言”的概念，设备在接收到并正确解码VCD发送的指令后才开始传输。
2. 状态和模式
   • 设备可处于断电、就绪、安静或选定状态，不同状态下对请求的响应不同。模式包括寻址模式、非寻址模式和选择模式，用于指定执行请求的设备集合。
3. 请求和响应格式
   • 请求由SOF、标志、命令代码、参数和数据、CRC和EOF组成；响应由SOF、标志、参数和数据、CRC和EOF组成。
4. 响应和错误代码
   • 若响应中Error_flag被设置，Error代码字段提供错误信息。

（三）RF命令

支持多种RF命令，如Inventory、Stay Quiet、Read Single Block等，每个命令具有特定的请求和响应格式，以及相应的错误处理机制。

七、设备参数

（一）最大额定值

包括环境温度、存储温度、引脚电压和电流等参数，使用时需确保设备在额定范围内工作。

（二）I²C参数

涵盖I²C操作条件、AC测试测量条件、输入参数、DC和AC特性等，为I²C接口的设计和使用提供参考。

（三）GPO特性

包括DC和AC特性，如输出电压、漏电流、上升和下降时间等，用于评估GPO引脚的性能。

（四）RF电气参数

包括RF信号频率、工作场强、调制指数、响应时间等参数，确保RF通信的正常进行。

（五）热特性

给出不同封装的热阻参数，帮助用户进行散热设计。

八、封装信息

提供SO8N、TSSOP8、UFDFN8、WLCSP10和UFDFPN12等不同封装的机械数据和尺寸信息，方便用户进行PCB设计。

九、订购信息

介绍了订购信息方案，包括设备类型、内存大小、版本、设备等级、封装和电容等参数，帮助用户准确选择所需设备。

十、附录

（一）快速命令的位表示和编码

详细说明了快速命令的数据位编码方案，包括使用一个子载波时的高数据速率和低数据速率编码，以及SOF和EOF的格式。

（二）I²C序列

提供了I²C设备选择代码、字节写入和读取、顺序写入和读取、密码相关序列等详细信息，方便用户进行I²C通信的设计和调试。

ST25DV04KC、ST25DV16KC和ST25DV64KC这三款设备以其丰富的功能和良好的性能，在NFC/RFID应用领域具有广阔的应用前景。电子工程师在设计相关产品时，可以根据实际需求充分利用这些设备的特性，实现高效、安全的数据通信和存储。