非接觸卡MCRF200及PSK讀寫器電路設計

關鍵詞：非接觸卡；MCRF200；讀寫器；PSK；負載調制

１　ＭＣＲＦ２００簡介

ＭＣＲＦ２００是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產的非接觸式可編程無源ＲＦＩＤ器件，它的工作頻率?載波?為１２５ｋＨｚ。該器件有兩種工作模式：初始?Ｎａｔｉｖｅ?模式和讀模式。所謂初始模式是指ＭＣＲＦ２００具有一個未被編程的存貯陣列，而且能夠在非接觸編程時提供一個缺損狀態?其波特率為載波頻率ｆｃ的１２８分頻，調制方式為ＦＳＫ，數據碼為ＮＲＺ碼?；而讀模式是指在接觸或非接觸方式編程后的永久工作模式，在該模式下，ＭＣＲＦ２００芯片中配置寄存器?詳見后述?的鎖存位ＣＢ１２置１，芯片上電后，將依據配置寄存器的設置并按協議發送數據。

ＭＣＲＦ２００的其它主要性能如下：

●帶有一次可編程（ＯＴＰ）的９６位或１２８位用戶存儲器（支持４８位或６４位協議）；

●內含整流和穩壓電路；

●功率損耗極低；

●編碼方式可在ＮＲＺ碼、曼徹斯特碼、差分曼徹斯特碼之間選擇；

●調制方式可在直接調制（ＡＳＫ）、ＦＳＫ、ＰＳＫ１和ＰＳＫ２（ＰＳＫ１、ＰＳＫ２定義見后述中選擇）；

●采用ＰＤＩＰ和ＳＯＩＣ封裝形式。

２　ＭＣＲＦ２００的工作原理

２．１ 應用系統構成

ＭＣＲＦ２００的典型應用系統構成如圖１所示。圖中，引腳ＶＡ和ＶＢ接電感Ｌ１和電容Ｃ１構成的外接諧振電路，該ＬＣ諧振電路的諧振頻率為１２５ｋＨｚ。讀寫器邊的ＬＣ電路?也諧振于１２５ｋＨｚ?則用于輸出射頻能量，同時可接收ＭＣＲＦ２００芯片以負載調制方式送來的數據信號。

２．２ 芯片內部組成原理

圖3

ＭＣＲＦ２００芯片的內部電路框圖如圖２所示，它由射頻前端電路和存貯器電路兩大塊組成。其中，射頻前端電路用于完成芯片所有的模擬信號處理和變換功能，包括電源、時鐘、載波中斷檢測、上電復位、負載調制等電路。此外，它還用來實現編碼、調制方式的邏輯控制；而配置寄存器電路則用于確定芯片的工作參數。該配置寄存器不能被非接觸方式編程，因為它在非接觸方式下已經被Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司在生產時進行過編程。

配置寄存器各位的控制功能如下：

●ＣＢ１：用于設置存貯器陣列的大小。當ＣＢ１為１時，用戶陣列為１２８位；為０時，其用戶陣列為９６位。

●ＣＢ２、ＣＢ３、ＣＢ４位：該三位編碼可用于設置波特率，其編碼表列于表１。

●ＣＢ５用來設置同步字。ＣＢ５為１時，有１．５位同步字；為０時，無同步字。

●ＣＢ６與ＣＢ７：用于設置數據編碼方式，具體見表２所列。

●ＣＢ８與ＣＢ９：調制方式選擇位，具體見表３。

●ＣＢ１０：ＰＳＫ速率選擇位。該位為１時選擇ｆｃ／４；為０時則選擇ｆｃ／２?其中ｆｃ為載波頻率。

●ＣＢ１１：該位總為０。

●ＣＢ１２：該位為０時，存貯陣列未鎖定；為１時，存貯陣列被鎖定。

表1 波特率設置表（fc為載波頻率）

表2 數據編碼方式設置

表3 調制方式選擇（fc為載波頻率）

３　ＰＳＫ讀寫器電路設計

３．１ ＰＳＫ調制

ＭＣＲＦ２００的ＰＳＫ調制方式有兩種：ＰＳＫ１和ＰＳＫ２。采用ＰＳＫ１調制時，每當相位在數據位的上升沿或下降沿時，將在從位起始處跳變１８０；而在ＰＳＫ２調制時，相位將在數據位為１時從位起始處跳變１８０，為０時則相位不變。ＰＳＫ１是一種絕對碼方式，ＰＳＫ２是一種相對碼方式，因此，ＰＳＫ讀寫器硬件只能按一種調制方式設計(如ＰＳＫ１)，而當要工作在另一調制方式時，可用軟件進行轉換。

圖３所示是一個典型的ＰＳＫ調制信號波形示意圖，圖中假設ＰＳＫ速率為數據位速率的８倍。

３．２ ＰＳＫ讀寫器

ＰＳＫ讀寫器的電路結構如圖４所示。它由４ＭＨｚ晶體振蕩器、分頻器、載波功放、包絡檢波器、濾波放大、脈沖成形器、相位比較器、微處理器及與主機接口電路等組成。

圖４中，讀寫器發收兩通道的信號流程已很清楚，這些電路的設計參考文獻很多。下面僅就功率放大器、包絡檢波、ＰＳＫ解調以及ＲＳ－２３２串口電路進行分析。

（１）功放電路

該ＰＳＫ讀寫器的功放電路如圖５所示。圖中，Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３用于組成Ｂ類放大器，Ｌ１、Ｃ１和Ｃ２串聯諧振于１２５ｋＨｚ，選通分頻器輸出的１２５ｋＨｚ載波加至功放，Ｌ２和Ｃ３用于構成輸出諧振電路，這樣，在Ｌ２上將產生電磁場，從而保證卡芯片進入場區時能獲得足夠的載波能量而被激活。但Ｌ２所產生的場能量也有一定的限制，通常在３０ｍ處測試應不超過６５ｄＢμＶ（ｄＢμＶ＝２０ｌｏｇμＶ）。

（２）包絡檢波電路

非接觸ＩＣ卡的負載調制通常采用ＡＭ方式，讀寫器中的載波解調采用簡單的包絡檢波電路，圖５中，Ｄ３和Ｄ４的作用是對芯片負載調制信號進行全波檢波，以檢出ＰＳＫ包絡。

而Ｒ８和Ｃ５組成的低通濾波器則應滿足包絡檢波條件，即：

Ｒ８Ｃ５≥（５－１０）／ωＣ

式中：ωＣ為載波角頻率。但應注意為了減小惰性失真，Ｒ８ 和Ｃ５不應取值過大。

（３）ＰＳＫ解調器電路

ＰＳＫ解調電路是讀寫器能正確將ＰＳＫ調制信號變換為ＮＲＺ碼的關鍵電路，其具體電路見圖６所示。圖中，從脈沖形成電路送出的６２．５ｋＨｚ的ＰＳＫ方波信號?假定配置寄存器ＣＢ１０位為０，即ＰＳＫ速率為ｆｃ／２?加至觸發器Ｄ３的時鐘輸入端。觸發器Ｄ３的數據輸入端Ｄ加入的是由１２５ｋＨｚ載波基準形成的６２．５ｋＨｚ基準方波信號，這樣，若時鐘與Ｄ輸入端兩信號相位差為９０?或相位差不偏至０或１８０附近?，則觸發器Ｄ３的Ｑ端輸出信號將是可由微控制器ＭＣＵ讀入的數據ＮＲＺ碼。

分頻器輸出的１２５ｋＨｚ方波基準信號經觸發器Ｄ２變換為６２．５ｋＨｚ的方波，而異或門１利用觸發器輸出Ｄ１的高低電平變化則可使加至觸發器Ｄ２的１２５ｋＨｚ基準信號相位改變１８０，該１８０的相位變化在觸發器Ｄ２的Ｑ輸出端會產生９０的相移。

而基準６２．５ｋＨｚ信號在經異或門４后將產生１２５ｋＨｚ脈沖信號?Ｒ３Ｃ３產生延遲?。同樣，也將產生６２．５ｋＨｚ的ＰＳＫ數據信號，在經Ｒ２、Ｃ２和異或門后，也將產生１２５ｋＨｚ的脈沖信號。這兩信號可在觸發器Ｄ４中進行相位比較以在觸發器Ｄ４的Ｑ端輸出１２５ｋＨｚ信號，其占空比正比于兩信號間的相位差。當兩個６２．５ｋＨｚ信號的相位差為９０時，其占空比為５０％，這對于ＰＳＫ解調是理想的，若它們的相位差偏離９０而向０或１８０偏移時，其占空比也將同時減小或增大。

由Ｒ１和Ｃ１構成的濾波電路輸出的直流電平大小正比于相位差，該直流電壓加至一個窗口檢測電路。若直流電平靠近中間，則窗口檢測器輸出１為高，輸出２為低，異或非后為低，因而不改變觸發器Ｄ１的Ｑ輸出狀態；若直流電平過高，則窗口檢測器１、２輸出端都為高；此時，若直流電平較低，則窗口檢測器１、２輸出端都為低。即觸發器Ｄ４輸出的占空比過大或過小時，窗口檢測器的輸出會使觸發器Ｄ１的時鐘輸入端產生上跳變化，從而引起觸發器Ｄ１輸出Ｑ的電平變化而使觸發器Ｄ２輸出發生９０相移，最終使觸發器Ｄ３達到最佳的ＰＳＫ解調狀態。

４　結束語

本文介紹了非接觸式ＩＣ卡芯片ＭＣＲＦ２００及其在ＰＳＫ工作模式下讀寫器硬件電路的設計思想和設計方法。ＭＣＲＦ２００的ＰＳＫ工作模式的ＴＹＰＥ Ａ／Ｂ型卡的副載波調制方式有一定的相似性，因此本文介紹的ＰＳＫ解調電路的設計方法也可供ＴＹＰＥ Ａ／Ｂ型卡讀寫器副載波解調電路設計時參考。