讀寫(xiě)器電路設(shè)計(jì)分析論文

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摘要：本文介紹了非接觸式IC卡芯片MCFR200的特點(diǎn)和工作原理，并對(duì)其在PSK工作模式下的讀寫(xiě)器電路設(shè)計(jì)作了較詳細(xì)的論述。該P(yáng)SK解調(diào)方法亦可用于設(shè)計(jì)TYPEB型卡讀寫(xiě)器BPSK的解調(diào)電路。PSK方式的優(yōu)點(diǎn)是讀出速度快捷。

關(guān)鍵詞：非接觸卡；MCRF200；讀寫(xiě)器；PSK；負(fù)載調(diào)制

1MCRF200簡(jiǎn)介

MCRF200是Microchip公司生產(chǎn)的非接觸式可編程無(wú)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(gè)未被編程的存貯陣列，而且能夠在非接觸編程時(shí)提供一個(gè)缺損狀態(tài)其波特率為載波頻率fc的128分頻，調(diào)制方式為FSK，數(shù)據(jù)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(jiàn)后述的鎖存位CB12置1，芯片上電后，將依據(jù)配置寄存器的設(shè)置并按協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。

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(chǔ)器（支持48位或64位協(xié)議）；

●內(nèi)含整流和穩(wěn)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(diào)制方式可在直接調(diào)制（ASK）、FSK、PSK1和PSK2（PSK1、PSK2定義見(jiàn)后述中選擇）；

●采用PDIP和SOIC封裝形式。

2MCRF200的工作原理

2．1應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成

MCRF200的典型應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。圖中，引腳VA和VB接電感L1和電容C1構(gòu)成的外接諧振電路，該LC諧振電路的諧振頻率為125kHz。讀寫(xiě)器邊的LC電路也諧振于125kHz則用于輸出射頻能量，同時(shí)可接收MCRF200芯片以負(fù)載調(diào)制方式送來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2．2芯片內(nèi)部組成原理

圖3

MCRF200芯片的內(nèi)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(hào)處理和變換功能，包括電源、時(shí)鐘、載波中斷檢測(cè)、上電復(fù)位、負(fù)載調(diào)制等電路。此外，它還用來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼、調(diào)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(shù)。該配置寄存器不能被非接觸方式編程，因?yàn)樗诜墙佑|方式下已經(jīng)被Microchip公司在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行過(guò)編程。

配置寄存器各位的控制功能如下：

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

●CB2、CB3、CB4位：該三位編碼可用于設(shè)置波特率，其編碼表列于表1。

●CB5用來(lái)設(shè)置同步字。CB5為1時(shí)，有1．5位同步字；為0時(shí)，無(wú)同步字。

●CB6與CB7：用于設(shè)置數(shù)據(jù)編碼方式，具體見(jiàn)表2所列。

●CB8與CB9：調(diào)制方式選擇位，具體見(jiàn)表3。

●CB10：PSK速率選擇位。該位為1時(shí)選擇fc／4；為0時(shí)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(shí)，存貯陣列未鎖定；為1時(shí)，存貯陣列被鎖定。

表1波特率設(shè)置表（fc為載波頻率）

CB2CB3CB4波特率CB2CB3CB4波特率

000fc/128100fc/64

001fc/100101fc/50

010fc/80110fc/40

011fc/32111fc/16

表2數(shù)據(jù)編碼方式設(shè)置

CB70011

CB60101

編碼方式NRZ-L曼徹斯特編碼差分曼徹斯特碼反曼徹斯特碼

表3調(diào)制方式選擇（fc為載波頻率）

CB9CB8市制方式

00FSK：0為fc/8；1為fc/10

01PSK1

10直接

11PSK2

3PSK讀寫(xiě)器電路設(shè)計(jì)

3．1PSK調(diào)制

MCRF200的PSK調(diào)制方式有兩種：PSK1和PSK2。采用PSK1調(diào)制時(shí)，每當(dāng)相位在數(shù)據(jù)位的上升沿或下降沿時(shí)，將在從位起始處跳變180°；而在PSK2調(diào)制時(shí)，相位將在數(shù)據(jù)位為1時(shí)從位起始處跳變180°，為0時(shí)則相位不變。PSK1是一種絕對(duì)碼方式，PSK2是一種相對(duì)碼方式，因此，PSK讀寫(xiě)器硬件只能按一種調(diào)制方式設(shè)計(jì)(如PSK1)，而當(dāng)要工作在另一調(diào)制方式時(shí)，可用軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖3所示是一個(gè)典型的PSK調(diào)制信號(hào)波形示意圖，圖中假設(shè)PSK速率為數(shù)據(jù)位速率的8倍。

3．2PSK讀寫(xiě)器

PSK讀寫(xiě)器的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由4MHz晶體振蕩器、分頻器、載波功放、包絡(luò)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(jī)接口電路等組成。

圖4中，讀寫(xiě)器發(fā)收兩通道的信號(hào)流程已很清楚，這些電路的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)很多。下面僅就功率放大器、包絡(luò)檢波、PSK解調(diào)以及RS－232串口電路進(jìn)行分析。

（1）功放電路

該P(yáng)SK讀寫(xiě)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(lián)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(gòu)成輸出諧振電路，這樣，在L2上將產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而保證卡芯片進(jìn)入場(chǎng)區(qū)時(shí)能獲得足夠的載波能量而被激活。但L2所產(chǎn)生的場(chǎng)能量也有一定的限制，通常在30m處測(cè)試應(yīng)不超過(guò)65dBμV（dBμV＝20logμV）。

（2）包絡(luò)檢波電路

非接觸IC卡的負(fù)載調(diào)制通常采用AM方式，讀寫(xiě)器中的載波解調(diào)采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波電路，圖5中，D3和D4的作用是對(duì)芯片負(fù)載調(diào)制信號(hào)進(jìn)行全波檢波，以檢出PSK包絡(luò)。

而R8和C5組成的低通濾波器則應(yīng)滿足包絡(luò)檢波條件，即：

R8C5≥（5－10）／ωC

式中：ωC為載波角頻率。但應(yīng)注意為了減小惰性失真，R8和C5不應(yīng)取值過(guò)大。

（3）PSK解調(diào)器電路

PSK解調(diào)電路是讀寫(xiě)器能正確將PSK調(diào)制信號(hào)變換為NRZ碼的關(guān)鍵電路，其具體電路見(jiàn)圖6所示。圖中，從脈沖形成電路送出的62．5kHz的PSK方波信號(hào)假定配置寄存器CB10位為0，即PSK速率為fc／2加至觸發(fā)器D3的時(shí)鐘輸入端。觸發(fā)器D3的數(shù)據(jù)輸入端D加入的是由125kHz載波基準(zhǔn)形成的62．5kHz基準(zhǔn)方波信號(hào)，這樣，若時(shí)鐘與D輸入端兩信號(hào)相位差為90°或相位差不偏至0°或180°附近，則觸發(fā)器D3的Q端輸出信號(hào)將是可由微控制器MCU讀入的數(shù)據(jù)NRZ碼。

分頻器輸出的125kHz方波基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)觸發(fā)器D2變換為62．5kHz的方波，而異或門(mén)1利用觸發(fā)器輸出D1的高低電平變化則可使加至觸發(fā)器D2的125kHz基準(zhǔn)信號(hào)相位改變180°，該180°的相位變化在觸發(fā)器D2的Q輸出端會(huì)產(chǎn)生90°的相移。

而基準(zhǔn)62．5kHz信號(hào)在經(jīng)異或門(mén)4后將產(chǎn)生125kHz脈沖信號(hào)R3C3產(chǎn)生延遲。同樣，也將產(chǎn)生62．5kHz的PSK數(shù)據(jù)信號(hào)，在經(jīng)R2、C2和異或門(mén)后，也將產(chǎn)生125kHz的脈沖信號(hào)。這兩信號(hào)可在觸發(fā)器D4中進(jìn)行相位比較以在觸發(fā)器D4的Q端輸出125kHz信號(hào)，其占空比正比于兩信號(hào)間的相位差。當(dāng)兩個(gè)62．5kHz信號(hào)的相位差為90°時(shí)，其占空比為50％，這對(duì)于PSK解調(diào)是理想的，若它們的相位差偏離90°而向0°或180°偏移時(shí)，其占空比也將同時(shí)減小或增大。

由R1和C1構(gòu)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(gè)窗口檢測(cè)電路。若直流電平靠近中間，則窗口檢測(cè)器輸出1為高，輸出2為低，異或非后為低，因而不改變觸發(fā)器D1的Q輸出狀態(tài)；若直流電平過(guò)高，則窗口檢測(cè)器1、2輸出端都為高；此時(shí)，若直流電平較低，則窗口檢測(cè)器1、2輸出端都為低。即觸發(fā)器D4輸出的占空比過(guò)大或過(guò)小時(shí)，窗口檢測(cè)器的輸出會(huì)使觸發(fā)器D1的時(shí)鐘輸入端產(chǎn)生上跳變化，從而引起觸發(fā)器D1輸出Q的電平變化而使觸發(fā)器D2輸出發(fā)生90°相移，最終使觸發(fā)器D3達(dá)到最佳的PSK解調(diào)狀態(tài)。

4結(jié)束語(yǔ)

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(xiě)器硬件電路的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。MCRF200的PSK工作模式的TYPEA／B型卡的副載波調(diào)制方式有一定的相似性，因此本文介紹的PSK解調(diào)電路的設(shè)計(jì)方法也可供TYPEA／B型卡讀寫(xiě)器副載波解調(diào)電路設(shè)計(jì)時(shí)參考。