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非接觸卡MCRF200及PSK讀寫(xiě)器電路設(shè)計(jì)
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(hù)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(hù)陣列為１２８位；為０時(shí)，其用戶(hù)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/64001fc/100101fc/50010fc/80110fc/40011fc/32111fc/16
表2數(shù)據(jù)編碼方式設(shè)置
CB70011CB60101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/1001PSK110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ＰＳＫ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(lèi)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(mǎn)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。
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