无源RFID芯片MCRF250及其防冲突读写器设计

2006-09-15 15:57:22来源: ESIC

1 MCRF250简介

MCRF250是Microchip公司生产的非接触可编程无源RFID器件,工作频率(载波)为125kHz。该器件有两种工作模式:初始模式(Native)和读模式。所谓初始模式是指MCRF250具有一个未被编程的存储阵列,而且能够在非接触编程时提供一个缺损状态(其波特率为载波频率的128分频,调制方式为FSK,数据码为NRZ码);而读模式是指在接触和非接触方式编程后的永久工作模式,在该模式下, MCRF250芯片中的配置寄存器(详见后述)的锁存位CB12置1,芯片上电后,进入防冲突数据传送状态。

  MCRF250 的主要性能如下:

●只读数据传送,片内带有一次性可编程(OTP)的96位或128位用户存储器(支持48位或64位协议)。

●具有片上整流和稳压电路

低功耗

●编码方式:NRZ,曼彻斯特码及差分曼彻斯特码。

●调制方式:FSK,PSK,直接调制。

封装方式:PDIP,SOIC。

2 工作原理

2.1 芯片内部电路组成

MCRF250芯片内部电路框图及与读写器构成的应用系统如图1所示。

芯片的引脚VA和VB外接电感L1和电容C1构成的谐振电路(谐振频率为125kHz, L1参考值为4.05mH,C1参考值为390pF)。读写器(Reader)侧的电路谐振于125kHz以用于输出射频能量,同时也用于接收MCRF250芯片以负载调制方式传来的数字信号。MCRF250芯片内部电路由射频前端、防冲突电路及存储器三部分组成。

  2.2 射频前端电路

射频前端电路用于完成芯片所有的模拟信号处理和变换功能,包括电源(工作电压VDD和编程电压VPP)、时钟、载波中断检测、上电复位、负载调制等电路。此外,它还用来实现编码调制方式的逻辑控制。

2.3 配置寄存器

配置寄存器用于确定芯片的工作参数。配置寄存器也能以非接触方式编程,它由制造商在生产中进行编程。配置寄存器共有12位,其功能如图2所示。其中位11(CB11)总是为1。位10(CB10)用于设置PSK速率,置1时速率为fc/4,置0时速率为fc/2。当CB12为0时,表示存储阵列未被锁定;为1时表示成功地完成了接触编程或非接触编程,此时芯片工作于防冲突只读模式下。

2.4 防冲突电路

片内有防冲突电路,当发生冲突时,MCRF250可停止数据发送,并在防冲突电路的控制下,可再一次在适当的时候传送数据。这种功能保证了当读写器射频场中有多个RFID卡时,可以逐一读取。该防冲突措施要求读写器能提供载波信号中断的时隙(Gap)能力。

3 FSK防冲突读写器的电路设计

3.1 防冲突技术

ISO/IEC1444-3标准给出了TYPE A和TYPE B两种初始化和防冲突规范1:TYPE A采用面向比特的防冲突帧,支持比特冲突检测协议;TYPE B通过一组命令来管理防冲突过程,防冲突方案以时隙为基础。

  存储卡的防冲突技术目前尚未形成统一的标准,很多厂家都拥有自己的专利。对于MCRF250芯片的读写器设计来说,其主要特点是具有防冲突能力,即读写器应具有提供Gap和冲突检测的能力。因为读写器提供Gap可保证时间上的同步,冲突检测可采用比特(位)冲突检测方法。

位冲突检测可以采用幅度变化、非法编码出现、位宽变化等检测技术。但在RFID中,很难确定判断幅度迭加的门限值(阈值),因此,非法编码判断和位宽检测是比较简便的方法。

非法编码判断和编码方式的相关资料可参见参考文献。下面主要介绍NRZ码和曼彻斯特码在发生冲突时合成波形的变化情况。从图3中可见,NRZ 码无法判断位0和位1的冲突,因为冲突后的结果可认为正常的数位1。而曼彻斯特编码的数位1,如果以速率高一倍的NRZ码10来表示,其数位0则可表示为01,其数位1和数位0冲突的结果则可表示为11,而曼彻斯特码中,11是非法编码,故而极易判断位冲突出现。TYPE A中就是采用了曼彻斯特编码。当然,图3所示情况是基于位时间同步和放大限幅的环境,在RFID中,这些都是可以做到的。

而位宽的变化则与调制方式有关。当采用NRZ码FSK调制时,发现位0和位1碰撞时,其合成波形的位宽有了比较明显的变化,图4所示是其碰撞情况时序图,图中数位0为fc/8,数位1为fc/10。

  从图4可以看到,经过滤波放大整形电路后,若数位1和数位0产生碰撞,则碰撞冲突后的波形将出现7TC和12TC宽的脉冲,而正常情况下0的FSK脉宽为4TC,1的FSK脉宽为5TC,因此用计数器进行位宽检测,判别是否出现大于5TC的脉宽,就可以判断是否出现了冲突。

3.2 FSK防冲突读写器设计

读写器组成框图如图5所示。它由晶体振荡器(4MHz)、分频器、功率放大器、Gap产生电路、包络检波、放大滤波整形电路、FSK解调电路、冲突检测电路和微控制器组成。下面主要介绍防冲突流程及冲突检测电路。

  MCRF250的防冲突流程图如图6所示。读写器开始送出Gap,其时间间隔(载波缺损时间)为60μs(误差不大于20%)。然后等待5个位宽时间,检测有无调制信号出现,若有调制信号出现,再判断是否发生冲突。如果无冲突出现,则读完该MCRF250芯片数据后,再按规定形成一个新的Gap,以进行下一次读取。

流程中的主要工作由微控制器程序实现。对于功率放大器电路,特别是D类功率放大器,由微控制器程序产生Gap,是很容易实现的。

根据图4所示的时序图,设计的冲突检测电路如图7所示。

放大滤波整形电路输出的FSK信号首先加至触发器D1(74HC74),触发器D1将于FSK信号的上升沿在Q端产生一个上跳变,但因 Q端和CL端连接,它会很快又回至低电平,即在Q端形成一个窄脉冲来触发一个单稳电路,该单稳电路的输出作为“有调制出现”信号加至微控制器(MCU)。此外,该脉冲同时还可加至FSK解调器使FSK解调器工作同时,输出NRZ码数据。

冲突检测电路由十进制计数器4017和单稳电路组成。4017的 Reset端接至触发器D1的Q端,触发器D1的Q端输出用于复位4017并使其开始计数。从图4可知,如果产生位碰撞,就会出现7TC和12TC的脉宽,因此将FSK信号加至4017的CLKen端,该端为低时,对125kHz时钟计数,当计数到7时,Q7端由低变高,触发单稳电路,单稳电路产生跳变(此即冲突出现信号),并告知MCU发生了冲突。在正常FSK信号情况下,FSK脉宽为4TC和5TC,因此Q7脚不会变高,即无位碰撞出现。该电路可实现位冲突检测。MCU输出的控制信号用于设置图7电路的初始状态。

4 结束语

防冲突技术是RFID中的一项重要技术,不同的芯片所采用的措施和方法会有所差异,因而需要仔细地进行分析和研究。

关键字:电路  调制  寄存器

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/rfandwireless/200609/6072.html
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