非接触卡MCRF200及PSK读写器电路设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:本文介绍了非接触式IC卡芯片MCFR200的特点和工作原理,并对其在PSK工作模式下的读写器电路设计作了较详细的论述。该PSK解调方法亦可用于设计TYPE B型卡读写器BPSK的解调电路。PSK方式的优点是读出速度快捷。 关键词:非接触卡;MCRF200;读写器;PSK;负载调制 1 MCRF200简介 MCRF200是Microchip公司生产的非接触式可编程无源RFID器件,它的工作频率载波为125kHz。该器件有两种工作模式:初始Native模式和读模式。所谓初始模式是指MCRF200具有一个未被编程的存贮阵列,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fc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或非接触方式编程后的永久工作模式,在该模式下,MCRF200芯片中配置寄存器详见后述的锁存位CB12置1,芯片上电后,将依据配置寄存器的设置并按协议发送数据。 MCRF200的其它主要性能如下: ●带有一次可编程(OTP)的96位或128位用户存储器(支持48位或64位协议); ●内含整流和稳压电路; ●功率损耗极低; ●编码方式可在NRZ码、曼彻斯特码、差分曼彻斯特码之间选择; ●调制方式可在直接调制(ASK)、FSK、PSK1和PSK2(PSK1、PSK2定义见后述中选择); ●采用PDIP和SOIC封装形式。 2 MCRF200的工作原理 2.1 应用系统构成 MCRF200的典型应用系统构成如图1所示。图中,引脚VA和VB接电感L1和电容C1构成的外接谐振电路,该LC谐振电路的谐振频率为125kHz。读写器边的LC电路也谐振于125kHz则用于输出射频能量,同时可接收MCRF200芯片以负载调制方式送来的数据信号。 2.2 芯片内部组成原理 图3 MCRF200芯片的内部电路框图如图2所示,它由射频前端电路和存贮器电路两大块组成。其中,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、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;而配置寄存器电路则用于确定芯片的工作参数。该配置寄存器不能被非接触方式编程,因为它在非接触方式下已经被Microchip公司在生产时进行过编程。 配置寄存器各位的控制功能如下: ●CB1:用于设置存贮器阵列的大小。当CB1为1时,用户阵列为128位;为0时,其用户阵列为96位。 ●CB2、CB3、CB4位:该三位编码可用于设置波特率,其编码表列于表1。 ●CB5用来设置同步字。CB5为1时,有1.5位同步字;为0时,无同步字。 ●CB6与CB7:用于设置数据编码方式,具体见表2所列。 ●CB8与CB9:调制方式选择位,具体见表3。 ●CB10:PSK速率选择位。该位为1时选择fc/4;为0时则选择fc/2其中fc为载波频率。 ●CB11:该位总为0。 ●CB12:该位为0时,存贮阵列未锁定;为1时,存贮阵列被锁定。 表1 波特率设置表(fc为载波频率) CB2 CB3 CB4 波特率 CB2 CB3 CB4 波特率 0 0 0 fc/128 1 0 0 fc/64 0 0 1 fc/100 1 0 1 fc/50 0 1 0 fc/80 1 1 0 fc/40 0 1 1 fc/32 1 1 1 fc/16 表2 数据编码方式设置 CB7 0 0 1 1 CB6 0 1 0 1 编码方式 NRZ-L 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特码 反曼彻斯特码 表3 调制方式选择(fc为载波频率) CB9 CB8 市制方式 0 0 FSK:0为fc/8;1为fc/10 0 1 PSK1 1 0 直接 1 1 PSK2 3 PSK读写器电路设计 3.1 PSK调制 MCRF200的PSK调制方式有两种:PSK1和PSK2。采用PSK1调制时,每当相位在数据位的上升沿或下降沿时,将在从位起始处跳变180%26;#176;;而在PSK2调制时,相位将在数据位为1时从位起始处跳变180%26;#176;,为0时则相位不变。PSK1是一种绝对码方式,PSK2是一种相对码方式,因此,PSK读写器硬件只能按一种调制方式设计(如PSK1),而当要工作在另一调制方式时,可用软件进行转换。 图3所示是一个典型的PSK调制信号波形示意图,图中假设PSK速率为数据位速率的8倍。 3.2 PSK读写器 PSK读写器的电路结构如图4所示。它由4MHz晶体振荡器、分频器、载波功放、包络检波器、滤波放大、脉冲成形器、相位比较器、微处理器及与主机接口电路等组成。 图4中,读写器发收两通道的信号流程已很清楚,这些电路的设计参考文献很多。下面仅就功率放大器、包络检波、PSK解调以及RS-232串口电路进行分析。 (1)功放电路 该PSK读写器的功放电路如图5所示。图中,T1、T2、T3用于组成B类放大器,L1、C1和C2串联谐振于125kHz,选通分频器输出的125kHz载波加至功放,L2和C3用于构成输出谐振电路,这样,在L2上将产生电磁场,从而保证卡芯片进入场区时能获得足够的载波能量而被激活。但L2所产生的场能量也有一定的限制,通常在30m处测试应不超过65dBμV(dBμV=20logμV)。 (2)包络检波电路 非接触IC卡的负载调制通常采用AM方式,读写器中的载波解调采用简单的包络检波电路,图5中,D3和D4的作用是对芯片负载调制信号进行全波检波,以检出PSK包络。 而R8和C5组成的低通滤波器则应满足包络检波条件,即: R8C5≥(5-10)/ωC 式中:ωC为载波角频率。但应注意为了减小惰性失真,R8 和C5不应取值过大。 (3)PSK解调器电路 PSK解调电路是读写器能正确将PSK调制信号变换为NRZ码的关键电路,其具体电路见图6所示。图中,从脉冲形成电路送出的62.5kHz的PSK方波信号假定配置寄存器CB10位为0,即PSK速率为fc/2加至触发器D3的时钟输入端。触发器D3的数据输入端D加入的是由125kHz载波基准形成的62.5kHz基准方波信号,这样,若时钟与D输入端两信号相位差为90%26;#176;或相位差不偏至0%26;#176;或180%26;#176;附近,则触发器D3的Q端输出信号将是可由微控制器MCU读入的数据NRZ码。 分频器输出的125kHz方波基准信号经触发器D2变换为62.5kHz的方波,而异或门1利用触发器输出D1的高低电平变化则可使加至触发器D2的125kHz基准信号相位改变180%26;#176;,该180%26;#176;的相位变化在触发器D2的Q输出端会产生90%26;#176;的相移。 而基准62.5kHz信号在经异或门4后将产生125kHz脉冲信号R3C3产生延迟。同样,也将产生62.5kHz的PSK数据信号,在经R2、C2和异或门后,也将产生125kHz的脉冲信号。这两信号可在触发器D4中进行相位比较以在触发器D4的Q端输出125kHz信号,其占空比正比于两信号间的相位差。当两个62.5kHz信号的相位差为90%26;#176;时,其占空比为50%,这对于PSK解调是理想的,若它们的相位差偏离90%26;#176;而向0%26;#176;或180%26;#176;偏移时,其占空比也将同时减小或增大。 由R1和C1构成的滤波电路输出的直流电平大小正比于相位差,该直流电压加至一个窗口检测电路。若直流电平靠近中间,则窗口检测器输出1为高,输出2为低,异或非后为低,因而不改变触发器D1的Q输出状态;若直流电平过高,则窗口检测器1、2输出端都为高;此时,若直流电平较低,则窗口检测器1、2输出端都为低。即触发器D4输出的占空比过大或过小时,窗口检测器的输出会使触发器D1的时钟输入端产生上跳变化,从而引起触发器D1输出Q的电平变化而使触发器D2输出发生90%26;#176;相移,最终使触发器D3达到最佳的PSK解调状态。 4 结束语 本文介绍了非接触式IC卡芯片MCRF200及其在PSK工作模式下读写器硬件电路的设计思想和设计方法。MCRF200的PSK工作模式的TYPE A/B型卡的副载波调制方式有一定的相似性,因此本文介绍的PSK解调电路的设计方法也可供TYPE A/B型卡读写器副载波解调电路设计时参考。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/rfandwireless/200703/11614.html
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