载频为13.5MHz的IC卡PCD发送通道技术

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网 关键字:载频  5mhz  ic卡  发送
摘要:介绍了13.56MHz PCD发送通道的电路结构和设计思路,给出了一种适合TYPE A、TYPE B、REID等多种非接触式IC卡的PCD发送通道的设计方法。 关键词:PCD TYPE A TYPE B 修正密勒码 E类放大器 1 引言 非接触式IC卡是射频技术和IC卡技术相结合的产物, 它成功地解决了无源和免接触问题,因而获得了广泛的应用。ISO/IEC 14443是较新型的非接触IC卡的国际标准,该标准称IC卡为PICC卡,读写器为PCD。它规定了PICC和PCD之间的TYPE A和TYPE B两种通信传输模式,它们的载波频率均为13.56MHz。这两种模式主要针对智能卡。实际上,有很多存储器卡、射频身份识别卡(RFID)也是采用13.56MHz作为载频,但其信息传输仅从PICC到PCD。在PCD的设计中,若编解码、调制解调电路能适应多种传输模式,那么PCD就会有更大的应用范围。限于篇幅,本文仅就PCD发送通道的编码和调制电路进行分析。 2 非接触式IC卡系统的基本组成 非接触式IC卡的基本组成框图如图1所示。 该系统由PCD和PICC组成。PCD则以微控制器为核心,分为发送和接收两个通道。发送通道由13.56MHz振荡器、功放、调谐电路、编码器、调制器组成。接收通道由解调电路、滤波放大器、解码器组成。收发数据由微控制器处理,并可和主机通信。 设计PCD时可采用PHILIPS公司的MIFARE技术读写模块MCM200/MCM500来实现,MCM是Mi-fare Core Module的缩写,意为Mifare核心模块,它和MIFARE射频RF模块相结合的协议规范被称为ISO/IEC14443 TYPE A标准。图2所示是采用MCM设计PCD的框图。 MCM200模块主要应用于对卡片操作距离为25mm的卡式读写器中,而MCM500模块则主要应用于对卡片操作距离为100mm的卡读写器中。MCM具有数据加密、错误侦察、CRC校验、防冲突等功能。其功能可通过软件编程来实现。 3 编码电路 ISO/IEC14443标准规定的数据传输速率为106kbps,数据时钟频率为载波频率的128分频。从PCD向PICC传输数据时,若使用TYPE A模式,则应采用修正的密勒(Miller)码,而用TYPE B则可直接使用NRZ(不归零)码,在这两种编码中,修正的密勒码比较复杂。 3.1 修正的密勒码编码 TYPE A中定义了如下三种时序: (1) 时序X:该时序将在64/fc处产生一个“pause”(凹槽); (2) 时序Y:该时序在整个位期间(128/fc)不发生调制; (3) 时序Z:这种时序在位期间的开始时,产生一个“pause”。 在上述时序说明中,fc为载波13.56MHz,pause凹槽脉冲的底宽为0.5~3.0μs,90%幅度宽度不大于4.5μs。用这三种时序即可对帧进行编码,即修正的密勒码,其中逻辑“1”选择时序X逻辑“0”选择时序Y。但有两种情况除外,第一种是在相邻有两个或更多的“0”时,此时应从第二个“0”开始采用时序Z;第二种是在直接与起始位相连的所有位为“0”时此时应当用时序Z表示。 另外,通信开始时,用时序Z表示。通信结束则用逻辑“0”加时序Y表示。无信息时,通常应用至少两个时序Y来表示。 3.2 编码电路设计 实现修正的密勒码编码的硬件电路编码器的原理框图如图3所示。图4所示是假定输出数据为011010时,采用图3方案的波形图,其中,使能信号e用于激活编码器电路以使其开始工作。波形a为数据时钟,b为数据输入端波形,它的第一位为起始位,用于送出不归零码0,第二位至第七位为数据信息,其后是结束位,也应以不归零码输出。编码电路要将00110100变换成修正的密勒码编码。从图中可以发现,a和b异或(模2加)后形成的波形c有一个特点,即其上升沿正好对应于X、Z时序所需的“pause”的起始位置,因此,可以用c波形控制计数器的开始,以对13.56MHz时钟计数,若按模8计数,则d波形中的“pause”脉宽应为8/13.56即0.59μs,因而可满足TYPE A中“pause”凹槽脉冲底宽的要求。这样,通过波形d中输出的相应时序ZZXXYXYZY即可完成修正密勒码的编码。当送完数据后,拉低使能电平,编码器停止工作。 3.3 软件编程 该编码器的软件编程方法比较简单,可以按X、Y、Z时序编写相应子程序,然后将输出数据块从通信起始位至通信结束位,一位一位地按编码规则转换为相应时序,其流程见图5所示。 对于前例数据011010,通过图5的软件流程即可得出修正密勒码时序ZZXXYXYZY将该时序电平从I/O口送出即为修正的密勒码流。 3.4 NRZ码编码 TYPE B的PCD到PICC数据传输采用的是NRZ编码,其中的逻辑“1”表示载波高幅度无调制,逻辑“0”则表示载波低幅度。这种编码通常可由微控制器直接输出。 4 射频输出电路 4.1 高频功率输出电路 13.56MHz的射频输出电路应能达到标准所提出的作用距离及电磁性能要求。图6给出了一种采用戊类(E类)功率放大器产生的13.56MHz射频功率输出电路,该电路由13.56MHz晶振信号激励。晶体振荡电路由74HC04、13.56MHz晶体及少量辅助器件组成。该功率放大器由于采用戊(E)类放大器,其晶体管处于开关状态,因而效率很高。 图6中的L1扼流圈的阻抗应足够大,流经它的Icc要接近恒定值,串联谐振电路由L3、C8、C9、C10等器件组成,该电路同时可用作选频电路,其谐振频率为13.56MHz,该回路的Q值也应足够高,以使其输出载波能够成为理想的正弦波波形。L2、C7可用来组成滤波电路,可在电路中用于阻隔13.56MHz的高次谐波。 4.2 调制电路 在TYPE A中,当PCD向PICC传输数据时,一般采用100%ASK调制。载波在“pause”处通常会出现凹槽,也就是说,在“pause”处,载波将出现失落。这对IC卡的电源设计将带来难度,同时也给IC卡的时钟提取带来困难。 在TYPE B中,PCD向PICC传输数据时,一般采用10%调制度的ASK调制方式。当其为逻辑“1”时,表示载波高幅度无调制,为逻辑“0"时,则表示载波幅度下降有调制。 图6中,调制主要由L3、C8、C9、C10、C13或C14所组成的电路来完成,而负载调制通常采用电容调制方式。 在TYPE A时调制器输入为密勒码高电平时,Q2导通,此时相当于电感L3和电容C13并联。C13可取较大值,以使其等效串联谐振电路与13.56MHz具有较大的失谐而使其输出载波很低,从而形成100%ASK的“pause”凹槽。 图6 晶振、功放和调制电路 在TYPE B时,由于在高电平时,Q3将截止,因此其输出无调制载波;在低电平时,Q3导通以使C14和L3并联,因此,适当选择C14则可实现10%的ASK调制。 当调制度为10%时,可根据调制度: m=(A-B)/(A+B) 计算出B/A约为0.82,这样,根据谐振曲线关系即可估算出电容C14的大小,并可用示波器或频谱仪测试出实际的调制度。 根据本文所介绍的方案,对于象H4006MCRF355/360等13.56MHz的RFID卡来说,只需输出无调制载波即可。因此,该射频电路可用于多种非接触式IC卡的应用。

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