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载频为13.5MHz的IC卡PCD发送通道技术

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发表于 2019-7-1 00:13 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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载频为13.5MHz的IC卡PCD发送通道技术
+ Q# H# H6 u$ y7 V5 n7 {0 N6 T
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。2 l3 j% t# J8 `
    关键词:PCD TYPE A TYPE B 修正密勒码 E类放大器( T) g' Z; M8 ^( |* a
1 引言' y1 c0 [% `; f
非接触式IC卡是射频技术和IC卡技术相结合的产物,  s8 S1 ?% g# O+ ^1 r
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。, f: @1 H* E% V4 W& Y4 H, G

: h0 W! o* n$ A7 N( n2 非接触式IC卡系统的基本组成; m2 F) w3 ?! p3 T
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。( ~5 u9 \0 ]$ O3 L  T& B
/ y5 o" t7 Z3 W
    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。) n) _/ t! @9 N, k& v& g
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。1 e) A, s9 u  g5 w6 M4 O$ b
. H1 b9 N6 y& j- A1 H# c; \- b, }/ [
3 编码电路1 n- z- x/ i5 _, F* Q
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。0 h" a8 [$ u3 F
3.1 修正的密勒码编码
$ A( {2 K( w0 J" b  VTYPE A中定义了如下三种时序:
0 p$ Q/ d& ^+ u' Z/ P1 O/ O(1) 时序X:该时序将在64/fc处产生一个“pause”(凹槽);
7 i- Y  Z$ B1 F6 `8 f1 F5 H(2) 时序Y:该时序在整个位期间(128/fc)不发生调制;
2 `5 w/ a3 A6 q; x+ w$ a. X3 G(3) 时序Z:这种时序在位期间的开始时,产生一个“pause”。1 O/ e9 P& w6 _# E' {
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,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。7 h: \/ G# K/ O
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。
6 |3 {& M2 C3 n7 J# A5 i3.2 编码电路设计) {  o( G+ }% h2 y9 h. F1 }
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。9 X" j; ^+ m; ^" A1 y) Q: c( h- b
3.3 软件编程
& g! z; R& K2 v" c8 W* c) y5 Z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。  I! ^3 ^- m0 N3 c: q" Y
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。9 X- Y5 M: p4 N- F8 c* Y
3.4 NRZ码编码
0 L/ U/ u# h+ STYPE 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。
$ T, B8 C3 K8 b" T% p* o3 a9 z7 d. }2 `, b6 a
4 射频输出电路
$ H8 N. i: z" |$ C% p" G4.1 高频功率输出电路2 y9 {" I, g: w! I: |8 P4 h* ~
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。
$ Z9 i8 G2 I* ~& Q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。! ]& }) o, x, ?6 s
4.2 调制电路0 H3 l# H; ^$ Q! j$ G
在TYPE A中,当PCD向PICC传输数据时,一般采用全部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。
3 ?1 w0 i! G7 H' C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。
2 ^- W- O+ \5 E! F' r! Q, O( O- f) o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。
# w' c, X; [3 w0 c9 H( R; I0 b$ R6 q: d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,从而形成全部ASK的“pause”凹槽。
6 _  \7 x8 e: _6 A! q- e/ N& F, {* s. `: [) h3 A
图6 晶振、功放和调制电路- e, d, V% {$ ^. Z7 `! _

; ^0 C& O* g( d0 i5 d7 s6 |, F4 n$ l    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。$ D8 e6 v6 r9 ?+ j- v3 o' k
当调制度为10%时,可根据调制度:" n. c! }0 n( I! `+ K1 V
m=(A-B)/(A+B)5 e; B( }3 D; _
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。
# m7 @8 `& u1 X/ x7 ]5 x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。0 {( ^. Z4 y" z/ J0 [

8 R+ i, y+ N, h8 T% c( A6 a
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