非接触卡MCRF200及PSK读写器电路设计

   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°；而在ＰＳＫ２调制时，相位将在数据位为１时从位起始处跳变１８０°，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°?或相位差不偏至０°或１８０°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°，该１８０°的相位变化在触发器Ｄ２的Ｑ输出端会产生９０°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°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°而向０°或１８０°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°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。