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射頻卡中天線、卡內(nèi)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者:巴金國(guó) 姜敏 彭海
來(lái)源:RFID世界網(wǎng)
日期:2011-05-09 17:12:15
摘要:射頻卡,又稱非接觸式IC卡,智能卡。它把計(jì)算機(jī)技術(shù)、射頻技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合到了一起,其小巧實(shí)用,性價(jià)比高。并已開(kāi)始應(yīng)用于金融、消費(fèi)、醫(yī)療、交通等生活的方方面面,成為一種很有前途的高新技術(shù)產(chǎn)品。以校園食堂收費(fèi)管理系統(tǒng)中的射頻卡讀寫系統(tǒng)為模型,就射頻卡的設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用進(jìn)行分析。說(shuō)明并定義了如何建立和調(diào)試一個(gè)天線單元。另一方面介紹射頻卡卡內(nèi)電源產(chǎn)生電路,解決了非接觸式卡內(nèi)沒(méi)有電源系統(tǒng).需要由讀卡器通過(guò)無(wú)線方式供電的問(wèn)題。
    射頻卡設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)

    非接觸式IC卡又稱射頻卡,是世界上最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái),解決了無(wú)源(卡中無(wú)電源)和免接觸這一難題。MIFARE 1型射頻卡內(nèi)部的功能模塊及原理見(jiàn)下圖1

    MIFARE 1型射頻卡含有l(wèi)024×8bitEEP—ROM組織,分為16個(gè)區(qū),每區(qū)4個(gè)塊,其中射頻接口模塊主要完成以下幾個(gè)功能:

    由于卡本身無(wú)電源,需通過(guò)其中的電源產(chǎn)生電路以整流、濾波、穩(wěn)壓后為芯。芯片電路的數(shù)字部分中各塊的功能是:復(fù)位響應(yīng)電路-在讀寫器對(duì)IC卡進(jìn)行上電復(fù)位時(shí)自動(dòng)將卡的有關(guān)信息傳遞給讀寫器,以便使讀寫器正確識(shí)別Ic卡的類型,并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的操作。防沖突電路一當(dāng)有多張卡在讀寫器的工作范圍時(shí),讀寫器先從眾多卡片中選擇一張作為下步處理的對(duì)象,將未選中的卡置于暫停工作狀態(tài)以等待下一次被選擇。應(yīng)用 選擇電路一MIFARE l可“一卡多用”,它負(fù)責(zé)從存儲(chǔ)區(qū)中選擇所需應(yīng)用。認(rèn)證與存取控制電路一驗(yàn)證密碼和訪問(wèn)權(quán)限以控制對(duì)EEPROM的訪問(wèn)??刂婆c算術(shù)單元一對(duì)卡片系統(tǒng)進(jìn)行配置、控制和對(duì)卡內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行加減運(yùn)算。加密單元一對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密等。EEPROM接口電路一對(duì)EEPROM進(jìn)行譯碼和讀寫擦等操作。EEPROM-存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

    射頻卡的設(shè)計(jì)原理

    MIFARE 1(M1)型射頻卡的容量為8K位,數(shù)據(jù)保存期為10年,可改寫10萬(wàn)次,讀無(wú)限次。M1卡不帶電源,自帶天線,內(nèi)含加密控制邏輯電路和通訊邏輯電路,卡與讀寫器之間的通訊采用國(guó)際通用的DES和RES保密交叉算法,具有極高的保密性能。

    工作原理:卡片在電氣部分只由—個(gè)天線和ASIC組成,沒(méi)有其它外部器件;天線:卡片的天線是只有幾組繞線的線圈,很適于封裝到ISO卡片中;ASIC:卡片的ASIC由一個(gè)高速(106KB波特率)的接口,—個(gè)控制單元和—個(gè)8K位EEPROM組成。

    M1射頻卡的工作原理是:讀寫器向M1卡發(fā)一組固定頻率的電磁波,卡片內(nèi)有—個(gè)LC串聯(lián)諧振電路,其頻率與讀寫器發(fā)射頻率相同,在電磁波的激勵(lì)下,LC諧振電路產(chǎn)生共振,從而使電容內(nèi)有了電荷,在這個(gè)電容的另一端,接有—個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?,將電容?nèi)的電荷送到另—個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存,當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí),此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓,將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。

    射頻卡電源產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

    射頻卡的功能組成包括兩部分,射頻接口電路和數(shù)字電路。解決卡內(nèi)能量的來(lái)源和信號(hào)的無(wú)線傳輸則是射頻卡的突出優(yōu)點(diǎn),而這也是射頻接口電路的關(guān)鍵技術(shù)。從讀卡器發(fā)射的射頻信號(hào),在卡內(nèi)經(jīng)過(guò)耦合、整流濾波與穩(wěn)壓三過(guò)程,便可得到直流工作電壓。

    線圈耦合

    L1、L2分別是天線的原邊線圈和副邊線圈, L2從L1耦合過(guò)來(lái)一定能量的高頻電磁波(載波頻率為13.56MHZ), 兩端的電壓即 是接收到的高頻信號(hào)。對(duì)于卡內(nèi)接收天線L2,在f=13.56MHZ頻率下,有其等效的電感、電容和損耗電阻值,構(gòu)成一串聯(lián)諧振電路。對(duì)于讀卡器本身而言,其發(fā)射的電磁波能量一定,而卡上的感生電壓由發(fā)射的電磁波的能量和卡與讀卡器的距離共同決定。那么在得到電感L2 的等效電感、電容和損耗電阻值后,就可以在電容兩端并一可變電阻,通過(guò)改變卡與讀卡器的距離,測(cè)試電阻上的相應(yīng)電壓值,來(lái)推算L2上感應(yīng)到的等效電壓源的值。

    整流濾波
  
    天線上獲得的耦合電壓通過(guò)C送人FWR全波整流電路,從而得到單邊的交流信號(hào)。在經(jīng)濾波電容CP濾掉高頻信號(hào),其兩端輸出的電壓既為卡內(nèi)需要的直流電源電壓;該電容同時(shí)又作為儲(chǔ)能器件以爭(zhēng)強(qiáng)負(fù)載能力。這里信號(hào)經(jīng)濾波電容后可得到—個(gè)直流電壓,但此時(shí)電壓不夠穩(wěn)定,需采取穩(wěn)壓措施。

    穩(wěn)壓電路

    濾波電容CP兩端輸出的VDD是不穩(wěn)定的,當(dāng)卡與讀卡器的距離變化時(shí),它隨著卡內(nèi)線圈E耦合到的電壓的變化而變化,穩(wěn)壓電路可以使其穩(wěn)定在3.5V左右。這里,3.5V的壓降由幾個(gè)串聯(lián)的飽和MOS管提供。圖1中的Rload代表了卡內(nèi)所有電路的內(nèi)阻之和,這樣,對(duì)于正常工作條件下的電磁場(chǎng)能量,電源產(chǎn)生電路經(jīng)過(guò)上述過(guò)程在Rload=910Ω時(shí),便可獲得—個(gè)3.5V左右的直流工作電壓。具體穩(wěn)壓電路如圖2。

    當(dāng)VDD變大時(shí),電路中M3、M4管處于飽和狀態(tài),其VDS壓降基本不變,那么V1隨VDD的抬升而升高,則V2相應(yīng)下降,M6管的電流隨之升高,需要電容CP放電來(lái)補(bǔ)充電流,引起VDD下降,維持恒定;同理,VDD下降時(shí),M6管電流減小,CP充電,引起VDD升高,總體保持不變,而M1、M3和M4管的飽和壓降提供了3.5V電壓值。

    結(jié)論

    當(dāng)片內(nèi)電阻為910Ω,電容取500PF時(shí)在卡片與讀寫器距離為5CM、6CM、10CM時(shí),輸出電壓可以達(dá)到3.5V,有大約02V左右的波動(dòng),有很好的穩(wěn)定性。
    在距離為5CM時(shí),改變片內(nèi)電容,分別取200PF、500PF、IO00PF,輸出電壓的穩(wěn)定性隨電容的增加而增加。
    固定片內(nèi)電容為500PF,改變輸入電Vip值,即模擬輸出電壓VDD隨距離d的改變而產(chǎn)生的變化。當(dāng)Vip低于4.5V時(shí),VDD低2.8V,不能維持電路正常工作需要,故Vip要高于4.5V;隨Vip升高,VDD略有抬高,基本可穩(wěn)定在3.5V左右,但電源的穩(wěn)定性變差。

    綜上所述,在讀卡器的正常工作距離5—10CM以內(nèi),該電源產(chǎn)生電路可以為卡片內(nèi)部電路提供其正常工作所需的3.5V直流電壓,解決了卡內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的電壓源電路的設(shè)計(jì)需要,具有實(shí)際意義。 

    作者簡(jiǎn)介:新中新電子股份有限公司,黑龍江 哈爾濱 巴金國(guó) 姜敏 
    哈爾濱第二建筑工程公司,黑龍江 哈爾濱 彭海