读写器电路设计分析论文

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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TYPEB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

1MCRF200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。

2MCRF200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）

CB2CB3CB4波特率CB2CB3CB4波特率

000fc/128100fc/64

001fc/100101fc/50

010fc/80110fc/40

011fc/32111fc/16

表2数据编码方式设置

CB70011

CB60101

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）

CB9CB8市制方式

00FSK：0为fc/8；1为fc/10

01PSK1

10直接

11PSK2

3PSK读写器电路设计

3．1PSK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。

3．2PSK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TYPEA／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TYPEA／B型卡读写器副载波解调电路设计时参考。