射頻卡中天線、卡內(nèi)電源的設計與實現(xiàn)

文章出處：http://www.fang1.net 作者：巴金國 姜敏 彭海   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月22日

1射頻卡設計原理及實現(xiàn) 

    非接觸式IC卡又稱射頻卡，是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項新技術，它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結(jié)合起來，解決了無源(卡中無電源)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下圖1

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

    由于卡本身無電源，需通過其中的電源產(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：復位響應電路－在讀寫器對IC卡進行上電復位時自動將卡的有關信息傳遞給讀寫器，以便使讀寫器正確識別Ic卡的類型，并對其進行相應的操作。防沖突電路一當有多張卡在讀寫器的工作范圍時，讀寫器先從眾多卡片中選擇一張作為下步處理的對象，將未選中的卡置于暫停工作狀態(tài)以等待下一次被選擇。應用 選擇電路一MIFARE l可“一卡多用”，它負責從存儲區(qū)中選擇所需應用。認證與存取控制電路一驗證密碼和訪問權限以控制對EEPROM的訪問?？刂婆c算術單元一對卡片系統(tǒng)進行配置、控制和對卡內(nèi)數(shù)據(jù)進行加減運算。加密單元一對通訊數(shù)據(jù)進行加密解密等。EEPROM接口電路一對EEP—ROM進行譯碼和讀寫擦等操作。EEPROM－存儲數(shù)據(jù)。

1.1射頻卡的設計原理

    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10萬次，讀無限次。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—個天線和ASIC組成，沒有其它外部器件；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由一個高速(106KB波特率)的接口，—個控制單元和—個8K位EEPROM組成。

    M1射頻卡的工作原理是：讀寫器向Ml卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有—個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，在這個電容的另一端，接有—個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另—個電容內(nèi)儲存，當所積累的電荷達到2V時，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)。

1.2射頻卡電源產(chǎn)生電路的設計與應用

    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)能量的來源和信號的無線傳輸則是射頻卡的突出優(yōu)點，而這也是射頻接口電路的關鍵技術。從讀卡器發(fā)射的射頻信號，在卡內(nèi)經(jīng)過耦合、整流濾波與穩(wěn)壓三過程，便可得到直流工作電壓。

    1.2.1線圈耦合。L1、L2分別是天線的原邊線圈和副邊線圈， L2從L1耦合過來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。

    對于卡內(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，通過改變卡與讀卡器的距離，測試電阻上的相應電壓值，來推算L2上感應到的等效電壓源的值。

    1.2.2整流濾波。天線上獲得的耦合電壓通過C送人FWR全波整流電路，從而得到單邊的交流信號。在經(jīng)濾波電容CP濾掉高頻信號，其兩端輸出的電壓既為卡內(nèi)需要的直流電源電壓；該電容同時又作為儲能器件以爭強負載能力。這里信號經(jīng)濾波電容后可得到—個直流電壓，但此時電壓不夠穩(wěn)定，需采取穩(wěn)壓措施。

    1.2.3穩(wěn)壓電路。濾波電容CP兩端輸出的VDD是不穩(wěn)定的，當卡與讀卡器的距離變化時，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，對于正常工作條件下的電磁場能量，電源產(chǎn)生電路經(jīng)過上述過程在Rload=910Ω時，便可獲得—個3．5V左右的直流工作電壓。具體穩(wěn)壓電路如圖2。

    當VDD變大時，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相應下降，M6管的電流隨之升高，需要電容CP放電來補充電流，引起VDD下降，維持恒定；同理，VDD下降時，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。

1．3結(jié)論 

    1.3.1當片內(nèi)電阻為910Ω，電容取500PF時在卡片與讀寫器距離為5CM、6CM、10CM時，輸出電壓可以達到3．5V，有大約02V左右的波動，有很好的穩(wěn)定性。

    1.3.2在距離為5CM時，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。

    1.3.3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Vip低于4．5V時，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計需要，具有實際意義。

2結(jié)論 

    射頻卡技術是集射頻技術、低功耗技術、封裝技術、信息安全技術以及現(xiàn)代微計算機技術之大成，是新—代的高新技術產(chǎn)品，其具有無法估量的應用價值和應用前景。我們應加強對射頻卡的開發(fā)及應用研究，在我國金卡工程的引導下，逐步實施統(tǒng)一的標準，統(tǒng)一的管理，必將使射頻卡能更健康、更迅速地發(fā)展。

作者簡介：

新中新電子股份有限公司，黑龍江 哈爾濱      巴金國  姜敏
哈爾濱第二建筑工程公司，黑龍江 哈爾濱      彭海