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

文章出處：http://m.botanicstilllife.com 作者：巴金國(guó) 姜敏 彭海   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月22日

1射頻卡設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn) 

    非接觸式IC卡又稱(chēng)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(xiě)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(xiě)器，以便使讀寫(xiě)器正確識(shí)別Ic卡的類(lèi)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(xiě)器的工作范圍時(shí)，讀寫(xiě)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)。控制與算術(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)EEP—ROM進(jìn)行譯碼和讀寫(xiě)擦等操作。EEPROM－存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1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(xiě)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(xiě)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(xiě)器向Ml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(xiě)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(xiě)器的數(shù)據(jù)。

1.2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。

    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(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。

    1.2.2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。

    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(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。

1．3結(jié)論 

    1.3.1當(dāng)片內(nèi)電阻為910Ω，電容取500PF時(shí)在卡片與讀寫(xiě)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。

    1.3.2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。

    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(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。

2結(jié)論 

    射頻卡技術(shù)是集射頻技術(shù)、低功耗技術(shù)、封裝技術(shù)、信息安全技術(shù)以及現(xiàn)代微計(jì)算機(jī)技術(shù)之大成，是新—代的高新技術(shù)產(chǎn)品，其具有無(wú)法估量的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)射頻卡的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究，在我國(guó)金卡工程的引導(dǎo)下，逐步實(shí)施統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(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