（微电子学与固体电子学专业论文）非接触式智能卡芯片模拟前端的设计.pdf

， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：丝! 堕驾 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 妣弘 新签名书 军 z 心日期 摘要 摘要 随着非接触式智能卡技术的日益发展与成熟，非接触式智能卡，尤其是c p u 卡的应用也越来越广泛，拥有广泛的市场前景。本文设计的模拟电路就是为非接 触式智能卡提供模拟前端的解决方案，设计所应用的非接触式智能卡支持 i s 0 1 4 4 4 3 t y p e a 协议标准。 本文采用自上而下的流程对模拟前端进行设计：首先根据协议标准及系统要 求提出模拟前端的设计指标，然后根据模拟前端的功能提出模拟前端的系统结 构，明确各个子模块的功能，并且根据模拟前端的设计指标，给出各子模块的设 计指标。接着设计各个子模块电路，并进行版图设计，对电路进行仿真验证达到 设计要求，在保证各个子模块都满足设计指标并且留有一定裕度之后，进行系统 集成以及系统性能仿真，根据仿真结果对电路及版图进行调整直至满足要求，提 交系统的版图设计方案。最后，芯片在代工厂流片之后，对芯片进行测试，给出 相应的测试结果。 本文重点分析了部分子模块电路，包括：整流器、限幅稳压电路、低压降稳 压电路、解调电路、调制电路以及振荡器，分析了电路的优缺点，提出了相应的 改进方案。分析模拟前端在非接触的情况下获取能源的机制，并结合非接触式智 能卡交易时数字部分不同状态给出了相应的仿真电路模型。同时分析了版图设计 中如失配、噪声等问题，并给出了相应的解决方法，应用于设计中。 本文设计的模拟前端芯片在s m i c 的e e p r o m 工艺下成功流片，测试结果显 示模拟前端接收和发送数据功能正常，系统时钟为3 2 m h z ，提供给数字部分的 电源电压在负载电流最大时为1 7 9 v _ + 1 1 0 m v ，均满足系统需求。 关键词非接触式；智能卡；模拟前端；版图；测试 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r eo fc o n t a c t l e s ss m a r tc a r d t e c h n o l o g y i n c r e a s i n g l y , c o n t a c t l e s ss m a r tc a r dh a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y , e s p e c i a l l y c p uc a r d s i ti sp r o v e dt oh a v eb r o a dm a r k e tp r o s p e c t s t h ea n a l o gc i r c u i td e s i g n e d b yt h i st h e s i si sa p p l i e da st h es o l u t i o nf o ra n a l o gf r o n t - e n do fc o n t a c t l e s ss m a r tc a r d ， w h i c hs u p p o r t si s o14 4 4 3 t y p e ap r o t o c 0 1 t h ed e s i g no fa n a l o gf r o n t e n di nt h i st h e s i sf o l l o w e dt h ef l o wo f “t o p t o - d o w n ” a n a l o gd e s i g n ：f i r s t l y , p r o p o s et h es p e c i f i c a t i o n so fa n a l o gf r o n t - e n db a s e do np r o t o c o l a n ds y s t e mr e q u i r e m e n t ；s e c o n d l y , g i v et h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fa n a l o gf r o n t e n d a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o n so fa n a l o gf r o n t e n d ，a n dd e f i n et h ef u n c t i o n sa n d s p e c i f i c a t i o n so fe a c hs u b m o d u l e ；t h i r d l y , d e s i g nt h es c h e m a t i ca n dl a y o u to f s u b - m o d u l e s ，a n ds i m u l a t et h ed e s i g n e dc i r c u i tt o e n s u r et h a te a c hs u b m o d u l e s a t i s f i e st h es p e c i f i c a t i o n sw i t hs o m em a r g i n a f t e rt h a t ，i n t e g r a t et h es u b m o d u l e st o t h es y s t e mw h i c hs h o u l db es i m u l a t e df o rv e r i f i c a t i o n ，a n dm o d i f yt h ec i r c u i t sb a s e d o nt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h a tu n t i lt h er e s u l t sr e a c ht h ee x p e c t e d t h e nr e l e a s et h e l a y o u td e s i g n ；a tl a s t ，t h ec h i p i st e s t e dt oo f f e rt h et e s t i n gr e s u l t s ，w h i c hi s m a n u f a c t u r e di nt h ef o u n d r y t h i st h e s i sf o c u s e so ns o m es u b m o d u l e s ，i n c l u d i n g ：r e c t i f i e r , l i m i t e r , l o w d r o p - o u t v o l t a g er e g u l a t o r ，d e m o d u l a t o r , m o d u l a t o ra n do s c i l l a t o r a n a l y z et h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fc i r c u i t sa n dp r o p o s ei m p r o v e ds o l u t i o n sf o rt h e d i s a d v a n t a g e s t u d yh o wt h ea n a l o gf r o n t e n da c q u i r e se n e r g yw i t h o u tc o n t a c t i n g w i t hr e a d e ra n dg i v et h es i m u l a t i o nc i r c u i t sf o rs i m u l a t i n g t h es i m u l a t i o nc i r c u i t sa r e s o r t e db yw o r k i n gc o n d i t i o n so f d i g i t a lp a r tw h i l eas m a r tc a r dd e a l st r a n s a c t i o n sw i t h t h er e a d e r p r o b l e m sw i t h i nl a y o u td e s i g na r ea l s oa n a l y z e di nt h i st h e s i s ，s u c ha s m i s m a t c ha n dn o i s e ，a n ds o l u t i o n sf o rt h e s ep r o b l e m sa r ea l s op r o p o s e d a n a l o gf r o n t e n di st a p e o u ts u c c e s s f u l l yw i t i le e p r o mp r o c e s si ns m i c t e s t i n gr e s u l t so ft h ec h i ps h o wt h a ta n a l o gf r o n t - e n dp e r f o r m sw e l li nt h ef u n c t i o n s o fr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gd a t a ，s y s t e mc l o c ki s3 2 m h z , a n dp o w e rs u p p l yf o r d i g i t a lp a r ti s1 7 9 v 1 10 m v 丽lt h em a x i m a lc u r r e n tl o a d w h i c ha l lm e e tt h e r e q u i r e m e n t s k e y w o r d sc o n t a c t l e s s ；s m a r tc a r d ；a n a l o gf r o n t - e n d ；l a y o u t ；t e s t i n g 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第l 章绪论1 1 1 非接触式智能卡简介1 1 2 非接触式智能卡的优点1 1 3 非接触式智能卡的应用及发展趋势2 1 3 1 非接触式智能卡的应用2 1 3 2 非接触式智能卡的发展趋势。3 1 4 模拟前端的设计难点及发展趋势4 1 5 本文主要研究内容5 1 6 本文结构5 第2 章非接触式智能卡工作机制7 2 1 非接触式智能卡系统要求。7 2 2i s 0 1 4 4 4 3 标准简介7 2 2 1 术语和定义。7 2 2 2 邻近卡的初始化对话。8 2 2 3 功率传输8 2 2 4 信号接口。8 2 3 模拟前端的需求分析l o 2 3 1 模拟前端的作用1 0 2 3 2 模拟前端的设计指标1 i 2 4 本章小结1 3 第3 章模拟前端的能源机制1 4 3 1 磁场理论简介1 4 3 1 1 磁场强度h 1 4 3 1 2 感应系数l 1 5 3 1 3 互感系数m 1 5 3 1 4 耦合系数k 1 6 3 1 5 感应定律1 6 3 2 非接触式智能卡天线的耦合原理1 7 3 3 非接触式智能卡系统的仿真模型1 9 3 4 本章小结2 l i l l 目录 第4 章模拟前端的设计2 2 4 1 模拟前端的系统结构2 2 4 1 1 模拟前端系统设计难点2 2 4 1 2 模拟前端的系统结构2 2 4 1 3 模拟前端系统的创新性分析2 4 4 2 模拟前端子模块的设计2 5 4 2 1 整流器2 5 4 2 2 限幅稳压电路2 9 4 2 3 低压降稳压电路3 3 4 2 4 解调电路4 4 4 2 5 调制电路4 5 4 2 6 振荡器4 7 4 2 7 子模块电路设计的创新性分析5 0 4 。3 模拟前端的仿真结果5l 4 3 1 读卡器发射数据5l 4 3 2 非接触式智能卡发射数据5 2 4 3 3 数字部分处理数据5 3 4 4 本章小结5 5 第5 章模拟前端版图设计及测试结果5 6 5 1 模拟前端版图设计5 6 5 1 1 版图设计解决的问题5 6 5 1 2 模拟前端整体版图5 9 5 2 测试结果5 9 5 2 1 测试平台5 9 5 2 2 测试结果：6 0 5 3 本章小结6 3 结论6 4 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文。6 9 致谢：7 0 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 非接触式智能卡简介 诞生于2 0 世纪9 0 年代初的非接触式智能卡，作为世界上最近发展起来的一 项新技术，它成功地将射频识别技术和智能卡技术结合起来，解决了无源和免接 触这一难题，是电子器件领域的一大突破。非接触式智能卡一经问世就立即引起 广泛的关注，因为它存在着磁条卡和接触式智能卡不可比拟的优点，并以惊人的 速度得到推广与应用。 非接触式智能卡由智能卡芯片、感应天线组成，并完全密封在一个标准的 p v c 卡片中，无外露部分。非接触式智能卡通过无线电波与读卡器完成读写操作。 当读卡器对卡进行读写操作时，读卡器发出的信号由两部分叠加而成：一部分是 电源信号，该信号由卡接收后，与其自身的l c 产生谐振，产生能量来供给芯片 工作；另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、存储等， 并返回给读卡器【i j 。 非接触式智能卡一般有以下分类方式：按照其组成结构，非接触智能卡可以 分为一般存储卡、加密存储卡、和c p u 卡；根据不同的载波频率，非接触式智 能卡可分为高频卡( 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z ) 和低频卡( 1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z ) 。 1 2 非接触式智能卡的优点 非接触式智能卡与条码卡、磁条卡相比较，非接触式智能卡结构相对复杂， 存储容量大，安全保密性好，读写设备复杂且维护费用低。 非接触式智能与接触式智能卡相比较，具有以下优点：一、有很高的可靠性： 非接触式智能卡不用与读卡器发生机械接触，避免了因机械操作而产生的各种故 障：如粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致接触不良等故障。而且，非接 触式智能卡没有裸露芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既 便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性；二、操作方便：在使用非接触式智 能卡时，读卡器可以在1 0 e m 范围内对卡进行操作，方便用户使用。同时非接触 式智能卡使用时没有方向性，卡片在任意方向掠过读卡器表面，便可完成操作， 很大程度地提高了每次使用的速度；三、防冲突：非接触式智能卡中有快速防冲 突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读卡器可以“同时”处理多张非 接触式智能卡，这提高了应用的并行性，无形中提高系统工作速度：四、非接触 式智能卡在卡的表面没有元件，因此卡的外观设计不会受磁条或触点位置的限 审l j l 2 1 。 北京工、i k 大学工学硕卜论文 到目前为止，批量生产非接触式智能卡的制造技术已经成熟到用与接触式智 能卡产品差不多的价格就可以买到高质量非接触式智能卡产品的程度。 1 3 非接触式智能卡的应用及发展趋势 1 3 1 非接触式智能卡的应用 随着非接触式智能卡技术的发展与成熟，非接触式智能卡正广泛应用于我们 生活的各个领域。主要为： ( 1 ) 身份识别 卡片里存储个人或集体身份信息，甚至生物特征信息，如指纹、照片等，能 自由读，只有通过一定的权限后才能写，这与一般的证卡比较，具有更高的防伪 性，而且能存储更多的信息，便于管理，我国第二代公民身份证就是采用非接触 式智能卡，卡片有着公民的相应信息。 ( 2 ) 公交、高速公路收费 公交、高速公路收费系统中都采用非接触式智能卡进行收费：公交车上，只 要将卡片在读卡器的天线附近掠过，即可完成计费收费；高速公路上，不用停车， 只要车通过计费、收费口，就可以完成缴费过程，大大提高了工作效率，带来了 极大地便利。 ( 3 ) 门禁、考勤 采用非接触式智能卡的门禁系统，不仅可以完成门禁的功能，而且可以通过 配以相应的软件进行考勤等管理。同时因为没有插拔卡的过程，操作很方便，也 不必考虑定期更换读卡头等易磨损件，减少了维护量。 ( 4 ) 一卡通 非接触式智能卡也广泛应用于一卡通的系统中，目前应用的一卡通主要是在 一定范围，一定领域中的一卡通用，如：校园一卡通，能实现食堂收费、饮水收 费、网络缴费等功能：智能卡住宅小区一卡通，能实现门禁、娱乐、水电缴费、 物业管理等功能。 ( 5 ) 加油站、停车场收费 在加油站等这种油污多的应用环境中，非接触式智能卡的使用应该是首选方 案，这样能够减少对卡片的维护。停车场应用非接触式智能卡计费收费系统，既 解放了劳动力，同时也提供了便利【3 1 。 2 第1 章绪论 1 3 2 非接触式智能卡的发展趋势 ( 1 ) c p u 卡芯片取代逻辑加密卡芯片的发展趋势 目前市场上最常见的非接触式智能卡是非接触式逻辑加密卡，这类智能卡凭 借其良好的性能和较高的性价比得到了广大用户的青睐，并已广泛应用于公交、 医疗、校园一卡通、门禁等领域。由于非接触式逻辑加密卡芯片采用的是流密码 技术，密钥长度也不是很长，因此逻辑加密卡芯片普遍存在一定的安全隐患，有 被黑客破解的可能。在金融、身份识别、电子护照等对安全要求比较高的领域， 目前更倾向于使用内嵌微处理器的非接触式c p u 卡芯片。 c p u 卡芯片内部有双重安全机制，第一重是芯片本身集成的加密算法模块： 第二重保护则是c p u 卡芯片特有的c o s ( c a r do p e r a t i o ns y s t e m ) 系统，c o s 可以 为芯片设立多个相互独立的密码，同时c o s 内部还设立密码最大重试次数以防 止恶意攻击。由此可见，非接触式c p u 卡比非接触式逻辑加密卡具有更高的安 全性。 除此以外，c p u 卡可以实现真正意义上的“一卡多用”。每个应用相互独立 并受控于各自的密钥管理系统，服务商可以通过使用c p u 卡进行更加灵活有效 的管理，用户也能使用c p u 卡实现多功能应用的需求。 由于c p u 卡芯片设计更复杂，成本相对较高，目前国内非接触式逻辑加密 卡芯片的市场份额更大。降低非接触式c p u 卡芯片的成本以提高性价比己成为 国内智能卡芯片设计公司的工作重点之一，国内多家芯片设计公司做了许多工 作，近年来取得了一定的效果。可以预见，未来随着芯片成本的降低，非接触式 c p u 卡会进入越来越多的应用领域并逐步取代非接触式逻辑加密卡而成为非接 触式智能卡最主要的形式。 目前国内能提供非接触式c p u 卡芯片成熟解决方案的供应厂商主要有华大 电子、华虹集成电路和复旦微电子。但是由于起步比较晚，技术与飞利浦、英飞 凌这样的国外先进企业还有一定的差距。为了提升我国具有自主知识产权的非接 触式c p u 卡芯片的技术水平和市场竞争力，本文将非接触式c p u 卡的模拟前端 作为研究的课题。 ( 2 ) c p u 卡芯片非接触式传输标准的发展趋势 目前非接触式智能卡的传输标准主要有i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 和i s 0 1 4 4 4 3 t p y e b 两种。在非接触式逻辑加密卡市场中，t y p e a 标准占有明显的优势， 在国内市场除了二代身份证等少数项目使用t y p e b 标准外，其他项目基本上都 使用了t y p e a 技术。未来智能卡的非接触式传输标准还将以这两种标准为主， 抗干扰能力强，综合使用环境好，互操作性和兼容性比较好的非接触式传输标准 也是未来发展的趋势。 ( 3 ) 非接触式c p u 卡芯片存储器介质的发展趋势 3 北京工、i k 大学工学硕i ：论文 目前大多数非接触式c p u 卡芯片都采用了e e p r o m 作为数据存储器，m a s k r o m 作为程序存储器的结构。这样做的优点是程序读取速度比较快，也比较稳 定，但由于e e p r o m 面积较大，因此芯片成本也较高。 i c 卡发展到非接触式c p u 卡阶段以后，用户对非接触式智能卡的多功能应 用的要求也越来越高，用户希望智能卡拥有更多的功能，而每个功能都要有足够 的存储空间来存储数据。采用f l a s hm e m o r y ( 闪存) 作为数据存储器和程序存储 器的存储介质将会是未来非接触式智能卡技术的发展趋势。 f l a s hm e m o r y 相对于e e p r o m 最大的优势是面积小，同样的：占片面积f l a s h m e m o r y 拥有更多的存储空间，这满足了低成本芯片的需要。同时f l a s hm e m o r y 比e e p r o m 更容易把容量做大，这也满足了用户对大容量存储的要求。 目前f l a s hm e m o r y 技术已经被接触式c p u 卡芯片所采用，但因为f l a s h m e m o r y 在功耗，可靠性，读写速度等方面与e e p r o m 相比仍存在一定的差距。 随着f l a s hm e m o r y 技术的提升，向低功耗，高可靠性发展，就能够满足非接触式 c p u 卡的需求【4 】。 1 4 模拟前端的设计难点及发展趋势 非接触式智能卡片内没有电源，工作时所要的能量从读卡器感应得到。模拟 前端作为连接读卡器与数字部分的桥梁，主要实现两方面功能：获取能量和数据 交互。由于模拟前端从天线上获取的能量有限，同时要利用这些能量来维持模拟 前端的功能模块以及数字部分的工作，这就需要模拟前端自身消耗的能量非常 小。实现低功耗的设计也正是模拟前端的设计难点，也是芯片能否正常工作的关 键之处。解决好模拟前端的能量问题主要在三个方面进行设计考虑： ( 1 ) 模拟前端通过谐振网络从读卡器产生的磁场中获取能量，但设计的谐 振网络在获取能量的同时自身也有能量损耗，如何降低谐振网络的能量损耗是设 计的考虑之一。 ( 2 ) 模拟前端从天线上获取能量后，需要将交流信号转换为直流信号，在 转换的过程中需要提高能量转换效率，如何设计出高转换效率的整流模块成了设 计的难点。 ( 3 ) 模拟前端有许多功能模块来实现数据交互的功能，如何减小这些功能 模块的功耗也需要重点考虑。 本文在进行模拟前端的设计中，既要保证各个模块的功能正常，也要做低功 耗的设计考虑，从而保证整个模拟前端能够为数字部分提供足够的能量，维持整 个芯片工作。 随着对非接触式智能卡的要求越来越高，降低成本成了未来发展趋势，这样 对模拟前端提出了新的要求。主要体现在以下三个方面： 4 第1 章绪论 ( i ) 非接触式智能卡芯片都是采用片外天线，通过天线来从读卡器获取信 号。如果将把天线集成到芯片内，就可以很大程度上降低成本，而天线集成到片 内，就属于模拟前端设计的范围。目前国外已经研制出嵌入在芯片的天线，而国 内对这方面研究还比较欠缺，今后如何设计片内天线将成为非接触式智能卡模拟 前端设计的一大趋势。 ( 2 ) 非接触式智能卡模拟前端的低功耗仍然存在改进的空间，超低功耗也 将成为模拟前端的发展趋势。模拟前端的功耗进一步降低，能够提高整个非接触 式智能卡的可靠性，同时也能改善非接触式智能卡的工作范围。而且如果未来采 用片内天线的设计，模拟前端感应获取的能量会差一些，这必然就对模拟前端的 功耗提出了新的要求。因此模拟前端的超低功耗是对片内天线设计的一种补充， 也将是未来的趋势。 ( 3 ) 由于存储器的限制，目前模拟前端的生产工艺往往采用e e p r o m 等非 标准工艺。随着存储器技术的发展，未来能够在标准工艺下进行生产，则模拟前 端必然也将在标准工艺下生产，这也会降低整个非接触式智能卡的成本。因此在 标准工艺下设计模拟前端也是未来的趋势之一。 1 5本文主要研究内容 本文主要研究非接触式智能卡的模拟前端。该非接触式智能卡为非接触式 c p u 卡( 后文所说的非接触式智能卡均指非接触c p u 卡) 采用e e p r o m 存储 器，i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 的协议标准。模拟前端负责完成能量的获取、各种电源的 产生、时钟信号的产生、a s k 信号的解调和调制信号的发射。 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 明确模拟前端部分的功能，确定模拟前端部分与数字部分的接口，根 据系统的要求确定模拟前端部分的性能指标。 ( 2 ) 确定各个子模块的设计指标，分析和比较子电路的各种结构，选择适 合本课题的结构进行设计。 ( 3 ) 对于各个子模块进行仿真，分析仿真结果对电路参数进行调整，保证 各个电路满足设计指标。 ( 4 ) 集成各个子模块，得到整个模拟前端，通过仿真确保满足系统的设计 指标。 ( 5 ) 完成电路的版图设计，进行后仿以满足设计指标。 1 6 本文结构 第l 章：介绍非接触式智能卡的基本知识，给出非接触式智能卡的优点，介 北京工、f k 大学工学硕卜论文 绍非接触式智能卡的应用，讨论非接触式智能卡的发展趋势，最后结合这些趋势 引出本课题。 第2 章：介绍非接触式智能卡工作系统的组成，分析本课题研究的模拟前端 部分的作用，然后介绍本课题采用的1 4 4 4 3 标准，提出相应的设计指标，最终整 理出模拟前端的需求。 第3 章：分析非接触式智能卡模拟前端的能源机制，主要介绍了电感耦合的 非接触式智能卡系统的磁场理论，推导了在谐振条件下智能卡中的负载电压与读 卡器电流、读卡器的电感、智能卡电感、耦合系数之问的关系，阐明了智能卡获 取能量的过程。 第4 章：提出非接触式智能卡模拟前端的架构，确定各个子模块的指标，研 究并设计各个子模块，给出相应的仿真环境及仿真结果。这些子模块包括整流器、 限压电路、解调电路、调制电路、低压降稳压电路( l d o ) 等结构。 第5 章：介绍版图设计中的一些需要注意的问题，如失配问题、噪声问题， 并针对这些问题进行了相应的处理，给出了最终的版图。最后给出了相应的测试 平台及测试结果。 6 第2 章非接触式智能卡工作系统 第2 章非接触式智能卡工作机制 非接触式智能卡已经广泛应用于各个领域，本课题研究的是非接触式智能卡 的模拟前端，由于模拟前端是连接外界与智能卡的桥梁，就必须要放在智能卡工 作系统去考虑。因此在这一章将介绍非接触式智能卡工作系统以及所选用的协议 标准，从而引出模拟前端的指标需求。 2 1 非接触式智能卡系统要求 非接触式智能卡和卡终端之间在短距离范围内传送电能和数据，而不需要有 任何电气连接。使用非接触式智能卡的系统至少包含着两个部分：卡本身和相配 的终端，即读卡器。如果非接触式智能卡要与读卡器通信就必须满足如图2 1 所 示的四条【5 1 ：( 1 ) 把电源的电能传送到集成电路，( 2 ) 传送时钟信号，( 3 ) 数据 传送到智能卡，( 4 ) 从智能卡送出数据。 日云重【 时钟 读卡器 数据 非接触式智能卡 一 数据 图2 1 非接触式智能卡系统结构图 f i g u r e2 一ld i a g r a mo fs y s t e mo fc o n t a c t l e s ss m a r tc a r d 2 2 i s 0 1 4 4 4 3 标准简介 支持i s 0 1 4 4 4 3 标准的非接触式智能卡属于“近耦合”智能卡，这一类型的 卡设计在1 0 c m 范围内使用，这就意味着并不需要把它放在一个特别的位置或终 端设备里面。这一标准包含t y p e a 和t y p e b 两种，主要区别在数据的调制方 式上。 本文将就i s 0 1 4 4 4 3 标准中功率传输和信号接口部分给出介绍，因为这关系 到模拟前端的设计指标。 2 2 1 术语和定义 ( 1 ) 邻近卡p r o x i m i t yc a r d ( pj c c ) 在它上面有集成电路和耦合工具，并且与集成电路的通信是通过与邻近耦合 7 北京工、大学工学硕卜论文 设备电感耦合完成的。 ( 2 ) 邻近耦合设备p r o xi m i t yc o u pi n gd e vic e ( p c d ) 用电感耦合给邻近卡提供能量并控制与邻近卡的数据交换的读写设备。 ( 3 ) 二进制相移键控b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 相移键控，此处相移1 8 0 。，从而导致两个可能的相位状态。 ( 4 ) 调制系数m o d u i a t i o ni n d e x 定义为( a - b ) ( a + b ) ，其中a ，b 分别是信号幅度的最大和最小值。 ( 5 ) 子载波s u b c a r ri e r 以频率f s 去调制频率为f c 的载波而产生的r f 信号。 2 2 2 邻近卡的初始化对话 邻近耦合设备和邻近卡之间的初始化对话通过下列连续操作进行： p c d 的射频工作场激活p i c c ； 邻近卡等待来自邻近耦合设备的命令； 邻近耦合设备命令的传送； 邻近卡响应的传送。 2 2 3 功率传输 p c d 产生磁场，p i c c 通过天线在磁场内进行耦合，从而来转移能量和调制 通讯。 p c d 产生的磁场的频率在1 3 5 6 m h z 7 k h z 。该磁场的最小强度为1 5 a m ( n n s ) ，以h m i n 表示：最大强度为7 5 a i m ( n n s ) ，p i c c 应一直工作在这两个 强度之间。 2 2 4 信号接口 以下分别介绍两种通信信号接口：t y p e a 和t y w b 。当p c d 检测到p i c c 的 类型时，在初始化时就会选择相应的调制方式，这样在通讯时，信号接口只有一 种类型被激活。图2 2 给出相应准则的概念： 8 p c d t op i c c p i c c t o p c d t y p e at y p e b a s k1 0 0 a s k1 0 0 0 m o d i f i e dm i l l e r 1 0 6 k b i l | snr z l ，1 0 6 k b i t , s i o i 1 i o i o i 1 ii o l ，i o i o 1 1 i 搿瑟瑟薹誊骂溉簇庇“二z 曩施酝 i l o a dm o d u l a t i o n l o a dm o d u l a t i o n s u b c a r r i e r 昭16s u b c a r r i e r 甜16 o o kb p s k m a n c h e s t e r 1 0 6 k b i t snr z l 。1 0 6 k b i t s j o i 1 l o i o i 1 li o i ， o i o i 1 l 努：i ，：? 攀? ：o ? ：7 ，| ， ：4 j 显要銎翔i 衅，o ，；j h + ? z 一稿，l 嚷 笔i 乏；燕；o 。o j i 曼幺! ：。：泛。鬈! t ! 磊二：二2 岛蕊；：瓮乙i ；t 乙童蕴氛l 图2 - 2t y p e a 和t y p e b 接1 ：3 通信信号示例 f i g u r e2 - 2e x a m p l ec o m m u n i c a t i o ns i g n a l sf o rt y p e aa n dt y p e bi n t e r f a c e s 接下来着重介绍t y p e a 类型的通信接口： ( 1 ) p c d 到p ic c 的通讯 在初始化和防冲突的过程中，传输的数据比特率应该为f c 1 2 8 ( 1 0 6 k b i t s ) 。 p c d 给p i c c 传输数据采用的1 0 0 a s k 的调制方式。由于采用了1 0 0 a s k 的 调制方式，则信号在通讯过程中将出现中断，如图2 3 所示： e n v e l o p eo f c o t r l e ra m p l i t u d e ”0 h h i n i t i a l 1 0 0 ，、， 9 0 6 慨 5 。 t c o n d i t l o r l m l nm a x f 12 0 u s3 0 u s t l 一2 。5u s05u s 5 f 1 2 t l t 1 2 5u s 0 7u s 6 0 f 。f t 3 01 5u s 1 400 4u s 9 0 1 0 0 t 4 1 1 0 t 2 t 3 图2 - 3 中断 f i g u r e2 - 3p a u s e p c d 产生磁场强度的包络将单调减小到初始值的5 以下，在初始值5 以 下保持大于t 2 的时间长度。这个包络将满足图2 3 的要求。 9 北京二r 、f k 大学t 学硕卜论屯 p i c c 在磁场强度于初始值5 至6 0 之间时检测到“中断结束”。图2 4 给 出了“中断结束”的定义： 图2 4 “中断结束”的定义 f i g u r e2 - 4d e f m i t i o no fp a u s e ( 2 ) pic c 到p c d 的通讯 在初始化和防冲突的传输过程中，数据比特率应该为f c 1 2 8 ( 1 0 6 k b i t s ) 。 p i c c 通过磁场与p c d 通讯，在这个通讯过程中，p i c c 采用负载调制来向p c d 传送数据，此时频率为f s 的子载波由载波来产生，具体通过切换p i c c 中的负载 来得到。在规定测试方法中，负载调制的大小至少为3 0 h 1 。2m v ( 峰值) ，这里 h 是磁场强度值( r m s ) ，单位是a m 。 p i c c 向p c d 传送数据时，采用的负载调制，该调制方式下使用了子载波。 该子载波的频率为f c 1 6 ( - - - 8 4 7 k h z ) ，相应地，在初始化和防冲突的过程中，一 个比特的长度相当于子载波8 个周期i 6 1 。 2 3模拟前端的需求分析 2 3 1 模拟前端的作用 非接触式智能卡芯片包括模拟前端、数字部分和e e p r o m ，这里把数字部 分和e e p r o m 统称为数字部分。模拟前端就成为了读卡器与数字部分之间的桥 梁。 非接触式智能卡在正常工作时，卡内本身没有电源，它需要通过天线耦合读 卡器发送的电磁波来获得能量，将所得信号经过整流、稳压，从中获取直流工作 1 0 第2 章非接触式智能卡工作系统 电压，以维持系统各部分电路正常工作：另外，模拟前端电路是智能卡与读卡器 之间数据交换的通道，在这里，智能卡接收信号时，将读卡器发送的信号通过解 调还原为数字信号，并送入数字部分进行相应的处理；智能卡发送信号时，将数 字部分送来的编码信号通过负载调制的方式以电磁波为媒介发送给读卡器。 可以发现，模拟前端在非接触式智能卡工作过程中实现了两部分的工作，一 部分是与读卡器之间的交互，一部分是与芯片数字部分的交互。当模拟前端与读 卡器交互时，主要是通过天线耦合，获得能源以及收发数据，如图2 5 所示： 阅读器 模拟前端敦字部分 图2 5 模拟前端与读卡器问通讯 f i g u r e2 5c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nr e a d e ra n da n a l o gf r o n t 当模拟前端与数字部分交互时，主要是将从天线获得的信息，通过各种功能 模块产生数字部分需要的信号，包括电源电压、重置信号、以及c p u 需要的时 钟，同时还要实现数据的交换，如图2 - 6 所示： 电源 时钟 模拟前端 r 数字部分m 馏 l 一 数捌 图2 _ 6 模拟前端与数字部分间通讯 f i g u r e2 - 6c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i g i t a lp a r ta n da n a l o gf r o n t 2 3 2 模拟前端的设计指标 模拟前端作为读卡器与数字部分的连接单元，主要是产生三类信号，包括电 源信号、数据信号以及时钟信号。接下来将对这三类信号分别阐述，从而得到模 拟前端的设计指标。 ( 1 ) 电源信号 模拟前端需要把从天线耦合得到的能量转化成稳定的电压，供给数字部分工 作。根据系统的要求以及e e p r o m 的要求，需要提供两套电源，分别为数字部 分正常工作的电源电压和e e p r o m 正常工作的电源电压。其中数字部分所需要 的电源电压为i 8 v 1 0 ，e e p r o m 所需要的电源电压只要在2 5 v 到5 5 v 之 间即可，典型值为3 3 v 。同时还要产生1 2 5 v 的参考电压，供给e e p r o m 使用， 北京工、l k 大学工学硕卜论文 这个参考电压可以偏差5 。 ( 2 ) 数据信号 模拟前端需要把从天线耦合得到的调制信号解调出来，传送给数字部分进行 处理，得到的数据信号满足“l ”为1 8 v ，“0 ”为0 v 。同时要把数字部分传来 的数据信号通过负载调制的方式发送出去，根据i s 0 1 4 4 4 3 协议要求，调制幅度 应大于3 0 h 1 2m v 。 除了传输的数据外，还需要给数字部分产生重置信号，控制数字部分进行初 始化操作。根据系统要求，“0 ”为初始化，“l ”表示初始化停止。 ( 3 ) 时钟信号 根据系统的要求，模拟前端需要给数字部分提供两个时钟信号：一个作为 c p u 的时钟，另一个作为同步时钟，即从读卡器发射信号的载波。c p u 时钟要 求为2 0 m h z 到4 0 m h z 之间，而同步时钟应是从天线耦合信号提取，即为 1 3 5 6 m h z 7 k h z 。 综上所述得到模拟前端的设计指标，如表2 1 所示： 表2 一l 模拟前端的设计指标 t a b l e 2 - ls p e c i f i c a t i o n so fa n a l o g 舶n t 名称描述 需求 e e p r o m电源电压 为e e p r o m 提供电源2 5 v 到5 5 v ，典型值3 3 v ( v d d r e ) e e p r o m 参考电压为e e p r o m