射频识别(RFID)实验教程V.doc

第5章 RFID系统集成 本章介绍一种采用专用IC设计的RFID应用系统。系统中阅读器电路由专用IC芯片MFRC500构建，应答器（IC卡）外购，要求符合ISO14443A国际标准。5.1 MFRC500的工作性能（1）8位并行接口；（2）数据并/串变换，支持检查产生的帧，产生并检查CRC/奇偶校验以及位编码和处理；（3）支持ISO14443A的所有层；（4）具有一个安全稳定的密钥存储器，用于存储Crgpto1密钥组；（5）具有两个内部的模拟桥驱动输出电路，使操作距离可达100mm。 5.2 系统组成 RFID应用系统系统组成框图如图41所示。 MFRC500IC卡电路(应答器)接收电路接收电路匹配电路上位机 图41 RFID应用系统组成框图5.2.1 IC卡高频接口频率13.56MHz，采用ISO14443A协议通信。具体要求为：（1） 能量传输：采用变压器耦合传输，IC卡是无源的；（2） 通信结构：采用半双工通信方式，阅读器（读卡器）首先发信号（talk）；（3） 数据速率：105.9KHz；（4） 数据传输：采用双向传输方式，即： 阅读器 IC卡： 数据采用密勒（Miller）码编码，采用1000/0ASK调制；IC卡 阅读器：数据采用曼彻斯特（Manchester）码编码，采用副载波负载调制（副载波频率为847.5KHz）。5.2.2 能量传输阅读器天线和无源IC卡之间的能量传输采用变压器耦合方式，耦合线圈为阅读器天线线圈和IC卡线圈。IC卡上的感应电压经过整流达到工作电压后，卡上IC被激活。感应电压的大小随IC卡与阅读器之间的距离而变化，距离太大时感应电压小，经过整流达后不能达到工作电压，卡上IC不能被激活。因此，IC卡与阅读器之间的距离将受到限制。5.2.3 阅读器至IC卡的数据传输系统采用半双工通信方式在阅读器和IC卡之间传输数据。阅读器首先发出信号（说话）启动通信。从阅读器到IC卡的数据传输按ISO14443A协议采用1000/0ASK调制。ASK调制波形如图42所示。图42 ASK调制波形图由于IC卡是无源的，阅读器需要优化编码，以便为IC卡提供恒定能量。这里采用改良的Miller编码，用于阅读器向IC卡传送数据和能量。图43所示为其编码信号和ASK调制波形。本系统的数据速率为105.9KHz，一帧长为9.44s，Miller编码的脉冲宽带为3s。如图43所示：逻辑“1”用一个位帧中间的脉冲表示；逻辑“0”有两个可能性，由前面一位确定：如果前面一位是0，后一个0用后一个位帧开始3s脉冲表示；如果前面一位是1，后一个0用后一个位帧没有脉冲表示。 图43 阅读器至IC卡的数据传输信号编码及ASK调制波形 5.2.4 IC卡至阅读器的数据传输(1) 副载波负载调制原理： 如图44所示。 图44 副载波负载调制原理IC卡中产生副载波fSUB=13.56MHz/16=847.5KHz，副载波fSUB直接调制在13.56MHz上，在13.56MHz载频两边产生fSUB的边频带。如图46所示。IC卡内数据对副载波fSUB采用曼彻斯特编码。曼彻斯特码用上升沿和下降沿来表示数据，即：逻辑“0”用位帧中间的上升沿表示，逻辑“1”用位帧中间的下降沿表示。如图45所示。 图45 IC卡至阅读器的数据传输信号编码及副载波负载调制波形 图46 副载波负载调制的频谱5.3 MFRC500阅读器设计 MFRC500为32脚IC，如图47所示。MFRC500OSCOUTOSCINVMIDRSTPOIRGMFINAVSSRXTX1MFOTUAVDDAUXTX2TVDDDVDDA2NCSTVSSA1A0NRDNWRALED7D0DVSSD6D5D2D1D4D31 322 313 304 295 286 277 268 259 2410 2311 2212 2113 2014 1915 1816 17 图47 MFRC500引脚功能图MFRC500阅读器可有两种基本设计方向：（1）采用直接匹配的天线，阅读器和阅读器天线之间保持最小距离，可以建立一个完整的小型终端系统，如手持式读卡器。（2）采用500匹配天线，阅读器和阅读器天线之间用长距离同轴电缆连接，同轴电缆最长可达10m，可以建立远距离阅读器系统。以下说明手持式读卡器的设计（工作距离100mm）：设计MFRC500外围电路，包括EMC滤波器、接口电路和天线匹配电路。5.3.1 EMC（电磁兼容）滤波器 本系统工作频率为13.56MHz，由石英晶体振荡器产生，同时也产生了高次谐波。为了符合国际EMC规定，13.56MHz的三次、五次和高次谐波都要被良好地抑制，抑制谐波的低通滤波器由L0和C0组成，如图48所示。 图48 直接匹配天线配置5.3.2 接收电路MFRC500的内部接收部分使用了一个新的接收概念，它使用IC卡响应的副载波负载调制所产生的两个边带。在此建议使用内部产生的VMID电势作为RX管脚的输入电势。为了减少干扰，在VMID管脚连接一个电容到地，读卡器的接收部分需要在RX和VMID引脚之间连接一个分压器。同时在天线线圈和分压器之间串联一个电容。接收电路由R1、R2、C3和C4组成，如图48所示，各元件的参数要求见表41。 表41 EMC滤波器和接收电路元件参数值5.3.3 天线匹配电路 天线匹配电路由Cs、Cp1、Cp2组成，如图48所示。此电路的分析很复杂，其工作状态与制作工艺有关。回路品质因素常取QL=35。当天线线圈的电感量取值不同时，Cs、Cp1、Cp2的参数取值亦不同。表42所示为在不同的天线线圈