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4－1所示

MFRC500

IC卡
电路
(应答器)
接收
电路

接收
电路
匹配
电路
上
位
机

图4－1 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4－2所示。

图4－2 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4－3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9.44μs，Miller编码的脉冲宽带为3μs。如图4－3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3μs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4－3 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4－4所示。

图4－4 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4－6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4－5所示。

图4－5 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4－6 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4－7所示。
MFRC500

OSCOUT
OSCIN

VMID
RSTPO
IRG
`MFIN

AVSS
RX
TX1
MFOTU

AVDD
AUX
TX2
TVDD

DVDD
A2
NCS
TVSS

A1
A0
NRD
NWR

ALE
D7
D0
DVSS

D6
D5
D2
D1

D4
D3
1 32
2 31
3 30
4 29
5 28
6 27
7 26
8 25
9 24
10 23
11 22
12 21
13 20
14 19
15 18
16 17

图4－7 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500Ω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4－8所示。

图4－8 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4－8所示，各元件的参数要求见表4－1。
表4－1 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4－8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4－2所示为在不同的天线线圈的电感量取值时，对应的Cs、Cp1、Cp2的参数取值。
表4－2 天线匹配电路元件参数值

5.4 设计举例
5.4.1 阅读器发射天线模块电路原理

图4－9 阅读器发射天线模块电路原理图

5.4.2 阅读器芯片电路原理

图4－10 阅读器芯片电路原理图

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