射頻卡中天線、卡內電源的設計與實現

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：巴金國 姜敏 彭海   人氣： 發表時間：2011年09月22日

1射頻卡設計原理及實現 

    非接觸式IC卡又稱射頻卡，是世界上最近幾年發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型射頻卡內部的功能模塊及原理見下圖1

    MIFARE 1型射頻卡含有l024×8bitEEP—ROM組織，分為16個區，每區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生電路以整流、濾波、穩壓后為芯。芯片電路的數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。控制與算術單元一對卡片系統進行配置、控制和對卡內數據進行加減運算。加密單元一對通訊數據進行加密解密等。EEPROM接口電路一對EEP—ROM進行譯碼和讀寫擦等操作。EEPROM－存儲數據。

1.1射頻卡的設計原理

    MIFARE 1(M1)型射頻卡的容量為8K位，數據保存期為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卡發一組固定頻率的電磁波，卡片內有—個LC串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有—個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另—個電容內儲存，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，將卡內數據發射出去或接取讀寫器的數據。

1.2射頻卡電源產生電路的設計與應用

    射頻卡的功能組成包括兩部分，射頻接口電路和數字電路。解決卡內能量的來源和信號的無線傳輸則是射頻卡的突出優點，而這也是射頻接口電路的關鍵技術。從讀卡器發射的射頻信號，在卡內經過耦合、整流濾波與穩壓三過程，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，構成一串聯諧振電路。

    對于讀卡器本身而言，其發射的電磁波能量一定，而卡上的感生電壓由發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。在經濾波電容CP濾掉高頻信號，其兩端輸出的電壓既為卡內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。這里信號經濾波電容后可得到—個直流電壓，但此時電壓不夠穩定，需采取穩壓措施。

    1.2.3穩壓電路。濾波電容CP兩端輸出的VDD是不穩定的，當卡與讀卡器的距離變化時，它隨著卡內線圈E耦合到的電壓的變化而變化，穩 
壓電路可以使其穩定在3．5V左右。這里，3．5V的壓降由幾個串聯的飽和MOS管提供。圖1中的Rload代表了卡內所有電路的內阻之和，這樣，對于正常工作條件下的電磁場能量，電源產生電路經過上述過程在Rload=910Ω時，便可獲得—個3．5V左右的直流工作電壓。具體穩壓電路如圖2。

    當VDD變大時，電路中M3、M4管處于飽和狀態，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結論 

    1.3.1當片內電阻為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，有很好的穩定性。

    1.3.2在距離為5CM時，改變片內電容，分別取200PF、500PF、IO00PF，輸出電壓的穩定性隨電容的增加而增加。

    1.3.3固定片內電容為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，基本可穩定在3．5V左右，但電源的穩定性變差。

    綜上所述，在讀卡器的正常工作距離5—10CM以內，該電源產生電路可以為卡片內部電路提供其正常工作所需的3．5V直流電壓，解決了卡內持續穩定的電壓源電路的設計需要，具有實際意義。

2結論 

    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代微計算機技術之大成，是新—代的高新技術產品，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及應用研究，在我國金卡工程的引導下，逐步實施統一的標準，統一的管理，必將使射頻卡能更健康、更迅速地發展。

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