非接触式IC卡原理与应用(全).doc
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1、125KHz非接触式IC卡原理与应用第一部分:基本知识一、简介IC卡(IntegratedCircuitCard)经过20多年的发展,已广泛应用于金融、电信、保险、商业、国防、公共事业等领域。IC卡按外部接口设备的连接方式可分为接触式IC卡和非接触式IC卡(又称射频卡,RFID)两类。接触式IC卡,就是IC卡与外界进行数据通讯时,芯片的电极触点必须与IC卡读写设备直接连接;非接触式IC卡在使用时则无须与IC卡读写器设备直接连接,而是通过无线电波或电磁感应的方式实现与IC卡读写设备的数据通讯。在刷卡速度要求高,用卡环境恶劣,污染严重等环境下,非接触式IC卡有着它特有的优势。非接触式IC卡成功地解
2、决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破,由于其高度安全保密、通信速率高、使用方便、成本日渐低廉等特点而得到广泛使用,主要应用于智能门禁控制、智能门锁、考勤机以及自动收费系统等。射频卡与接触式IC卡相比有以下优点:l 可靠性高,无机械接触,从而避免了各种故障;l 操作方便,快捷,使用时没有方向性,各方向操作;l 安全和保密性能好,采用双向验证机制。读写器验证IC卡的合法性,同时IC卡验证读写器的合法性。每张卡均有唯一的序列号。制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化,不可再更改,因此可以说世界上没有两张完全相同的非接触IC卡。射频卡根据使用频段的不同可分为低频卡和高频卡、超
3、高频卡:l 低频卡与读写器间通信使用的频段为低频段, 常用频点有125kHz、134kHz;l 高频卡、超高频卡与读写器间通信使用的频段为高频段, 如13.56MHz、915MHz、2.45GHz等。按工作距离的不同也可分为近距离卡和远距离卡:l 近距离卡与读写器之间的有效作用距离为几厘米到几十厘米以内;l 远距离卡与读写器之间的有效作用距离可达一到十几米以上。按操作类型又可分为:低/高频只读型、低/高频无加密读写型、低/高频可加密读写型、多扇区独立加密应用型以及用户自定义分区应用型等。目前,世界上较有影响、规模较大的RFID生产厂商很多,常用的标签芯片有飞利浦(Philips)公司的Mifa
4、re 1 S50/S70、UtraLight IC U10、DESFire MF3 IC D40、ICODE 1/2、Hitag 1/2/s;德州仪器(TI)公司的 TI_256/2048;爱特梅尔(AtmeL)公司的T5557、e5551;瑞士微电子(EM)公司的EM41xx系列、EM4034、4035、4069、4135、4150、4450等;意法半导体(ST)公司的SR176、SRIX4K;英赛德(INSIDE)公司的PICOPASS 2K/16K/32K;台湾公司的TK41等等。另外还有瑞士Legic公司、德国英飞凌(Infineon)公司、西门子(Sieme)公司等,都有性能不错的R
5、FID芯片供应市场。二、RFID系统构成一个最基本的RFID系统如图1所示,一般包括以下几个部份:1、RFID卡:RFID卡(标签)作为信息载体,存有目标物所有的相关信息以及与读头之间的交互加密认证信息等。2、RFID读写器:读写器一般由微处理器(MCU)、RFID基站芯片以及天线三部分构成,它是整个RFID系统的主体,负责读取和写入RFID卡内的信息。 3、上位机(PC机):上位机系统一般用来与读写器进行通信,使得人机之间的交互更加直观和人性化,同时可以利用PC机丰富的接口资源和强大的存储、处理能力,对读写器进行网络接入、远程控制等操作。图1 典型的RFID系统构成RFID系统以半双工方式在
6、读写器与RFID卡之间双向传递读、写数据。在进行寻卡时, 读写器通过天线向RFID卡片发送已编码的电磁波。进入读写器工作区域的RFID卡接收到此脉冲信号,获取能量,芯片中的射频接口模块由此获得电源电压、复位信号、时钟信号等,同时芯片中有关电路对此信号进行调制、解码、解密, 然后对命令请求、密码认证、操作权限等进行判断。若为允许读命令, 控制逻辑电路则从EEPROM中读取有关信息,经加密、编码、调制后由卡内天线回送给读写器。读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至控制器处理。若为允许修改信息的写命令,相关控制逻辑对EEPROM 中的内容进行改写。若经判断其对应的密码认证或权限不符,则返回出
7、错信息,同时禁止任何进一步的非法读写操作。三、RFID常用的几种编码格式图2所示为几种RDID系统中常用的编码格式:图2 125KHz RFID系统中常用的几种编码格式抗碰撞码(AC)主要应用在Philips公司的Hitag-s等卡中,为了防止处于同一读写器电磁场范围内的多个卡所发出信号发生碰撞而导致误码,在卡的初始化阶段采用此编码格式。由于数据“1”和数据“0”的频率不同,因而可以较容易区分。Bi-phase码(BC)全称为双相间隔码编码,其原理是在一个码元周期内采用电平变化来表征数据。如果电平从码元的起始处翻转,表示数据“1”,如果电平除了在码元的起始处翻转,还在码元中间翻转则表示数据“0
8、”,如图2中所示。图3 曼彻斯特编码中的空跳边沿曼彻斯特编码(MC)采用上升沿对应数据“0”,下降沿对应数据“1”,微控制器通过检测读卡器输出数据码元的跳变来实现对曼彻斯特码的译码。应注意的是,在连续“0”或“1”出现时,会出现不表征数据的空跳沿,如图3所示。除了上述三种编码外,在RFID系统中,二进制(BIN)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)等编码也很常见,其中曼彻斯特编码的应用最为广泛,几乎所有RFID卡片都支持此编码格式。第二部分:基站芯片125KHz RFID的基站读写芯片有很多种,本文对EM4095、HTRC110以及U2270B进行简单的介绍。一、EM4095EM4095(
9、原称P4095)是瑞士微电子(EM)公司生产的一款125KHz RFID基站芯片。该芯片集成相位同步逻辑系统,可以得到与线圈谐振频率相同的载波频率,不需外部晶振,载波频率为100到150kHz,支持多种IC卡传输协议,如EM400X,EM4050、EM4150、EM4070、EM4069等,封装形式为SO16。EM4095一般与天线和微处理器一起使用,仅需很少的外围器件进行DC和RF滤波、感应和电源去耦即可正常工作。EM4095的管脚图与管脚功能定义分别见图4和表1。 表1 EM4095管脚功能定义管脚符 号功 能1VSS电源地2RDY/CLK就绪标志和时钟输出3ANT1天线驱动4DVDD天线
10、驱动器电源5DVSS天线驱动器电源地6ANT2天线驱动7VDD电源8DEMOD_IN天线感应信号输入9CDEC_OUTDC模块电容输出10CDEC_INDC模块电容输入11AGND模拟地12MOD调制输入端13DEMOD_OUT解调信号输出端14SHD睡眠模式使能端15FCAPPLL环路滤波电容16DC2DC模块去耦电容图4 EM4095管脚图EM4095器件的工作受控于逻辑输入SHD和MOD。当SHD=1时,EM4095处于休眠状态,功耗降为最小;在上电时,SHD应为1以实现正确的初始化。当SHD=0时,允许电路发射射频信号,开启解调和AM调制,从AM解调模块得到的数字信号从DEMOD_OU
11、T脚输出,送给微处理器解码和处理。当MOD=1时,使得主天线驱动与RF(射频)载波同步进入三态状态,VCO和AM解调链路保持MOD升高前的状态。这确保了在MOD释放后可以快速的恢复原有状态。在MOD的下降沿,VCO和AM解调在41个RF时钟之后打开。在读、写两种状态下读写器线圈和标签线圈处的电平信号形式如图5所示。图中,a)图为写卡时的信号,读写器线圈输出信号,该信号受控于MOD管脚的电平,MOD=1时,调制信号输出,而当MOD=0时,仅输出载波信号,无数据信息;b)为读卡时的信号形式,EM4095要进行读卡操作时,需要先将MOD置低以无调制的发射载波信号,当标签进入读写器的磁场区域,会自动根
12、据预设模式输出信息,EM4095检测到后,对信号进行解调,解调的数据信息从DEMOD_OUT管脚输出。 a) 写标签信号形式 b)读标签信号形式图5 读写器和标签线圈信号图6 EM4095典型应用电路 EM4095的典型用电路如图5所示,其中MOD、SHD、RDY/CLK以及DEMOD_OUT管脚与微处理器(MCU)相连。EM4095、MCU与天线一起组成一个125KHz RFID读写器,其可完成的主要功能包括:1)载波频率驱动线圈; 2)对可写卡磁场的调幅调制;3)对线圈上由卡引发的调制信号进行幅度解调;4)与微处理器之间相互通信。二、U2270BU2270B是ATMEL公司生产的一款125
13、KHz基站读写芯片,其主要特点如下: (1) 载波频率fOSC范围为100150KHz。(2) 工作于125KHz时,典型的数据传送率为5kb/s。(3) 支持曼彻斯特编码和Bi-phase码。(4) 可由5V的稳压电源或汽车蓄电池供电。(5) 具有调谐能力。(6) 与微控制器有兼容的接口。(7) 处于待机工作方式时,其功耗甚低。(8) 有一个向微控制器供电的输出端。U2270B为SO16贴片封装,其管脚图与管脚功能定义分别见图7和表2。 表2 U2270B管脚功能定义管脚符 号功 能1GND电源地2OUTPUT数据输出3/OE数据输出使能4INPUT数据输入5MS线圈输出模式选择6CFE载波
14、频率使能7DGND驱动器地8COIL2线圈输出29COIL1线圈输出110VEXT电源向外部供电输出11DVS驱动器供电端12VBATT电池供电端13STANDBY待机模式输入14VS内部电源供电(5V)15RF频率调整端16HIPASSDC模块去耦电容图7 U2270B管脚图U2270B的供电有三种模式:1)单一外部电源供电:所有的内部电路均由同一个5V电源供电,如图8A)所示此时,VS、VEXT和DVS脚为输入,VBATT脚不用,但是也必须接在一起。2)双外部电源供电:DVS和VEXT比其他电路工作电压要高,以达到较高的驱动输出摆幅,从而得到较强的磁场,而VS接到5V电源上,如图。此种接法
15、下,驱动器电压可以达到8V,适用于通信距离较大的情况下。 A) B) C)图8 U2279B的三种供电模式3)12V电池供电:此模式下,电压由VBATT脚输入,与前两种不同在于,1)2)模式下供电电源必须是稳定的直流输入,而此模式不同,无需外部的电压调整电路,只需一个NPN三极管即可。VS和VEXT由内部产生,VEXT为三极管基极供电,同时也可向外部电路(如MCU)提供电源。芯片内部的齐纳二极管向VEXT和VBATT提供过压保护。通过STANDBY管脚可以关闭芯片,但此时VEXT输出不受影响。 表3 磁场耦合因子与电路选择磁场耦合因子电路形式3%自由震荡1%二极管反馈0.5%二极管反馈加频率调
16、整0.3%二极管反馈加频率调谐 具体选择哪种供电方式,要根据实际应用环境和设备需求而定。如果应用场合下没有稳压电源提供,而只有7V16V范围内的不稳定电压,则应选择电池供电模式,使用内部电压调整电路,并且可以向其他电流要求不太高的器件供电;如果已有直流+5V电源,则可选择单一外部电源供电,但应保证此电源是无噪声的;同时,实际应用中根据所需磁场耦合因子大小,也要选择不同的电路模式,磁场耦合因子由传输距离和天线线圈决定,其与电路形式选择关系如表3所示。U2270B芯片通过CFE、OE、OUTPUT和STANDBY管脚与MCU接口,来实现读、写等操作。读写器对标签的写操作通过CFE管脚完成,写过程是
17、由对射频载波的通断时间控制实现的。同时,MS脚的状态决定了线圈输出的模式,MS=0时为共模输出,反之,MS=1则为差模输出。MS和CFE联合作用对线圈输出1/2的控制如表4所示。CFEMSCOIL1COIL20011010110向上脉冲向上脉冲11向下脉冲向上脉冲 表4 线圈输出控制模式读写器的读标签操作则通过OE和OUTPUT管脚实现。当标签进入读写器磁场范围,发送自身信息,由天线线圈感应到的信息输入到INPUT脚,经U2270B滤波和解调后,数据信息将从OUTPUT脚以曼彻斯特编码或Bi-phase码形式输出,而信息输出与否受控于OE管脚的状态,当OE=0时,允许OUTPUT输出信息。对于
18、U2270B线圈驱动的两种模式,共模输出时,两个输出端为同相位,此时可以将其连接起来以获得较大的天线驱动电流;而差模输出时,由于两个输出端相位相反,因而天线线圈的驱动电压较高。差模方式下,天线线圈的阻抗要较共模方式高,进而可以获得较高的系统灵敏度,因而,差模方式使用较多。图9 U2270B的一种典型应用电路图9所示为U2270B的一种简单的典型应用电路,采用单一外部电源供电模式。MS接高电平,设置线圈驱动模式为差模方式。RF和VS管脚之间所接的R1为工作频率调整电阻,由于U2270B的工作频率受控于流入RF端的电流大小,因而,调整R1的大小即可影响频率。对于125KHz,R1值为110K,若要
19、采用其他频率,阻值可根据下式计算得到: 表5 电容值选择数据速率(f=125KHz)CINCHPf/32=3.9Kb/s680pF100nFf/64=1.95Kb/s1.2nF220nF图9中输入电容CIN和直流去耦电容CHP的值与所用RFID标签传输速率成线性关系,下表为最常用的两种组合,适用于MC和BC编码。STANDBY、CFE、OUTPUT和OE四个口线与MCU接口,完成读写等各项操作。三、HTRC110HTRC110是飞利浦(Philips)公司生产的一款RFID基站读写芯片,它主要面向Hitag系列(Hitag-1, Hitag-2, Hitag-s等)RFID卡应用,同时也支持所
20、有写操作为AM方式、读操作为AM/PM方式的125KHz射频卡。其主要特点有:(1) 载波频率fOSC范围为100150KHz。(2) 针对Hitag系列卡片进行优化设计。(3) 天线线圈驱动能力强。(4) 片内集成振荡器。(5) 具有天线断路和短路检测能力。(6) 功耗低,尤其在低功耗模式电流小于20A。(7) 与MCU有三线接口。HTRC110为SO14贴片封装,其管脚图与管脚功能定义分别见图9和表2。 表6 HTRC110管脚功能定义管脚符 号功 能1VSS电源地2TX2线圈驱动输出23VDD5V供电输入4TX1线圈驱动输出15MODESCLK与DIN滤波使能6XTAL1振荡器输入7XT
21、AL2振荡器输出8SCLK串行通信时钟9DIN串行数据入10DOUT串行数据出11NC未用12CEXT高通滤波器耦合13QGND模拟地14RX解调器输入 图10 HTRC110管脚图 图11 HTRC110内部框图为了简化应用设计,HTRC110已经集成了几乎所有必需的模块,其内部结构如图11所示,收发部分包括了一个强大的天线驱动器/调制器、低噪声自适应采样解调器、可编程滤波器/放大器,三线MCU串行接口用来对HTRC110编程控制以及实现与标签卡之间的双向通信。三线接口也可以把DIN和DOUT接在一起,变成两线接口。表7 HTRC110的命令格式命 令D7D6D5D4D3D2D1D0GET_
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