無源RFID芯片MCRF250及其防沖突讀寫器設計
文章出處：http://hz-huyue.com 作者：單承贛 人氣： 發表時間：2011年10月19日
摘要：介紹Microchip公司生產的無源RFID芯片MCRF250的主要特點及其工作原理，詳細討論了MCRF250防沖突問題。并在此基礎上給出了一種FSK防沖突讀寫器的設計方法。
關鍵詞：RFID；MCRF250；FSK；防沖突；讀寫器
１ ＭＣＲＦ２５０簡介
ＭＣＲＦ２５０是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產的非接觸可編程無源ＲＦＩＤ器件，工作頻率（載波）為１２５ｋＨｚ。該器件有兩種工作模式：初始模式（Ｎａｔｉｖｅ）和讀模式。所謂初始模式是指ＭＣＲＦ２５０具有一個未被編程的存儲陣列，而且能夠在非接觸編程時提供一個缺損狀態（其波特率為載波頻率的１２８分頻，調制方式為ＦＳＫ，數據碼為ＮＲＺ碼）；而讀模式是指在接觸和非接觸方式編程后的永久工作模式，在該模式下， ＭＣＲＦ２５０芯片中的配置寄存器（詳見后述）的鎖存位ＣＢ１２置１，芯片上電后，進入防沖突數據傳送狀態。
ＭＣＲＦ２５０ 的主要性能如下：
●只讀數據傳送，片內帶有一次性可編程（ＯＴＰ）的９６位或１２８位用戶存儲器（支持４８位或６４位協議）。
●具有片上整流和穩壓電路。
●低功耗。
●編碼方式：ＮＲＺ，曼徹斯特碼及差分曼徹斯特碼。
●調制方式：ＦＳＫ，ＰＳＫ，直接調制。
●封裝方式：ＰＤＩＰ，ＳＯＩＣ。
２ 工作原理
２．１ 芯片內部電路組成
ＭＣＲＦ２５０芯片內部電路框圖及與讀寫器構成的應用系統如圖１所示。芯片的引腳ＶＡ和ＶＢ外接電感Ｌ１和電容Ｃ１構成的諧振電路（諧振頻率為１２５ｋＨｚ， Ｌ１參考值為４．０５ｍＨ，Ｃ１參考值為３９０ｐＦ）。讀寫器（Ｒｅａｄｅｒ）側的電路諧振于１２５ｋＨｚ以用于輸出射頻能量，同時也用于接收ＭＣＲＦ２５０芯片以負載調制方式傳來的數字信號。ＭＣＲＦ２５０芯片內部電路由射頻前端、防沖突電路及存儲器三部分組成。
２．２ 射頻前端電路
射頻前端電路用于完成芯片所有的模擬信號處理和變換功能，包括電源（工作電壓ＶＤＤ和編程電壓ＶＰＰ）、時鐘、載波中斷檢測、上電復位、負載調制等電路。此外，它還用來實現編碼調制方式的邏輯控制。
２．３ 配置寄存器
配置寄存器用于確定芯片的工作參數。配置寄存器也能以非接觸方式編程，它由制造商在生產中進行編程。配置寄存器共有１２位，其功能如圖２所示。其中位１１（ＣＢ１１）總是為１。位１０（ＣＢ１０）用于設置ＰＳＫ速率，置１時速率為ｆｃ／４，置０時速率為ｆｃ／２。當ＣＢ１２為０時，表示存儲陣列未被鎖定；為１時表示成功地完成了接觸編程或非接觸編程，此時芯片工作于防沖突只讀模式下。
２．４ 防沖突電路
片內有防沖突電路，當發生沖突時，ＭＣＲＦ２５０可停止數據發送，并在防沖突電路的控制下，可再一次在適當的時候傳送數據。這種功能保證了當讀寫器射頻場中有多個ＲＦＩＤ卡時，可以逐一讀取。該防沖突措施要求讀寫器能提供載波信號中斷的時隙（Ｇａｐ）能力。
３ ＦＳＫ防沖突讀寫器的電路設計
３．１ 防沖突技術
ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４－３標準給出了ＴＹＰＥ Ａ和ＴＹＰＥ Ｂ兩種初始化和防沖突規范１：ＴＹＰＥ Ａ采用面向比特的防沖突幀，支持比特沖突檢測協議；ＴＹＰＥ Ｂ通過一組命令來管理防沖突過程，防沖突方案以時隙為基礎。
存儲卡的防沖突技術目前尚未形成統一的標準，很多廠家都擁有自己的專利。對于ＭＣＲＦ２５０芯片的讀寫器設計來說，其主要特點是具有防沖突能力，即讀寫器應具有提供Ｇａｐ和沖突檢測的能力。因為讀寫器提供Ｇａｐ可保證時間上的同步，沖突檢測可采用比特（位）沖突檢測方法。
位沖突檢測可以采用幅度變化、非法編碼出現、位寬變化等檢測技術。但在ＲＦＩＤ中，很難確定判斷幅度迭加的門限值（閾值），因此，非法編碼判斷和位寬檢測是比較簡便的方法。
非法編碼判斷和編碼方式的相關資料可參見參考文獻。下面主要介紹ＮＲＺ碼和曼徹斯特碼在發生沖突時合成波形的變化情況。從圖３中可見，ＮＲＺ 碼無法判斷位０和位１的沖突，因為沖突后的結果可認為正常的數位１。而曼徹斯特編碼的數位１，如果以速率高一倍的ＮＲＺ碼１０來表示，其數位０則可表示為０１，其數位１和數位０沖突的結果則可表示為１１，而曼徹斯特碼中，１１是非法編碼，故而極易判斷位沖突出現。ＴＹＰＥ Ａ中就是采用了曼徹斯特編碼。當然，圖３所示情況是基于位時間同步和放大限幅的環境，在ＲＦＩＤ中，這些都是可以做到的。
而位寬的變化則與調制方式有關。當采用ＮＲＺ碼ＦＳＫ調制時，發現位０和位１碰撞時，其合成波形的位寬有了比較明顯的變化，圖４所示是其碰撞情況時序圖，圖中數位０為ｆｃ／８，數位１為ｆｃ／１０。
從圖４可以看到，經過濾波放大整形電路后，若數位１和數位０產生碰撞，則碰撞沖突后的波形將出現７ＴＣ和１２ＴＣ寬的脈沖，而正常情況下０的ＦＳＫ脈寬為４ＴＣ，１的ＦＳＫ脈寬為５ＴＣ，因此用計數器進行位寬檢測，判別是否出現大于５ＴＣ的脈寬，就可以判斷是否出現了沖突。
３．２ ＦＳＫ防沖突讀寫器設計
讀寫器組成框圖如圖５所示。它由晶體振蕩器（４ＭＨｚ）、分頻器、功率放大器、Ｇａｐ產生電路、包絡檢波、放大濾波整形電路、ＦＳＫ解調電路、沖突檢測電路和微控制器組成。下面主要介紹防沖突流程及沖突檢測電路。
流程中的主要工作由微控制器程序實現。對于功率放大器電路，特別是Ｄ類功率放大器，由微控制器程序產生Ｇａｐ，是很容易實現的。
根據圖４所示的時序圖，設計的沖突檢測電路如圖７所示。
放大濾波整形電路輸出的ＦＳＫ信號首先加至觸發器Ｄ１（７４ＨＣ７４），觸發器Ｄ１將于ＦＳＫ信號的上升沿在Ｑ端產生一個上跳變，但因 Ｑ端和ＣＬ端連接，它會很快又回至低電平，即在Ｑ端形成一個窄脈沖來觸發一個單穩電路，該單穩電路的輸出作為“有調制出現”信號加至微控制器（ＭＣＵ）。此外，該脈沖同時還可加至ＦＳＫ解調器使ＦＳＫ解調器工作同時，輸出ＮＲＺ碼數據。
沖突檢測電路由十進制計數器４０１７和單穩電路組成。４０１７的 Ｒｅｓｅｔ端接至觸發器Ｄ１的Ｑ端，觸發器Ｄ１的Ｑ端輸出用于復位４０１７并使其開始計數。從圖４可知，如果產生位碰撞，就會出現７ＴＣ和１２ＴＣ的脈寬，因此將ＦＳＫ信號加至４０１７的ＣＬＫｅｎ端，該端為低時，對１２５ｋＨｚ時鐘計數，當計數到７時，Ｑ７端由低變高，觸發單穩電路，單穩電路產生跳變（此即沖突出現信號），并告知ＭＣＵ發生了沖突。在正常ＦＳＫ信號情況下，ＦＳＫ脈寬為４ＴＣ和５ＴＣ，因此Ｑ７腳不會變高，即無位碰撞出現。該電路可實現位沖突檢測。ＭＣＵ輸出的控制信號用于設置圖７電路的初始狀態。
４ 結束語
防沖突技術是ＲＦＩＤ中的一項重要技術，不同的芯片所采用的措施和方法會有所差異，因而需要仔細地進行分析和研究。
