載頻為13.5MHz的IC卡PCD發送通道技術

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：合肥工業大學計算機信息學院 單承贛 張 勇 中興通訊上海研究所二所 姚 磊   人氣： 發表時間：2011年11月02日

  摘要：介紹了13.56MHz PCD發送通道的電路結構和設計思路，給出了一種適合TYPE A、TYPE B、REID等多種非接觸式IC卡的PCD發送通道的設計方法。

    關鍵詞：PCD TYPE A TYPE B 修正密勒碼 E類放大器

１ 引言

非接觸式ＩＣ卡是射頻技術和ＩＣ卡技術相結合的產物，它成功地解決了無源和免接觸問題，因而獲得了廣泛的應用。ＩＳＯ／ＩＥＣ １４４４３是較新型的非接觸ＩＣ卡的國際標準，該標準稱ＩＣ卡為ＰＩＣＣ卡，讀寫器為ＰＣＤ。它規定了ＰＩＣＣ和ＰＣＤ之間的ＴＹＰＥ Ａ和ＴＹＰＥ Ｂ兩種通信傳輸模式，它們的載波頻率均為１３．５６ＭＨｚ。這兩種模式主要針對智能卡。實際上，有很多存儲器卡、射頻身份識別卡（ＲＦＩＤ）也是采用１３．５６ＭＨｚ作為載頻，但其信息傳輸僅從ＰＩＣＣ到ＰＣＤ。在ＰＣＤ的設計中，若編解碼、調制解調電路能適應多種傳輸模式，那么ＰＣＤ就會有更大的應用范圍。限于篇幅，本文僅就ＰＣＤ發送通道的編碼和調制電路進行分析。

２　非接觸式ＩＣ卡系統的基本組成

非接觸式ＩＣ卡的基本組成框圖如圖１所示。 該系統由ＰＣＤ和ＰＩＣＣ組成。ＰＣＤ則以微控制器為核心，分為發送和接收兩個通道。發送通道由１３．５６ＭＨｚ振蕩器、功放、調諧電路、編碼器、調制器組成。接收通道由解調電路、濾波放大器、解碼器組成。收發數據由微控制器處理，并可和主機通信。

    設計ＰＣＤ時可采用ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＭＩＦＡＲＥ技術讀寫模塊ＭＣＭ２００／ＭＣＭ５００來實現，ＭＣＭ是Ｍｉ-ｆａｒｅ Ｃｏｒｅ Ｍｏｄｕｌｅ的縮寫，意為Ｍｉｆａｒｅ核心模塊，它和ＭＩＦＡＲＥ射頻ＲＦ模塊相結合的協議規范被稱為ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３ ＴＹＰＥ Ａ標準。圖２所示是采用ＭＣＭ設計ＰＣＤ的框圖。

ＭＣＭ２００模塊主要應用于對卡片操作距離為２５ｍｍ的卡式讀寫器中，而ＭＣＭ５００模塊則主要應用于對卡片操作距離為１００ｍｍ的卡讀寫器中。ＭＣＭ具有數據加密、錯誤偵察、ＣＲＣ校驗、防沖突等功能。其功能可通過軟件編程來實現。

３　編碼電路

ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３標準規定的數據傳輸速率為１０６ｋｂｐｓ，數據時鐘頻率為載波頻率的１２８分頻。從ＰＣＤ向ＰＩＣＣ傳輸數據時，若使用ＴＹＰＥ Ａ模式，則應采用修正的密勒（Ｍｉｌｌｅｒ）碼，而用ＴＹＰＥ Ｂ則可直接使用ＮＲＺ（不歸零）碼，在這兩種編碼中，修正的密勒碼比較復雜。

３．１ 修正的密勒碼編碼

ＴＹＰＥ Ａ中定義了如下三種時序：

（１） 時序Ｘ：該時序將在６４／ｆｃ處產生一個“ｐａｕｓｅ”（凹槽）；

（２） 時序Ｙ：該時序在整個位期間（１２８／ｆｃ）不發生調制；

（３） 時序Ｚ：這種時序在位期間的開始時，產生一個“ｐａｕｓｅ”。

在上述時序說明中，ｆｃ為載波１３．５６ＭＨｚ，ｐａｕｓｅ凹槽脈沖的底寬為０．５～３．０μｓ，９０％幅度寬度不大于４．５μｓ。用這三種時序即可對幀進行編碼，即修正的密勒碼，其中邏輯“１”選擇時序Ｘ邏輯“０”選擇時序Ｙ。但有兩種情況除外，第一種是在相鄰有兩個或更多的“０”時，此時應從第二個“０”開始采用時序Ｚ；第二種是在直接與起始位相連的所有位為“０”時此時應當用時序Ｚ表示。

另外，通信開始時，用時序Ｚ表示。通信結束則用邏輯“０”加時序Ｙ表示。無信息時，通常應用至少兩個時序Ｙ來表示。

３．２ 編碼電路設計

實現修正的密勒碼編碼的硬件電路編碼器的原理框圖如圖３所示。圖４所示是假定輸出數據為０１１０１０時，采用圖３方案的波形圖，其中，使能信號ｅ用于激活編碼器電路以使其開始工作。波形ａ為數據時鐘，ｂ為數據輸入端波形，它的第一位為起始位，用于送出不歸零碼０，第二位至第七位為數據信息，其后是結束位，也應以不歸零碼輸出。編碼電路要將００１１０１００變換成修正的密勒碼編碼。從圖中可以發現，ａ和ｂ異或（模２加）后形成的波形ｃ有一個特點，即其上升沿正好對應于Ｘ、Ｚ時序所需的“ｐａｕｓｅ”的起始位置，因此，可以用ｃ波形控制計數器的開始，以對１３．５６ＭＨｚ時鐘計數，若按模８計數，則ｄ波形中的“ｐａｕｓｅ”脈寬應為８／１３．５６即０．５９μｓ，因而可滿足ＴＹＰＥ Ａ中“ｐａｕｓｅ”凹槽脈沖底寬的要求。這樣，通過波形ｄ中輸出的相應時序ＺＺＸＸＹＸＹＺＹ即可完成修正密勒碼的編碼。當送完數據后，拉低使能電平，編碼器停止工作。

３．３ 軟件編程

該編碼器的軟件編程方法比較簡單，可以按Ｘ、Ｙ、Ｚ時序編寫相應子程序，然后將輸出數據塊從通信起始位至通信結束位，一位一位地按編碼規則轉換為相應時序，其流程見圖５所示。

對于前例數據０１１０１０，通過圖５的軟件流程即可得出修正密勒碼時序ＺＺＸＸＹＸＹＺＹ將該時序電平從Ｉ／Ｏ口送出即為修正的密勒碼流。

３．４ ＮＲＺ碼編碼

ＴＹＰＥ Ｂ的ＰＣＤ到ＰＩＣＣ數據傳輸采用的是ＮＲＺ編碼，其中的邏輯“１”表示載波高幅度無調制，邏輯“０”則表示載波低幅度。這種編碼通?？捎晌⒖刂破髦苯虞敵?。

４　射頻輸出電路

４．１ 高頻功率輸出電路

１３．５６ＭＨｚ的射頻輸出電路應能達到標準所提出的作用距離及電磁性能要求。圖６給出了一種采用戊類（Ｅ類）功率放大器產生的１３．５６ＭＨｚ射頻功率輸出電路，該電路由１３．５６ＭＨｚ晶振信號激勵。晶體振蕩電路由７４ＨＣ０４、１３．５６ＭＨｚ晶體及少量輔助器件組成。該功率放大器由于采用戊（Ｅ）類放大器，其晶體管處于開關狀態，因而效率很高。

圖６中的Ｌ１扼流圈的阻抗應足夠大，流經它的Ｉｃｃ要接近恒定值，串聯諧振電路由Ｌ３、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０等器件組成，該電路同時可用作選頻電路，其諧振頻率為１３．５６ＭＨｚ，該回路的Ｑ值也應足夠高，以使其輸出載波能夠成為理想的正弦波波形。Ｌ２、Ｃ７可用來組成濾波電路，可在電路中用于阻隔１３．５６ＭＨｚ的高次諧波。

４．２ 調制電路

在ＴＹＰＥ Ａ中，當ＰＣＤ向ＰＩＣＣ傳輸數據時，一般采用１００％ＡＳＫ調制。載波在“ｐａｕｓｅ”處通常會出現凹槽，也就是說，在“ｐａｕｓｅ”處，載波將出現失落。這對ＩＣ卡的電源設計將帶來難度，同時也給ＩＣ卡的時鐘提取帶來困難。

在ＴＹＰＥ Ｂ中，ＰＣＤ向ＰＩＣＣ傳輸數據時，一般采用１０％調制度的ＡＳＫ調制方式。當其為邏輯“１”時，表示載波高幅度無調制，為邏輯“０＂時，則表示載波幅度下降有調制。

圖６中，調制主要由Ｌ３、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１３或Ｃ１４所組成的電路來完成，而負載調制通常采用電容調制方式。

在ＴＹＰＥ Ａ時調制器輸入為密勒碼高電平時，Ｑ２導通，此時相當于電感Ｌ３和電容Ｃ１３并聯。Ｃ１３可取較大值，以使其等效串聯諧振電路與１３．５６ＭＨｚ具有較大的失諧而使其輸出載波很低，從而形成１００％ＡＳＫ的“ｐａｕｓｅ”凹槽。

圖6 晶振、功放和調制電路

    在ＴＹＰＥ Ｂ時，由于在高電平時，Ｑ３將截止，因此其輸出無調制載波；在低電平時，Ｑ３導通以使Ｃ１４和Ｌ３并聯，因此，適當選擇Ｃ１４則可實現１０％的ＡＳＫ調制。

當調制度為１０％時，可根據調制度：

ｍ＝（Ａ－Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）

計算出Ｂ／Ａ約為０．８２，這樣，根據諧振曲線關系即可估算出電容Ｃ１４的大小，并可用示波器或頻譜儀測試出實際的調制度。

根據本文所介紹的方案，對于象Ｈ４００６ＭＣＲＦ３５５／３６０等１３．５６ＭＨｚ的ＲＦＩＤ卡來說，只需輸出無調制載波即可。因此，該射頻電路可用于多種非接觸式ＩＣ卡的應用。