载频为13.5MHz的IC卡PCD发送通道技术

文章出处：http://www.singbon.com 作者：合肥工业大学计算机信息学院 单承赣 张 勇 中兴通讯上海研究所二所 姚 磊   人气： 发表时间：2011年11月02日

  摘要：介绍了13.56MHz PCD发送通道的电路结构和设计思路，给出了一种适合TYPE A、TYPE B、REID等多种非接触式IC卡的PCD发送通道的设计方法。

    关键词：PCD TYPE A TYPE B 修正密勒码 E类放大器

１ 引言

非接触式ＩＣ卡是射频技术和ＩＣ卡技术相结合的产物，它成功地解决了无源和免接触问题，因而获得了广泛的应用。ＩＳＯ／ＩＥＣ １４４４３是较新型的非接触ＩＣ卡的国际标准，该标准称ＩＣ卡为ＰＩＣＣ卡，读写器为ＰＣＤ。它规定了ＰＩＣＣ和ＰＣＤ之间的ＴＹＰＥ Ａ和ＴＹＰＥ Ｂ两种通信传输模式，它们的载波频率均为１３．５６ＭＨｚ。这两种模式主要针对智能卡。实际上，有很多存储器卡、射频身份识别卡（ＲＦＩＤ）也是采用１３．５６ＭＨｚ作为载频，但其信息传输仅从ＰＩＣＣ到ＰＣＤ。在ＰＣＤ的设计中，若编解码、调制解调电路能适应多种传输模式，那么ＰＣＤ就会有更大的应用范围。限于篇幅，本文仅就ＰＣＤ发送通道的编码和调制电路进行分析。

２　非接触式ＩＣ卡系统的基本组成

非接触式ＩＣ卡的基本组成框图如图１所示。 该系统由ＰＣＤ和ＰＩＣＣ组成。ＰＣＤ则以微控制器为核心，分为发送和接收两个通道。发送通道由１３．５６ＭＨｚ振荡器、功放、调谐电路、编码器、调制器组成。接收通道由解调电路、滤波放大器、解码器组成。收发数据由微控制器处理，并可和主机通信。

    设计ＰＣＤ时可采用ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＭＩＦＡＲＥ技术读写模块ＭＣＭ２００／ＭＣＭ５００来实现，ＭＣＭ是Ｍｉ-ｆａｒｅ Ｃｏｒｅ Ｍｏｄｕｌｅ的缩写，意为Ｍｉｆａｒｅ核心模块，它和ＭＩＦＡＲＥ射频ＲＦ模块相结合的协议规范被称为ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３ ＴＹＰＥ Ａ标准。图２所示是采用ＭＣＭ设计ＰＣＤ的框图。

ＭＣＭ２００模块主要应用于对卡片操作距离为２５ｍｍ的卡式读写器中，而ＭＣＭ５００模块则主要应用于对卡片操作距离为１００ｍｍ的卡读写器中。ＭＣＭ具有数据加密、错误侦察、ＣＲＣ校验、防冲突等功能。其功能可通过软件编程来实现。

３　编码电路

ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３标准规定的数据传输速率为１０６ｋｂｐｓ，数据时钟频率为载波频率的１２８分频。从ＰＣＤ向ＰＩＣＣ传输数据时，若使用ＴＹＰＥ Ａ模式，则应采用修正的密勒（Ｍｉｌｌｅｒ）码，而用ＴＹＰＥ Ｂ则可直接使用ＮＲＺ（不归零）码，在这两种编码中，修正的密勒码比较复杂。

３．１ 修正的密勒码编码

ＴＹＰＥ Ａ中定义了如下三种时序：

（１） 时序Ｘ：该时序将在６４／ｆｃ处产生一个“ｐａｕｓｅ”（凹槽）；

（２） 时序Ｙ：该时序在整个位期间（１２８／ｆｃ）不发生调制；

（３） 时序Ｚ：这种时序在位期间的开始时，产生一个“ｐａｕｓｅ”。

在上述时序说明中，ｆｃ为载波１３．５６ＭＨｚ，ｐａｕｓｅ凹槽脉冲的底宽为０．５～３．０μｓ，９０％幅度宽度不大于４．５μｓ。用这三种时序即可对帧进行编码，即修正的密勒码，其中逻辑“１”选择时序Ｘ逻辑“０”选择时序Ｙ。但有两种情况除外，第一种是在相邻有两个或更多的“０”时，此时应从第二个“０”开始采用时序Ｚ；第二种是在直接与起始位相连的所有位为“０”时此时应当用时序Ｚ表示。

另外，通信开始时，用时序Ｚ表示。通信结束则用逻辑“０”加时序Ｙ表示。无信息时，通常应用至少两个时序Ｙ来表示。

３．２ 编码电路设计

实现修正的密勒码编码的硬件电路编码器的原理框图如图３所示。图４所示是假定输出数据为０１１０１０时，采用图３方案的波形图，其中，使能信号ｅ用于激活编码器电路以使其开始工作。波形ａ为数据时钟，ｂ为数据输入端波形，它的第一位为起始位，用于送出不归零码０，第二位至第七位为数据信息，其后是结束位，也应以不归零码输出。编码电路要将００１１０１００变换成修正的密勒码编码。从图中可以发现，ａ和ｂ异或（模２加）后形成的波形ｃ有一个特点，即其上升沿正好对应于Ｘ、Ｚ时序所需的“ｐａｕｓｅ”的起始位置，因此，可以用ｃ波形控制计数器的开始，以对１３．５６ＭＨｚ时钟计数，若按模８计数，则ｄ波形中的“ｐａｕｓｅ”脉宽应为８／１３．５６即０．５９μｓ，因而可满足ＴＹＰＥ Ａ中“ｐａｕｓｅ”凹槽脉冲底宽的要求。这样，通过波形ｄ中输出的相应时序ＺＺＸＸＹＸＹＺＹ即可完成修正密勒码的编码。当送完数据后，拉低使能电平，编码器停止工作。

３．３ 软件编程

该编码器的软件编程方法比较简单，可以按Ｘ、Ｙ、Ｚ时序编写相应子程序，然后将输出数据块从通信起始位至通信结束位，一位一位地按编码规则转换为相应时序，其流程见图５所示。

对于前例数据０１１０１０，通过图５的软件流程即可得出修正密勒码时序ＺＺＸＸＹＸＹＺＹ将该时序电平从Ｉ／Ｏ口送出即为修正的密勒码流。

３．４ ＮＲＺ码编码

ＴＹＰＥ Ｂ的ＰＣＤ到ＰＩＣＣ数据传输采用的是ＮＲＺ编码，其中的逻辑“１”表示载波高幅度无调制，逻辑“０”则表示载波低幅度。这种编码通常可由微控制器直接输出。

４　射频输出电路

４．１ 高频功率输出电路

１３．５６ＭＨｚ的射频输出电路应能达到标准所提出的作用距离及电磁性能要求。图６给出了一种采用戊类（Ｅ类）功率放大器产生的１３．５６ＭＨｚ射频功率输出电路，该电路由１３．５６ＭＨｚ晶振信号激励。晶体振荡电路由７４ＨＣ０４、１３．５６ＭＨｚ晶体及少量辅助器件组成。该功率放大器由于采用戊（Ｅ）类放大器，其晶体管处于开关状态，因而效率很高。

图６中的Ｌ１扼流圈的阻抗应足够大，流经它的Ｉｃｃ要接近恒定值，串联谐振电路由Ｌ３、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０等器件组成，该电路同时可用作选频电路，其谐振频率为１３．５６ＭＨｚ，该回路的Ｑ值也应足够高，以使其输出载波能够成为理想的正弦波波形。Ｌ２、Ｃ７可用来组成滤波电路，可在电路中用于阻隔１３．５６ＭＨｚ的高次谐波。

４．２ 调制电路

在ＴＹＰＥ Ａ中，当ＰＣＤ向ＰＩＣＣ传输数据时，一般采用１００％ＡＳＫ调制。载波在“ｐａｕｓｅ”处通常会出现凹槽，也就是说，在“ｐａｕｓｅ”处，载波将出现失落。这对ＩＣ卡的电源设计将带来难度，同时也给ＩＣ卡的时钟提取带来困难。

在ＴＹＰＥ Ｂ中，ＰＣＤ向ＰＩＣＣ传输数据时，一般采用１０％调制度的ＡＳＫ调制方式。当其为逻辑“１”时，表示载波高幅度无调制，为逻辑“０＂时，则表示载波幅度下降有调制。

图６中，调制主要由Ｌ３、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１３或Ｃ１４所组成的电路来完成，而负载调制通常采用电容调制方式。

在ＴＹＰＥ Ａ时调制器输入为密勒码高电平时，Ｑ２导通，此时相当于电感Ｌ３和电容Ｃ１３并联。Ｃ１３可取较大值，以使其等效串联谐振电路与１３．５６ＭＨｚ具有较大的失谐而使其输出载波很低，从而形成１００％ＡＳＫ的“ｐａｕｓｅ”凹槽。

图6 晶振、功放和调制电路

    在ＴＹＰＥ Ｂ时，由于在高电平时，Ｑ３将截止，因此其输出无调制载波；在低电平时，Ｑ３导通以使Ｃ１４和Ｌ３并联，因此，适当选择Ｃ１４则可实现１０％的ＡＳＫ调制。

当调制度为１０％时，可根据调制度：

ｍ＝（Ａ－Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）

计算出Ｂ／Ａ约为０．８２，这样，根据谐振曲线关系即可估算出电容Ｃ１４的大小，并可用示波器或频谱仪测试出实际的调制度。

根据本文所介绍的方案，对于象Ｈ４００６ＭＣＲＦ３５５／３６０等１３．５６ＭＨｚ的ＲＦＩＤ卡来说，只需输出无调制载波即可。因此，该射频电路可用于多种非接触式ＩＣ卡的应用。