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1 引言 非接觸式IC卡，又稱射頻IC卡、RFIC卡，是射頻識別技術(shù)與IC卡技術(shù)的結(jié)合而出現(xiàn)的一種新型智能卡，自出現(xiàn)以來就成為這兩種技術(shù)的重要發(fā)展方向。由于具有安全性、較大的存儲容量、更好的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性，讀寫設(shè)備簡單，操作速度快等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展十分迅速，當(dāng)前在國內(nèi)已大量普及。可以相信，隨著大規(guī)模集成電路和制造r藝的發(fā)展及開發(fā)工具的日漸成熟，非接觸式IC卡必將在我國各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 2 系統(tǒng)工作原理 MFRC530通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到MFRC530，MFRC530對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到微處理器進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，通過蜂鳴器發(fā)出不同提示音。其原理圖如圖1所示。 
圖1 系統(tǒng)原理框圖 3 系統(tǒng)硬件電路 3．1 MFRC530芯片介紹 MFRC530是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式高集成度IC卡讀寫模塊的一員。該模塊利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC530支持Isol4443A所有層的通信方式。 內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近距離操作的天線(可達(dá)10cm)。 接收器部分提供一個堅同而有效的解調(diào)和解碼電路用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號。 數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測(奇偶校驗(yàn)和CRC)。此外它還支持快速M(fèi)IFARE典型安全算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。 方便的并行接口可直接連接到任何8 bit微處理器，這樣給讀卡器終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。此外，它還具有支持SPI接口等特點(diǎn)。 3．2 MFRC530電路接法 MFRC530是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀卡器讀射頻卡的關(guān)鍵接口芯片。它根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號，通過由TX1，TX2腳驅(qū)動的天線以電磁波的形式發(fā)出去．射頻卡采用電磁場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取射頻卡的響應(yīng)信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳，MFRC530內(nèi)部接收緩沖器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微處理器讀取。其電路接法如圖2所示。
圖2 MFRC530電路接法 3．3 信號接收及EMC濾波接口電路 信號接收及EMc濾波電路如圖3所示。芯片內(nèi)部對卡片傳來的副載波進(jìn)行解凋。不需要外部濾波電路。R4用來在RX的輸入端提供直流偏置電平。C22用來去耦。R5、C25和R1的分壓組成交流信號輸入，它們的值受天線的設(shè)計和阻抗匹配影響，因此建議采用廠家推薦的值。 L1、L2、C23、C24、C26、c27組成EMC低通濾波電路。由于射頻讀卡芯片工作在13.56Mhz，其由13.56Mhz的晶體起振產(chǎn)生時鐘信號，送到天線的信號也是13.56Mhz的能量載波信號。因此發(fā)射出來的信號除了13.56Mhz的信號外，還會發(fā)射一些高次諧波，為了符合國際EMC規(guī)定，其中的三次、五次和高次諧波都要被良好的抑制，因此有必要設(shè)計一個合適的低通濾波器使其達(dá)到EMC要求。另外推薦用多層板設(shè)計天線部分，這樣也會改善其EMC性能。
圖3 信號接收及EMC濾波電路 3．4 天線 天線實(shí)際上是一段導(dǎo)線做成的線圈，兩端分別接TX1和TX2中間點(diǎn)接TVSS。設(shè)計的天線形狀建議為圓形或矩形。天線原理如圖4所示，圖中Rest為外部電阻，用于調(diào)節(jié)天線的品質(zhì)因子，R/2為半截線圈的電阻值。
圖4 天線原理圖 3．4．1 元件初值計算 線圈總電感：
I——線圈總長度 K——天線形狀因子(環(huán)形天線K=1.07；方形天線K=1.47) n——線圈匝數(shù) ln——自然對數(shù)符號 外部電阻：
Q——天線品質(zhì)因子，通常取值35 ω——ω=2πf；f=13.56 MHz R——線圈總電阻 阻抗匹配電容：
Z——天線等效阻抗，一般取Z為50Ω左右，天線容易達(dá)到最佳性能 諧振電容：
3．4．2 天線的諧調(diào) 因?yàn)槔碚撋嫌嬎愠龅脑踔翟趯?shí)際應(yīng)用中可能會有0～20％的誤差．因此可以使用阻抗分析儀或者示波器來調(diào)節(jié)Csaj、Cpw、Rext。讓天線性能達(dá)到最佳。 3．5 微處理器 通常采用MCS51系列8位單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)與讀卡芯片連接的功能，通過并口實(shí)現(xiàn)讀寫控制讀卡芯片，并控制蜂嗚器報警提示。而且可以擴(kuò)展串口轉(zhuǎn)換電路以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，利用PC機(jī)上的應(yīng)用軟件來控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)讀非接觸式IC卡的功能。由于該電路較簡單，就不在詳述了。 4 結(jié)論 本系統(tǒng)采用MFRC530作為射頻信號讀取的核心模塊。支持type A、type B兩種非接觸式卡的讀取。信號電路采用EMC低通濾波，保證了信號的準(zhǔn)確性。天線設(shè)計上，在每個電容處并聯(lián)一個可調(diào)電容，用阻抗分析儀進(jìn)行天線的諧調(diào)后，通過調(diào)節(jié)可變電容來消除匹配誤差．提高了信號接受的能力和信號接收的精確度．實(shí)現(xiàn)了10cm距離內(nèi)非接觸式IC卡的準(zhǔn)確讀取。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了type A、type B兩種卡的兼容讀取，并通過并聯(lián)可調(diào)電容消除了匹配誤差，提高了系統(tǒng)的性能。 本項(xiàng)目年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)300萬元以上。 作者：程偉，何俊華 來源：《微計算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第5-2期 |
