隨著射頻技術(shù)的推廣，MIFARE1卡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公共交通終端、手持終端、板上單元、非接觸式PC終端等各個非接觸式通信場合。非接觸式智能卡讀寫系統(tǒng)是射頻技術(shù)中的一個重要組成部分，可完成指令分析、數(shù)據(jù)采集等諸多功能。

　　【摘要】MIFARE1射頻卡采用先進(jìn)的芯片制造工藝制作，內(nèi)建有高速的CMOSEEPROM、MCU等。本文介紹了Philips公司的MIFARE1射頻卡的主要特點(diǎn)和工作原理，提出了一種由單片機(jī)控制，用分離元件實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離MIFARE1卡讀卡器射頻前端硬件電路系統(tǒng)的設(shè)計。解決了運(yùn)用常規(guī)讀寫模塊設(shè)計的讀卡器對MIFARE1卡操作距離不足的問題，也同時解決了讀卡器設(shè)計廣泛采用專用RFID芯片而涉及國外相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的問題，已經(jīng)投入實(shí)用。

　　【關(guān)鍵詞】MIFARE,主要特點(diǎn),工作原理,遠(yuǎn)距離,讀卡器

　　1引言

　　本文首先介紹了Philips公司的MIFARE1射頻卡的主要特點(diǎn)和工作原理，提出了一種由單片機(jī)控制，用分離元件實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離MIFARE1卡讀卡器射頻前端硬件電路系統(tǒng)的設(shè)計。解決了在某些應(yīng)用場合下運(yùn)用常規(guī)讀寫模塊設(shè)計的讀卡器對MIFARE1卡操作距離不足的問題。本文提出的MIFARE1卡讀卡器射頻前端硬件電路系統(tǒng)設(shè)計方案擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，系統(tǒng)穩(wěn)定，通信可靠。

　　2MIFARE卡的主要特點(diǎn)

　　MIFARE技術(shù)是Philips公司推出的一種射頻/雙界面卡技術(shù)，目前已被ISO/IEC制定為國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)。MIFARE卡目前占據(jù)世界射頻卡市場80%的份額。

　　MIFARE射頻卡的核心是Philips公司的MIFARE1ICS50系列微晶片。MIFARE射頻卡采用先進(jìn)的芯片制造工藝制作，內(nèi)建有高速的CMOSEEPROM、MCU等。卡片上除了IC微晶片及一副高效率天線外，無任何其他元件。射頻卡工作頻率為13.56MHz，標(biāo)準(zhǔn)操作距離為100mm，與卡片讀寫器的通信速率高達(dá)106Kbit。

　　MIFARE射頻卡具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信加密技術(shù)，需要雙向驗(yàn)證密碼系統(tǒng)，且具有防重疊功能，即能在同一時間處理讀寫器天線的有效工作距離內(nèi)的多張卡片。

　　MIFARE射頻卡與讀寫器通信使用握手式半雙工通信協(xié)議，卡片上有高速的CRC協(xié)處理器，符合CCITT標(biāo)準(zhǔn)。

　　MIFARE1S50射頻卡卡片上內(nèi)建8K（bit）存儲容量EEPROM并被劃分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)劃分為4個數(shù)據(jù)存儲塊�？ㄆ�上還內(nèi)建有增值/減值的專項(xiàng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算電路。卡片上的數(shù)據(jù)讀寫可超過10萬次以上，數(shù)據(jù)保存期可達(dá)10年以上，且卡片抗靜電保護(hù)能力達(dá)2KV以上。

　　3MIFARE卡的工作原理

　　MIFARE射頻卡由一個天線和一個微模塊組成。天線是只有幾組繞線的線圈，很適于封裝到IS0卡片中，微模塊由一個高速的RF射頻接口電路和數(shù)字電路部分組成。其工作原理：讀寫器向卡片發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)�通的電子泵，將電容�?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。

　　4射頻前端總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計

　　MIFARE卡讀寫器的設(shè)計一般用Philips公司生產(chǎn)的讀寫模塊MCM200或MCM500，當(dāng)采用MCM500作為讀寫器的讀寫模塊時，操作距離為100mm；當(dāng)采用MCM200時，操作距離為25mm。為了滿足更多的應(yīng)用需求，增加通信距離，可采取幾項(xiàng)措施實(shí)現(xiàn)：增大功放發(fā)射功率，使傳輸?shù)教炀�的功率增大；增大天線線圈的面積，使得天線的近場輻射范圍增大；采用鐵氧體材料，提高接收信號的靈敏度。從理論上來說，采用以上技術(shù)手段，即可達(dá)到增加讀卡器和MIFARE卡之間通信距離的目的。只要發(fā)射功率足夠大，天線線圈面積足夠大，通信距離可大大增加。但通信距離在天線線圈中磁通量達(dá)到飽和之后則不能再增大。

　　根據(jù)如上分析，MIFARE讀卡器射頻前端主要由射頻收發(fā)電路和天線兩部分組成。

　　MIFARE讀卡器射頻收發(fā)電路要完成幾項(xiàng)功能：在發(fā)射部分，要將基帶數(shù)字信號調(diào)制到13.56MHz的載頻上，通過功放放大以后，然后經(jīng)天線發(fā)射出去；在接收部分，將從天線接收到的射頻回波信號進(jìn)行檢波，并放大解調(diào)后輸出。

　　MIFARE收發(fā)天線主要完成射頻收發(fā)信號的近場輻射。

　　射頻前端包含發(fā)射通道、接收通道、過壓過流監(jiān)測保護(hù)電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及天線和天線匹配電路等幾個部分組成。

　　發(fā)射通道由調(diào)制電路、前置放大電路、功放電路以及匹配電路組成。為了達(dá)到我們所希望的30cm的通信距離，發(fā)射功率要大于8W以上。

　　過壓過流監(jiān)測保護(hù)電路主要是為了防止在發(fā)生阻抗失配的時候，產(chǎn)生全反射，導(dǎo)致功放等器件損壞的情況。

　　天線和天線匹配電路需要單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計，天線模塊的尺寸為30cm×40cm。

　　接收通道由濾波電路、檢波電路、放大電路以及光耦隔離電路組成。接收信號輸出為模擬信號。

　　電源轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)給射頻前端各單元電路供電。

　　MIFARE讀卡器射頻前端設(shè)計方案如圖1所示。

　　5具體硬件實(shí)現(xiàn)

　　5.1前置射頻放大器

　　前置射頻放大器采用典型的A類放大電路，中心工作頻率為13.56MHz。A類放大器的特點(diǎn)是不論是否有輸入信號，其輸出電路恒有電流流通，放大器在特性曲線的線性范圍內(nèi)工作，信號傳真度很高。所以A類放大器的優(yōu)點(diǎn)是失真度小，最大的缺點(diǎn)是功率效益低，最大只有25%。

　　5.2射頻功率放大器

　　射頻功率放大器采用AB類放大電路，如圖2所示，由兩只匹配的晶體管以推挽工作方式組成。AB類放大電路的偏置介于A類放大器與B類放大器之間，在沒有信號的時候，兩只晶體管都是導(dǎo)通的，但電流很小，當(dāng)有信號輸入時，晶體管中的電流會變大。交流信號使其中的一只晶體管截止，另一只晶體管則為導(dǎo)通，兩只管子始終是輪流截止和導(dǎo)通，并且其中流過的電流幾乎是全部送入負(fù)載。

　　射頻功率放大器的中心工作頻率為13.56MHz。

　　與A類放大器相比，AB類放大器的優(yōu)點(diǎn)是功率效率很高，可達(dá)到70%以上，另外推挽電路可以抑制偶次諧波，減低非線性失真。

　　5.3前置中頻放大器

　　前置中頻放大器采用共基-共射的渥爾曼電路。通常為了得到好的頻率特性，需要采用共基極放大電路，但代價是使得輸入阻抗變低，電路難于使用，然而渥爾曼電路可以克服了這一缺點(diǎn)。典型的渥爾曼放大電路如圖3所示。

　　渥爾曼電路的優(yōu)點(diǎn)。

　�。�1）輸入阻抗比共基極電路的高，輸出阻抗比共發(fā)電路的高。因此，它對前級的影響小，對本級負(fù)載的分流小。由于實(shí)際負(fù)載是LC諧振回路而非典型電路中的Rc，可以明顯提高LC回路的工作Q值。

　�。�2）這種組合電路的內(nèi)部反饋小，工作十分穩(wěn)定。因此，如果把它用于中頻放大器時，不用中和電路也可以穩(wěn)定提供高增益。

　�。�3）這種組合電路的頻帶寬，適合于寬帶放大。

　　前置中頻放大器工作在副載波頻率，其中心頻率為847KHz。

　　5.4主中頻放大器

　　由于RFID信號強(qiáng)弱變化劇烈而迅速，一般AGC系統(tǒng)難以滿足，因此主中頻放大器采用了二級雙增益對數(shù)放大器電路，如圖4所示。

　　對數(shù)放大器是一種輸出電壓與輸入電壓成對數(shù)關(guān)系的放大器，實(shí)際的對數(shù)放大器通常多為線性對數(shù)放大器，即小信號輸入時為線性放大器，大信號輸入時為對數(shù)放大。

　　對數(shù)雙增益放大器是由一個限幅放大器和一個單位增益放大器所組成。在輸入較小時，限幅放大器有高增益，當(dāng)輸入超過某一值后輸出限幅電壓。單位增益放大器在整個輸入信號動態(tài)范圍內(nèi)都不限幅，但增益為1，無放大作用，兩個放大器輸出為同一負(fù)載。

　　對數(shù)雙增益放大器的總輸出特性曲線如圖5。

　　用對數(shù)放大器具有動態(tài)范圍寬、響應(yīng)時間短、工作穩(wěn)定（級聯(lián)中無反饋）、抗過載等特點(diǎn)。

　　主中頻放大器工作在副載波頻率，其中心頻率為847KHz。

　　6結(jié)束語

　　本文給出了由單片機(jī)控制，用分離元件實(shí)現(xiàn)的符合ISO/IEC14443TYPEA協(xié)議的遠(yuǎn)距離MIFARE1卡讀卡器射頻前端硬件電路系統(tǒng)的設(shè)計。解決了一系列RFID讀卡器射頻前端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信的關(guān)鍵技術(shù)，諸如：大功率功放的匹配技術(shù)、線圈天線的自動匹配技術(shù)、大的發(fā)射信號下，接收小信號的檢測技術(shù)、射頻信號的收發(fā)隔離技術(shù)。讀卡器的工作距離在30cm以上，已經(jīng)投入實(shí)用，應(yīng)用前景較好。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]StandardCardICMF1ICS70FunctionalSpecification.PhilipsSemiconductors2001.

　　[2]MifareStandardICCardDesignDataSheet.PhilipsSemiconductor2002.

　　[3]游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

　　[4]張曉鵬，朱云龍，羅海波.超高頻射頻識別讀寫器設(shè)計[J].電子器件，2005（09）：545.

　　[5]BehzadRazavi.射頻微電子[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

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