1、1第 5 章 RFID 系统集成本章介绍一种采用专用 IC 设计的 RFID 应用系统。系统中阅读器电路由专用 IC 芯片 MFRC500 构建，应答器（ IC 卡）外购，要求符合 ISO14443A 国际标准。5.1 MFRC500 的工作性能（1）8 位并行接口；（2）数据并/串变换，支持检查产生的帧，产生并检查 CRC/奇偶校验以及位编码和处理；（3）支持 ISO14443A 的所有层；（4）具有一个安全稳定的密钥存储器，用于存储 Crgpto1 密钥组；（5）具有两个内部的模拟桥驱动输出电路，使操作距离可达 100mm。5.2 系统组成RFID 应用系统系统组成框图如图 41 所示。
2、图 41 RFID 应用系统组成框图5.2.1 IC 卡高频接口频率 13.56MHz，采用 ISO14443A 协议通信。具体要求为：（1） 能量传输：采用变压器耦合传输，IC 卡是无源的；（2） 通信结构：采用半双工通信方式，阅读器（读卡器）首先发信号（talk） ；（3） 数据速率：105.9KHz；（4） 数据传输：采用双向传输方式，即：上位机MFRC500接收电路接收电路匹配电路IC 卡电路(应答器)2阅读器 IC 卡： 数据采用密勒（Miller）码编码，采用 1000/0ASK 调制；IC 卡 阅读器：数据采用曼彻斯特（Manchester）码编码，采用副载波负载调制（副载波频率
3、为 847.5KHz） 。5.2.2 能量传输阅读器天线和无源 IC 卡之间的能量传输采用变压器耦合方式，耦合线圈为阅读器天线线圈和 IC 卡线圈。IC 卡上的感应电压经过整流达到工作电压后，卡上 IC 被激活。感应电压的大小随 IC 卡与阅读器之间的距离而变化，距离太大时感应电压小，经过整流达后不能达到工作电压，卡上 IC 不能被激活。因此，IC 卡与阅读器之间的距离将受到限制。5.2.3 阅读器至 IC 卡的数据传输系统采用半双工通信方式在阅读器和 IC 卡之间传输数据。阅读器首先发出信号（说话）启动通信。从阅读器到 IC 卡的数据传输按 ISO14443A 协议采用1000/0ASK 调
4、制。ASK 调制波形如图 42 所示。图 42 ASK 调制波形图由于 IC 卡是无源的，阅读器需要优化编码，以便为 IC 卡提供恒定能量。这里采用改良的 Miller 编码，用于阅读器向 IC 卡传送数据和能量。图 43 所示为其编码信号和 ASK 调制波形。本系统的数据速率为 105.9KHz，一帧长为 9.44s，Miller 编码的脉冲宽带为 3s。如图 43 所示：逻辑“1”用一个位帧中间的脉冲表示；逻辑“0”有两个可能性，由前面一位确定：如果前面一位是 0，后一个 0 用后一个位帧开始 3s 脉冲表示；如果前面一位是 1，后一个 0 用后一个位帧没有脉冲表示。3图 43 阅读器至
5、IC 卡的数据传输信号编码及 ASK 调制波形5.2.4 IC 卡至阅读器的数据传输(1) 副载波负载调制原理： 如图 44 所示。 图 44 副载波负载调制原理IC 卡中产生副载波 fSUB=13.56MHz/16=847.5KHz，副载波 fSUB 直接调制在13.56MHz 上，在 13.56MHz 载频两边产生f SUB 的边频带。如图 46 所示。IC 卡内数据对副载波 fSUB 采用曼彻斯特编码。曼彻斯特码用上升沿和下降沿来表示数据，即：4逻辑“0”用位帧中间的上升沿表示，逻辑“1”用位帧中间的下降沿表示。如图 45 所示。图 45 IC 卡至阅读器的数据传输信号编码及副载波负载调
6、制波形图 46 副载波负载调制的频谱5.3 MFRC500 阅读器设计5MFRC500 为 32 脚 IC，如图 47 所示。图 47 MFRC500 引脚功能图MFRC500 阅读器可有两种基本设计方向：（1）采用直接匹配的天线，阅读器和阅读器天线之间保持最小距离，可以建立一个完整的小型终端系统，如手持式读卡器。（2）采用 500 匹配天线，阅读器和阅读器天线之间用长距离同轴电缆连接，同轴电缆最长可达 10m，可以建立远距离阅读器系统。以下说明手持式读卡器的设计（工作距离100mm）：设计 MFRC500 外围电路，包括 EMC 滤波器、接口电路和天线匹配电路。5.3.1 EMC（电磁兼容）
7、滤波器本系统工作频率为 13.56MHz，由石英晶体振荡器产生，同时也产生了高次谐波。为了符合国际 EMC 规定，13.56MHz 的三次、五次和高次谐波都要被良好地抑制，抑制谐波的低通滤波器由 L0 和 C0 组成，如图 48 所示。1 322 313 304 295 286 277 268 259 2410 2311 2212 2113 2014 1915 1816 17MFRC500OSCINIRGMFINMFOTUTX1TVDDTX2TVSSNCSNWRNRDDVSSD0D1OSCOUTRSTPOVMIDRXAVSSAUXAVDDA2A1A0ALED7D2D3D6D5DVDDD46图
8、48 直接匹配天线配置5.3.2 接收电路MFRC500 的内部接收部分使用了一个新的接收概念，它使用 IC 卡响应的副载波负载调制所产生的两个边带。在此建议使用内部产生的 VMID 电势作为RX 管脚的输入电势。为了减少干扰，在 VMID 管脚连接一个电容到地，读卡器的接收部分需要在 RX 和 VMID 引脚之间连接一个分压器。同时在天线线圈和分压器之间串联一个电容。接收电路由 R1、R2、C3 和 C4 组成，如图 48所示，各元件的参数要求见表 41。表 41 EMC 滤波器和接收电路元件参数值75.3.3 天线匹配电路天线匹配电路由 Cs、 Cp1、Cp2 组成，如图 48 所示。此电路的分析很复杂，其工作状态与制作工艺有关。回路品质因素常取 QL=35。当天线线圈的电感量取值不同时，Cs 、Cp1 、Cp2 的参数取值亦不同。表 42 所示为在不同的天线线圈的电感量取值时，对应的 Cs、Cp1、Cp2 的参数取值。表 42 天线匹配电路元件参数值5.4 设计举例5.4.1 阅读器发射天线模块电路原理图 49 阅读器发射天线模块电路原理图85.4.2 阅读器芯片电路原理图 410 阅读器芯片电路原理图
