浅谈载频13.56MHz非接触式IC卡接收模块设计

　　射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID），射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。 　　从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。

　　1  非接触式IC卡系统的基本组成

　　非接触式IC卡系统由读写器和IC卡组成。当读写器对卡进行读写操作时，读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，读写器发出的信号由二部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，经内部电路处理作为电源为其他电路提供工作电压；另一部分则是指令和数据信号。

　　非接触性IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。二者之间的通讯频为13.56MHZ。非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成:一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器,完成读写操作。读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通讯接口，打印口，I/O口等，以便应用于不同的领域。

　　读写器以微控制器为，分为发送和接收2个通道。发送通道由振荡器、功放、调谐电路、编码器和调制器组成；接收通道由滤波放大器、解调电路和解码器组成。

　　2  ISO14443 TYPE B

　　非接触式智能卡的工业标准ISO14443称IC卡为PICC卡，读写器为PCD。该标准规定了PICC和PCD之间的TYPEA和TYPEB二种通信传输模式。无论是A型或B型，载波频率都是13.56MHz，副载波的频率都是847kHz，射频卡和读写器之间的通信波特率都是106Kbps。Type B型读写器向卡传送信号时，编码方式是异步、NRZ编码，采用10%ASK调制方式；在卡向读写器传送信号时，则采用BPSK编码进行调制。

　　ISO/IEC14443规定了邻近卡（PICC）的物理特性；需要供给能量的场的性质与特征，以及邻近耦合设备（PCDs）和邻近卡（PICCs）之间的双向通信；卡（PICCs）进入邻近耦合设备（PCDs)时的轮寻，通信初始化阶段的字符格式，帧结构，时序信息；非接触的半双功的块传输协议并定义了激活和停止协议的步骤。

　　3  接收方案设计。

　　本设计的非接触式IC卡接收电路框图如图1所示。电路由5V电源供电，完成将卡返回的射频信号放大解调解码等工作。放大环节采用场效应管BFT 46,解码工作在单片机PIC16F877中完成，并通过RS－232与计算机相连。

　　选择PIC16F877单片机作为该接收通道的微处理器。PIC系列单片机采用了精简指令集计算机RISC和哈佛双总线以及二级指令流水线结构，具有高速度、低工作电压、低功耗等特点和优良的性价比。PIC16F877具有8KB的Flash、256B的E2PROM，足以满足程序的要求，其工作频率为13.56MHz。

　　3.1 通信电路

　　PIC单片机通过同步/异步收发器USART与计算机进行通信，通过标准RS-232串行接口进行电平变换。RS-232通信电路如图2所示。RS-232采用的是负逻辑，即逻辑“1”：- 5～-15Ｖ；逻辑“0”：+5～+15Ｖ。而CMOS电平为逻辑“1”：4.99Ｖ；逻辑“0”：0.01Ｖ。TTL电平为逻辑“1”：24V；逻辑“0”：0.4Ｖ。因此在用RS-232总线进行串行通信时需外接电路实现电平转换，在发送端用驱动器将TTL或CMOS电平转换为RS-232C电平，在接收端用接收器将RS-232C电平再转换为TTL或CMOS电平。MAX202Ｅ属于MAXIM公司的通用串行接收/发送驱动器芯片，其外围电路简单，只需外接2个1μＦ的电容即可，设置波特率为9 600bps，程序实现单片机异步接收发送功能。

　　3.2 放大锁相电路

　　天线接收信号后进行检波处理，检波电路实现包络检波，将13.56MHz的载波滤除，得到847kHz副载波调制信号。调谐放大电路为所希望的信号提供有选择的放大，而对不希望的信号提供一定程度的滤波，使信号更为干净，便于软件锁相。调谐放大处理后得到携带数字信息的正余弦信号，如图3所示。检波二极管选　用高速肖特基二极管BAS70，运放采用场效应管BFT 46。

　　单片机软件实现位同步的处理，其思想是：由单片机定时器产生相应的时钟信号，由接收信号校正该时钟信号，使之与接收的信号相位一致。实际上也就是根据数据信号的正负边沿跳变的时刻，调整本地载波输出信号的起始定时时刻。由单片机管脚检测到信号后进入中断处理，而在另一管脚输出连续相位增量为90°的3组测试信号。放大锁相电路的组成一般分为四部分：信号通道，参考通道，同步积分器和相关器。图5为中断信号处理的一种情况：通道1为原始信号，通道2为测试信号，第1个测试信号落在原始信号的0～90°相位区，所以直到第3个测试信号时才作用于原始信号得到1个脉冲，如图5中的通道3所示。

　　不同的结果送入单片机处理，即可得出测试信号与原始信号的相位差，做相应处理后输出锁相，并把该输出管脚设置为PWM模式，控制场效应管输出得到调制信号。经过解调后的码元交替时刻前后BPSK信号如图6所示，连续的8个脉冲代表数据bit0，若该时间内没有脉冲则代表数据bit1。

　　3.3 软件解码

　　采用picmate 2002 编译器，C语言编程完成信号解码。程序的主要设计思想是：捕捉同步头后读端口，设置计数器T0为4个脉冲触发，并禁止中断，计算每一条C语句汇编后占用的时钟周期，同时注意while语句，适时加减循环开始和结束的读取次数，使每操作都在8个脉冲的时间内完成。这时读取T0IF标志位，如果为1置bit为0，重新清T0IF标志位为0，继续下一步，直到完成1帧信号的读取。程序框图如图7所示。

　　4  结束语

　　本文介绍了射频识别卡接收模块的设计。该模块没有使用专用ASIC实现信号的编码和解码，编码和解码工作基本上由软件完成，有效地解决了BPSK信号相位模糊问题。该模块的硬软件调试已全部完成。