無源RFID芯片MCRF250及其防沖突讀寫器設(shè)計(jì)

    關(guān)鍵詞：RFID；MCRF250；FSK；防沖突；讀寫器

１ ＭＣＲＦ２５０簡介

ＭＣＲＦ２５０是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的非接觸可編程無源ＲＦＩＤ器件，工作頻率（載波）為１２５ｋＨｚ。該器件有兩種工作模式：初始模式（Ｎａｔｉｖｅ）和讀模式。所謂初始模式是指ＭＣＲＦ２５０具有一個(gè)未被編程的存儲(chǔ)陣列，而且能夠在非接觸編程時(shí)提供一個(gè)缺損狀態(tài)（其波特率為載波頻率的１２８分頻，調(diào)制方式為ＦＳＫ，數(shù)據(jù)碼為ＮＲＺ碼）；而讀模式是指在接觸和非接觸方式編程后的永久工作模式，在該模式下， ＭＣＲＦ２５０芯片中的配置寄存器（詳見后述）的鎖存位ＣＢ１２置１，芯片上電后，進(jìn)入防沖突數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。

    ＭＣＲＦ２５０ 的主要性能如下：

●只讀數(shù)據(jù)傳送，片內(nèi)帶有一次性可編程（ＯＴＰ）的９６位或１２８位用戶存儲(chǔ)器（支持４８位或６４位協(xié)議）。

●具有片上整流和穩(wěn)壓電路。

●低功耗。

●編碼方式：ＮＲＺ，曼徹斯特碼及差分曼徹斯特碼。

●調(diào)制方式：ＦＳＫ，ＰＳＫ，直接調(diào)制。

●封裝方式：ＰＤＩＰ，ＳＯＩＣ。

２ 工作原理

２．１ 芯片內(nèi)部電路組成

ＭＣＲＦ２５０芯片內(nèi)部電路框圖及與讀寫器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)如圖１所示。芯片的引腳ＶＡ和ＶＢ外接電感Ｌ１和電容Ｃ１構(gòu)成的諧振電路（諧振頻率為１２５ｋＨｚ， Ｌ１參考值為４．０５ｍＨ，Ｃ１參考值為３９０ｐＦ）。讀寫器（Ｒｅａｄｅｒ）側(cè)的電路諧振于１２５ｋＨｚ以用于輸出射頻能量，同時(shí)也用于接收ＭＣＲＦ２５０芯片以負(fù)載調(diào)制方式傳來的數(shù)字信號(hào)。ＭＣＲＦ２５０芯片內(nèi)部電路由射頻前端、防沖突電路及存儲(chǔ)器三部分組成。

    ２．２ 射頻前端電路

射頻前端電路用于完成芯片所有的模擬信號(hào)處理和變換功能，包括電源（工作電壓ＶＤＤ和編程電壓ＶＰＰ）、時(shí)鐘、載波中斷檢測、上電復(fù)位、負(fù)載調(diào)制等電路。此外，它還用來實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制方式的邏輯控制。

２．３ 配置寄存器

配置寄存器用于確定芯片的工作參數(shù)。配置寄存器也能以非接觸方式編程，它由制造商在生產(chǎn)中進(jìn)行編程。配置寄存器共有１２位，其功能如圖２所示。其中位１１（ＣＢ１１）總是為１。位１０（ＣＢ１０）用于設(shè)置ＰＳＫ速率，置１時(shí)速率為ｆｃ／４，置０時(shí)速率為ｆｃ／２。當(dāng)ＣＢ１２為０時(shí)，表示存儲(chǔ)陣列未被鎖定；為１時(shí)表示成功地完成了接觸編程或非接觸編程，此時(shí)芯片工作于防沖突只讀模式下。

２．４ 防沖突電路

片內(nèi)有防沖突電路，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，ＭＣＲＦ２５０可停止數(shù)據(jù)發(fā)送，并在防沖突電路的控制下，可再一次在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候傳送數(shù)據(jù)。這種功能保證了當(dāng)讀寫器射頻場中有多個(gè)ＲＦＩＤ卡時(shí)，可以逐一讀取。該防沖突措施要求讀寫器能提供載波信號(hào)中斷的時(shí)隙（Ｇａｐ）能力。

３ ＦＳＫ防沖突讀寫器的電路設(shè)計(jì)

３．１ 防沖突技術(shù)

ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４－３標(biāo)準(zhǔn)給出了ＴＹＰＥ Ａ和ＴＹＰＥ Ｂ兩種初始化和防沖突規(guī)范?１?：ＴＹＰＥ Ａ采用面向比特的防沖突幀，支持比特沖突檢測協(xié)議；ＴＹＰＥ Ｂ通過一組命令來管理防沖突過程，防沖突方案以時(shí)隙為基礎(chǔ)。

    存儲(chǔ)卡的防沖突技術(shù)目前尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，很多廠家都擁有自己的專利。對(duì)于ＭＣＲＦ２５０芯片的讀寫器設(shè)計(jì)來說，其主要特點(diǎn)是具有防沖突能力，即讀寫器應(yīng)具有提供Ｇａｐ和沖突檢測的能力。因?yàn)樽x寫器提供Ｇａｐ可保證時(shí)間上的同步，沖突檢測可采用比特（位）沖突檢測方法。

位沖突檢測可以采用幅度變化、非法編碼出現(xiàn)、位寬變化等檢測技術(shù)。但在ＲＦＩＤ中，很難確定判斷幅度迭加的門限值（閾值），因此，非法編碼判斷和位寬檢測是比較簡便的方法。

非法編碼判斷和編碼方式的相關(guān)資料可參見參考文獻(xiàn)。下面主要介紹ＮＲＺ碼和曼徹斯特碼在發(fā)生沖突時(shí)合成波形的變化情況。從圖３中可見，ＮＲＺ 碼無法判斷位０和位１的沖突，因?yàn)闆_突后的結(jié)果可認(rèn)為正常的數(shù)位１。而曼徹斯特編碼的數(shù)位１，如果以速率高一倍的ＮＲＺ碼１０來表示，其數(shù)位０則可表示為０１，其數(shù)位１和數(shù)位０沖突的結(jié)果則可表示為１１，而曼徹斯特碼中，１１是非法編碼，故而極易判斷位沖突出現(xiàn)。ＴＹＰＥ Ａ中就是采用了曼徹斯特編碼。當(dāng)然，圖３所示情況是基于位時(shí)間同步和放大限幅的環(huán)境，在ＲＦＩＤ中，這些都是可以做到的。

而位寬的變化則與調(diào)制方式有關(guān)。當(dāng)采用ＮＲＺ碼ＦＳＫ調(diào)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)位０和位１碰撞時(shí)，其合成波形的位寬有了比較明顯的變化，圖４所示是其碰撞情況時(shí)序圖，圖中數(shù)位０為ｆｃ／８，數(shù)位１為ｆｃ／１０。

    從圖４可以看到，經(jīng)過濾波放大整形電路后，若數(shù)位１和數(shù)位０產(chǎn)生碰撞，則碰撞沖突后的波形將出現(xiàn)７ＴＣ和１２ＴＣ寬的脈沖，而正常情況下０的ＦＳＫ脈寬為４ＴＣ，１的ＦＳＫ脈寬為５ＴＣ，因此用計(jì)數(shù)器進(jìn)行位寬檢測，判別是否出現(xiàn)大于５ＴＣ的脈寬，就可以判斷是否出現(xiàn)了沖突。

３．２ ＦＳＫ防沖突讀寫器設(shè)計(jì)

讀寫器組成框圖如圖５所示。它由晶體振蕩器（４ＭＨｚ）、分頻器、功率放大器、Ｇａｐ產(chǎn)生電路、包絡(luò)檢波、放大濾波整形電路、ＦＳＫ解調(diào)電路、沖突檢測電路和微控制器組成。下面主要介紹防沖突流程及沖突檢測電路。

    ＭＣＲＦ２５０的防沖突流程圖如圖６所示。讀寫器開始送出Ｇａｐ，其時(shí)間間隔（載波缺損時(shí)間）為６０μｓ（誤差不大于２０％）。然后等待５個(gè)位寬時(shí)間，檢測有無調(diào)制信號(hào)出現(xiàn)，若有調(diào)制信號(hào)出現(xiàn)，再判斷是否發(fā)生沖突。如果無沖突出現(xiàn)，則讀完該ＭＣＲＦ２５０芯片數(shù)據(jù)后，再按規(guī)定形成一個(gè)新的Ｇａｐ，以進(jìn)行下一次讀取。

流程中的主要工作由微控制器程序?qū)崿F(xiàn)。對(duì)于功率放大器電路，特別是Ｄ類功率放大器，由微控制器程序產(chǎn)生Ｇａｐ，是很容易實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)圖４所示的時(shí)序圖，設(shè)計(jì)的沖突檢測電路如圖７所示。

放大濾波整形電路輸出的ＦＳＫ信號(hào)首先加至觸發(fā)器Ｄ１（７４ＨＣ７４），觸發(fā)器Ｄ１將于ＦＳＫ信號(hào)的上升沿在Ｑ端產(chǎn)生一個(gè)上跳變，但因 Ｑ端和ＣＬ端連接，它會(huì)很快又回至低電平，即在Ｑ端形成一個(gè)窄脈沖來觸發(fā)一個(gè)單穩(wěn)電路，該單穩(wěn)電路的輸出作為“有調(diào)制出現(xiàn)”信號(hào)加至微控制器（ＭＣＵ）。此外，該脈沖同時(shí)還可加至ＦＳＫ解調(diào)器使ＦＳＫ解調(diào)器工作?同時(shí)，輸出ＮＲＺ碼數(shù)據(jù)。

沖突檢測電路由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器４０１７和單穩(wěn)電路組成。４０１７的 Ｒｅｓｅｔ端接至觸發(fā)器Ｄ１的Ｑ端，觸發(fā)器Ｄ１的Ｑ端輸出用于復(fù)位４０１７并使其開始計(jì)數(shù)。從圖４可知，如果產(chǎn)生位碰撞，就會(huì)出現(xiàn)７ＴＣ和１２ＴＣ的脈寬，因此將ＦＳＫ信號(hào)加至４０１７的ＣＬＫｅｎ端，該端為低時(shí)，對(duì)１２５ｋＨｚ時(shí)鐘計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到７時(shí)，Ｑ７端由低變高，觸發(fā)單穩(wěn)電路，單穩(wěn)電路產(chǎn)生跳變（此即沖突出現(xiàn)信號(hào)），并告知ＭＣＵ發(fā)生了沖突。在正常ＦＳＫ信號(hào)情況下，ＦＳＫ脈寬為４ＴＣ和５ＴＣ，因此Ｑ７腳不會(huì)變高，即無位碰撞出現(xiàn)。該電路可實(shí)現(xiàn)位沖突檢測。ＭＣＵ輸出的控制信號(hào)用于設(shè)置圖７電路的初始狀態(tài)。

４ 結(jié)束語

防沖突技術(shù)是ＲＦＩＤ中的一項(xiàng)重要技術(shù)，不同的芯片所采用的措施和方法會(huì)有所差異，因而需要仔細(xì)地進(jìn)行分析和研究。