基于NFC通用讀卡器電路設(shè)計(jì)

在當(dāng)前的許多RFID應(yīng)用中，設(shè)備制造商不一定能決定客戶采用什么收發(fā)器，特別是收發(fā)器芯片。因此，為了最大程度地提高自己在某個特定項(xiàng)目中中標(biāo)的機(jī)會，設(shè)備制造商必須提供這樣的讀卡器，要么它能支持市場上盡可能多的收發(fā)器芯片，要么它本身至少是比較容易定制的。了要求其能支持一系列協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和收發(fā)器外，客戶對讀卡器可能還有其它功能性方面的要求，如高性能、防沖突、遠(yuǎn)/近感應(yīng)距離、移動性及功耗。但在單個讀卡器中很難同時滿足如此之多的要求。為了滿足所有這些要求，制造商可能需要提供一系列可滿足不同要求的讀卡器。

EM4094是一個集成的收發(fā)器芯片，它可用于構(gòu)建RFID讀卡器的模擬前端模塊。該芯片的數(shù)據(jù)傳輸及接收鏈路允許傳送和解碼任何通信協(xié)議，因此EM4094支持所有EM公司的13.56MHz收發(fā)器芯片、ISO15693、ISO14443 A&B、以及Sony Felica協(xié)議。通過適當(dāng)設(shè)定，EM4094甚至還可以與NFC設(shè)備通訊。本文將通過一系列的步驟說明一個硬件工程師應(yīng)該怎樣集成和利用EM4094 RFID讀卡器電路。

典型的應(yīng)用電路配置。

讀卡器結(jié)構(gòu)

基本上，模擬前端模塊為RFID讀卡器組成部分之一，它負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼/譯碼，并以適當(dāng)功率驅(qū)動RFID讀卡器天線。模擬前端模塊本身由微控制器驅(qū)動。該微控制器負(fù)責(zé)管理不同協(xié)議的幀譯碼任務(wù)，以及與PC或其它后臺控制設(shè)備的通信接口(串行接口、USB接口或以太網(wǎng)接口)。一些IC供應(yīng)商提供集成了模擬前端和微控制器的芯片。在很多情況下，微控制器或集成的存儲器空間不是超出需求就是不夠用，而獨(dú)立的模塊允許制造商選擇最適合其設(shè)計(jì)要求的微控制器和存儲器容量，當(dāng)然，制造商將依據(jù)期望的功能水平、讀取范圍和功率要求等因素做出決定。由于現(xiàn)在已有像EM4094這樣的可提供完整靈活性的芯片，因此下面我們將討論如何在一個實(shí)際的讀卡器中集成這一讀卡器芯片。圖1所示為典型的應(yīng)用電路配置。

電源設(shè)計(jì)

首先，我們簡要討論一下EM4094的電源設(shè)計(jì)。該芯片有三個不同的電源引腳，其中的VDDA1和VDDA2用于給內(nèi)部的天線驅(qū)動器ANT1和ANT2供電。每個驅(qū)動器可獨(dú)立受電。由于這兩個驅(qū)動器可能產(chǎn)生或同步較大的電流，因此建議在VDDA1和VDDA2兩引腳之間接入一個3.3μF的電容以給天線提供足夠的能量。另外，我們還建議在該電容邊上并聯(lián)兩個電容值分別為1nF和100nF的電容，以對電源進(jìn)行去耦和濾波。

第三個電源引腳VDD用于給所有其它的內(nèi)部模塊供電。在這條電源線上，工程師將不得不為了上面提到的同樣原因接入兩個電容值分別為1nF和100nF的濾波電容，它們最好采用由COG和X7R等介電材料制成的陶瓷電容，因此類電容的容差小和溫度穩(wěn)定性較高。這里很重要的一點(diǎn)是，應(yīng)對這三條電源線施加相同的電壓(3.3V或5V)。這些電源線還應(yīng)當(dāng)與模擬地相連。

天線驅(qū)動器輸出

ANT1 和ANT2為天線驅(qū)動器的兩個輸出端，它們可同相或反相驅(qū)動，這使得有可能用不同的方式連接讀卡器天線，以及依據(jù)所選擇結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生四個不同功率等級的天線。EM4094還可與一個遠(yuǎn)端天線一起使用，此時EM4094的輸出阻抗(見圖3)必須與通信線路阻抗相匹配。

阻抗匹配電路。

若采用同軸電纜，那么在只使用一個天線驅(qū)動器的情況下，EM4094的輸出阻抗將必須在10歐姆(ANT1可選)和50歐姆之間進(jìn)行調(diào)整;當(dāng)兩個天線并聯(lián)使用時，EM4094的輸出阻抗將必須在5歐姆(ANT1可遷)到50歐姆之間進(jìn)行調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)一個良好的阻抗匹配，開發(fā)人員可借助Smith圖表選擇使用一個LC PI網(wǎng)絡(luò)和選擇合適的元件參數(shù)值。

如果讀卡器天線能夠與EM4094集成在同一塊PCB板上，那么你可使用直接天線相連方法(見圖2)。在這種情況下，天線和串聯(lián)電容形成LC串聯(lián)回路。這一回路的諧振頻率為讀卡器的頻率。串聯(lián)電阻用于抑制品質(zhì)因數(shù)并將天線的電流設(shè)定在EM4094的額定值以下。當(dāng)天線工作在其諧振頻率時，直接連接天線可獲得較高的功率。有關(guān)IC天線的不同連接方式可參見EM4094應(yīng)用指南。

直接天線連接

收發(fā)器信號接收

RFIN1 和RFIN2是該IC接收鏈上的兩個輸入引腳，它們被EM4094用來解調(diào)收發(fā)器送過來的數(shù)據(jù)流，其引腳 上的電壓必須設(shè)定在GND和VDD之間，這兩個解調(diào)輸入必須具有相同的性能和呈現(xiàn)出相同的靈敏度。配合一個外部匹配阻抗電路，這兩個輸入端可用于解調(diào)輸入的相位或幅度調(diào)制信號。未使用的輸入腳應(yīng)當(dāng)通過一個10nF的電容接至模擬地。輸入引腳的高靈敏度使得讀卡器即便在電子標(biāo)簽的最小電源級別上仍能有較遠(yuǎn)的讀取距離。

安全功能

當(dāng)前的許多RFID應(yīng)用都采用加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或?qū)ι矸葸M(jìn)行證明。有些加密算法是公開的，有些則不對外公開。有些供應(yīng)商在源代碼或目標(biāo)代碼、或其它獨(dú)立的安全元件(如SIM卡)中提供他們獨(dú)特的加密算法。當(dāng)然，多種可選方案使得設(shè)計(jì)可十分靈活。你可以在一個傳統(tǒng)的微控制器或一個安全的控制器中實(shí)現(xiàn)一個或多個算法，另外一個選擇是用一個負(fù)責(zé)安全操作的獨(dú)立元件來構(gòu)建一個接口。將這兩種方案混合運(yùn)用當(dāng)然也是可以的。EM通過SIM卡提供其專有加密算法。