基于NFC通用讀卡器電路設計 —電路圖天天讀（42）

　　在當前的許多RFID應用中，設備制造商不一定能決定客戶(hù)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(gè)特定項目中中標的機會(huì )，設備制造商必須提供這樣的讀卡器，要么它能支持市場(chǎng)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、標準和收發(fā)器外，客戶(hù)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/近感應距離、移動(dòng)性及功耗。但在單個(gè)讀卡器中很難同時(shí)滿(mǎn)足如此之多的要求。為了滿(mǎn)足所有這些要求，制造商可能需要提供一系列可滿(mǎn)足不同要求的讀卡器。

　　EM4094是一個(gè)集成的收發(fā)器芯片，它可用于構建RFID讀卡器的模擬前端模塊。該芯片的數據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 AB、以及Sony Felica協(xié)議。通過(guò)適當設定，EM4094甚至還可以與NFC設備通訊。本文將通過(guò)一系列的步驟說(shuō)明一個(gè)硬件工程師應該怎樣集成和利用EM4094 RFID讀卡器電路。

　　圖1：典型的應用電路配置。

　　讀卡器結構

　　基本上，模擬前端模塊為RFID讀卡器組成部分之一，它負責對數據進(jìn)行編碼/譯碼，并以適當功率驅動(dòng)RFID讀卡器天線(xiàn)。模擬前端模塊本身由微控制器驅動(dòng)。該微控制器負責管理不同協(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，而獨立的模塊允許制造商選擇最適合其設計要求的微控制器和存儲器容量，當然，制造商將依據期望的功能水平、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(gè)實(shí)際的讀卡器中集成這一讀卡器芯片。圖1所示為典型的應用電路配置。

　　電源設計

　　首先，我們簡(jiǎn)要討論一下EM4094的電源設計。該芯片有三個(gè)不同的電源引腳，其中的VDDA1和VDDA2用于給內部的天線(xiàn)驅動(dòng)器ANT1和ANT2供電。每個(gè)驅動(dòng)器可獨立受電。由于這兩個(gè)驅動(dòng)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(gè)3.3μF的電容以給天線(xiàn)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(gè)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(gè)電源引腳VDD用于給所有其它的內部模塊供電。在這條電源線(xiàn)上，工程師將不得不為了上面提到的同樣原因接入兩個(gè)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(lèi)電容的容差小和溫度穩定性較高。這里很重要的一點(diǎn)是，應對這三條電源線(xiàn)施加相同的電壓（3.3V或5V）。這些電源線(xiàn)還應當與模擬地相連。

　　天線(xiàn)驅動(dòng)器輸出

　　ANT1 和ANT2為天線(xiàn)驅動(dòng)器的兩個(gè)輸出端，它們可同相或反相驅動(dòng)，這使得有可能用不同的方式連接讀卡器天線(xiàn)，以及依據所選擇結構的不同產(chǎn)生四個(gè)不同功率等級的天線(xiàn)。EM4094還可與一個(gè)遠端天線(xiàn)一起使用，此時(shí)EM4094的輸出阻抗（見(jiàn)圖3）必須與通信線(xiàn)路阻抗相匹配。

　　圖3：阻抗匹配電路。

　　若采用同軸電纜，那么在只使用一個(gè)天線(xiàn)驅動(dòng)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)行調整；當兩個(gè)天線(xiàn)并聯(lián)使用時(shí)，EM4094的輸出阻抗將必須在5歐姆（ANT1可遷）到50歐姆之間進(jìn)行調整。為了實(shí)現一個(gè)良好的阻抗匹配，開(kāi)發(fā)人員可借助Smith圖表選擇使用一個(gè)LC PI網(wǎng)絡(luò )和選擇合適的元件參數值。

　　如果讀卡器天線(xiàn)能夠與EM4094集成在同一塊PCB板上，那么你可使用直接天線(xiàn)相連方法（見(jiàn)圖2）。在這種情況下，天線(xiàn)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)因數并將天線(xiàn)的電流設定在EM4094的額定值以下。當天線(xiàn)工作在其諧振頻率時(shí)，直接連接天線(xiàn)可獲得較高的功率。有關(guān)IC天線(xiàn)的不同連接方式可參見(jiàn)EM4094應用指南。

　　圖2：直接天線(xiàn)連接。

　　收發(fā)器信號接收

　　RFIN1 和RFIN2是該IC接收鏈上的兩個(gè)輸入引腳，它們被EM4094用來(lái)解調收發(fā)器送過(guò)來(lái)的數據流，其引腳 上的電壓必須設定在GND和VDD之間，這兩個(gè)解調輸入必須具有相同的性能和呈現出相同的靈敏度。配合一個(gè)外部匹配阻抗電路，這兩個(gè)輸入端可用于解調輸入的相位或幅度調制信號。未使用的輸入腳應當通過(guò)一個(gè)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簽的最小電源級別上仍能有較遠的讀取距離。

　　安全功能

　　當前的許多RFID應用都采用加密算法對數據進(jìn)行加密或對身份進(jìn)行證明。有些加密算法是公開(kāi)的，有些則不對外公開(kāi)。有些供應商在源代碼或目標代碼、或其它獨立的安全元件（如SIM卡）中提供他們獨特的加密算法。當然，多種可選方案使得設計可十分靈活。你可以在一個(gè)傳統的微控制器或一個(gè)安全的控制器中實(shí)現一個(gè)或多個(gè)算法，另外一個(gè)選擇是用一個(gè)負責安全操作的獨立元件來(lái)構建一個(gè)接口。將這兩種方案混合運用當然也是可以的。EM通過(guò)SIM卡提供其專(zhuān)有加密算法。

電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點(diǎn)評分析：

　　通過(guò)以上解說(shuō)可知構建一個(gè)定制RFID讀卡器并非難事。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化RFID讀卡器的開(kāi)發(fā)，EM Microelectronic公司現已基于EM4094設計和實(shí)現了一個(gè)演示版的RFID讀卡器。這一設備的主要目的是用作參考設計和演示工具。該演示版讀卡器及相應的固件支持ISO14443 Type A和B、Sony Felica及ISO15693標準的全部強制命令，并支持EM 13.56MHz收發(fā)器IC的全部指令集。由于用戶(hù)與電子標簽之間的通信硬件已在源代碼中實(shí)現，因此開(kāi)發(fā)商可直接在現有的基礎上開(kāi)發(fā)其應用層，這將使讀卡器的開(kāi)發(fā)時(shí)間降到最小，若有任何疑惑還望讀者指出。

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