基于ISO14443A协议的RFID芯片模拟前端设计

基于ISO14443A协议的

RFID芯片模拟前端设计

作者：郭海东 林平分 来源：现代电子技术 2011-12-21 09:12:53

摘要：实现基于ISO14443A协议的13.56 MHz RFID芯片的设计，并在SMIC 0.18 μm工艺下流片，芯片测试结果良好。RFID芯片模拟前端部分在AC—DC电源产生部分采用了新的结构，不需要引入LDO就可以产生稳定的电源。在数据接收部分采用了新结构，可以抵御工艺偏差引起的器件参数的变化。在数据发送部分，从系统上作了优化，使模拟部分的电路变得简单可靠。整个模拟部分的电流小于100μA.

关键词：射频识别；整流器；限幅器；调制器；解调器

引言

RFID（射频识别）被广泛地应用在人们的日常生活中，如门禁、市民卡、机场、物流等领域。RFID芯片的需求量与日俱增，给低功耗、小面积的芯片设计带来了挑战。低功耗、小面积、低成本的RFID芯片在激烈的市场竞争中更有优势。本文给出的RFID芯片设计，从整个系统上对数字部分电路的功耗作了优化，并且对模拟电路部分作了一些改进，减小了芯片功耗和面积，从而降低了成本。该RFID芯片于2010年6月在SMIC 0.18 μm工艺下流片，工作情况良好。

1 RFID系统结构

图1为RFID系统结构框图。整个RFID系统包括读卡器、RFID芯片和耦合线圈。卡与读卡器通信过程中的能量和数据通过线圈耦合，当二者无数据交互时，读卡器向空间中发送13.56 MHz的正弦载波信号。卡靠近读卡器时，片外线圈会耦合空间中的磁场为RFID芯片提供能量，使模拟前端和其他部分上电，准备交互。RFID芯片接收到的数据是100％的幅度调制，采用改进型的曼彻斯特编码。RFID发送到读卡器的数据也采用幅度调制。

2 模拟前端结构

图2为模拟前端的结构框图，L为片外电感，C为片内电容，LC谐振在13.56 MHz.RFID读卡器通过线圈发送能量和数据，LC谐振回路接收读卡器发出的信号，并通过模拟前端电路提取出电源和数据，提供给整个芯片，以使卡与读卡器进行交互。

当RFID靠近读卡器时，整流器产生的电源电压被LC谐振电路提高，当电压提高的一定值时，限幅器工作，使电源电压被箝位并稳定在设定的值上，给其他模拟模块和数字部分供电。上电复位电路（POR）工作，给出复位信号，使数字部分复位。读卡器发出的数据是载波为13.56MHz数据率为106 kb／s的100％幅度调制信号，通过解调器解调提供给数字部分处理。RFID通过调制器向读卡器发出载波为13.56 MHz数据率为847 kb／s的幅度调制信号。

3 模拟前端电路设计

3.1 电源产生

图3为电源产生电路，由整流器和限幅器组成。当卡与读卡器无数据交互时，读卡器向空间中发射13.56MHz的正弦交变电磁场。图3中L为片外电感，C为片内电容，LC匹配的谐振频率为13.56 MHz，C1为稳压储能电容。当卡由远及近靠近读卡器时，LC发生谐振，RF1和RF2上的电压被谐振电路抬高，整流器开始工作，将正弦交变电压转化为直流电压VDD.当空间中电磁场强度很弱时，VDD 电压值较低，不能给芯片供电。随着卡靠近读卡器，LC耦合得到的能量变强，VDD升高到芯片工作所需要的额定电压，芯片开始工作。但是，若卡继续靠近读卡器，VDD会继续上升，上升到超过MOS的击穿电压时芯片内的器件会被烧坏而失效。所以，需要引入限幅器，使VDD稳定在芯片工作的额定电压，这里设定的是2V.

限幅器的设计需要满足两点要求：第一，可精确调节；第二，高增益。正常情况下读卡器提供的能量大于其正常工作需要的能量，多余的能量需要限幅器泄放掉。随着卡靠近读卡器，RF1和RF2的电压升高，VDD和Vdect跟随RF1、RF2上升，当：

VDD≈V_dect=3Vthp+VREF （1）

此时，M61、M62、M63组成的支路导通，M51的尺寸远大于M52的尺寸，二者构成的反相器翻转阈值为V_dect—Vthp，当M61所在支路导通时，M51和M52构成的反相器翻转，X输出高电压，使M7打开，RF1和RF2通过M31、M32泄流，从而电压VDD被箝位稳定在式（1）所示的值上。反相器高增益使限幅器的灵敏度提高，当VDD恰好达到式（1）时，限幅器就开始泄流稳压，使VDD不随读卡器能量的变化而变化，以及不随负载的变化而变化。高增益的限幅器可以看作理想的稳压二极管。由式（1）可知，只需调节VREF即可得到精确的想要的VDD，例如Vthp=0.4 V，需要VDD=2 V，只需设定VREF=0.8 V即可。此处设计的限幅器可以看作电压可精确调节的理想稳压二极管。

3.2 数据接收

图4为数据接收电路，即解调电路。读卡器向卡发送的数据是载波为13.56 MHz、数据率为106 kb／s的100％的幅度调制信号，波形可以看作106 kHz的方波与13.56 MHz的正弦波的乘积。数据解调的原理是：当RF1电压为正弦波时（即有效数据1部分），电压信号由D0、I0、C1、C2构成的包络检波整形。在A点得到直流电压为VREF6并带有一定纹波的电压信号，纹波的大小由C1、C2、I0的大小决定。选取REF6=0.6 V，VREF3=0.3 V，比较器输出高电压。当RF1

电压由正弦变为0（有效数据0部分）时，由于A点信号反应速度高于放大器带宽，包络检波的A点电压迅速降低，使VA

由于工艺与温度的偏差，导致I0、C1、C2的值发生变化，A点的纹波大小会发生变化。在RF1为正弦波，也就是数据为1的时候，若A点的纹波大于2（VREF6～VREF3），数据解调将发生错误。比较器在有效数据为1时应输出高电压，但是由于A点电压纹波过大导致比较器输出在数据为1输出13.56 MHz的方波，解调失败。可以通过提高VREF6的值，从而提高A点纹波的容忍度，来解决这个问题。但是若A点电压过高，使A点反应速度低于放大器带宽，数据由1

变为0时，A点不能迅速作出反应，产生低电压，所以不能解调出数据0.所以VREF6的值的选取需要适中，最好可以由系统动态配置。

3.3 数据发送

图5为数据发送电路，即调制电路。卡发送到读卡器的是载波为13.56MHz，数据率为847kb／s的幅度调制信号。此电路的原理是采用负载调制的方法达到协议要求的幅度调制的目的。当不需要发送数据时，数据线为0，RF1、RF2为13.56MHz的载波。需要发送数据时，数据线为847 kHz米勒编码的方波。当数据为0时，RF1、RF2上的正弦电压幅值较大。当数据为1时，M1打开，将RF1、RF2上的电压拉低，即RF1、RF2上正弦信号的幅值变低，数据的变化会导致RF1、RF2上载波幅值变化，从而完成数据的发送。

卡向读卡器发送数据时，系统上作出了优化，使模拟电路的设计变得简单可靠。当发送数据1时，由线圈耦合过来的能量大部分由M1释放，从而导致用于芯片正常工作的能量变少，使芯片不能正常工作，交互失败。所以，当向外发送数据时，软件使芯片内部嵌入的8051处理器进入休眠模式，降低整个芯片的功耗，从而使芯片安全渡过电源不足的阶段。

4 仿真与测试

图6为仿真结果，卡与读卡器的交互分为3个阶段：

①二者无数据交互，此时卡开始上电或者处理接收到的数据，此时电源电压稳定；

②接收数据，线圈发出的上是100％的幅度调制信号，DATA_IN为解调后的数据；

③发送数据，卡产生的DATA_OUT是847 kHz的方波，对线圈上的电压进行负载调制，调制后线圈上的电压信号是幅度调制信号，这些信号会被读卡器耦合并解调。

在整个交互过程中电源电压保持稳定。测试结果与仿真结果基本一致。

结语

本文讨论了RFID芯片模拟前端的实现方法，在电源产生、数据收发方面采用了新技术，并且从整个系统上作了优化，简化了模拟前端的设计，使整个系统更可靠。该芯片已通过小额支付与门禁系统的实验室测试，其对恶劣外界干扰的抵御能力需要进一步测试与改进。

传感器前端模拟设计

那些有传感器信号路径设计需求的客户发现自己正处在十字路口，他们有两条路可以选择，一条简单，一条困难。目前，客户们大多利用传统的模拟手段来解决信号路径问题，但这通常需要数周甚至数月的设计时间。在初始方案设计完成之后，客户一般还需进行测试和调试，而这又要花费数周的时间。通常，在完成该设计流程后，客户还需编写自己的系统算法，希望借此令其产品在市场中脱颖而出。应对信号路径挑战的解决方案之一就是传感器模拟前端电路（Sensor AFE）。 并不是说传感器模拟前端电路（Sensor AFE）意在解决所有传感器的信号路径设计需求，发明一种器件能满足所有传感器的需求显然是不现实的，这样的器件必然会在满足传感器的特殊应用需求上有所折扣。例如，收发器温度收发器常用于工业领域，在1～20mA回路终端，因此需要功耗极低的解决方案。为此相对而言，带宽、速率和噪声等就不是其关键性的性能参数。适合该领域的解决方案需要1～200s/s间的可变采样速率，7μVrms的噪声水平，以及不大于4mA的消耗电流。而如果是需要快速测量出运动物体重量的电子秤，则需要采样速率高达4000s/s。同样，当电子秤的输入动态范围越大时，它需要的噪声水平也就越低，最低可至15nVrms。美国国家半导体的传感器模拟前端电路将传感器信号路径市场细分为一系列传感器应用。对于温度传感器或电子秤等特殊的传感器应用，传感器模拟前端电路是其最优化的解决方案。 图1 LMP90100传感收发器模拟前端电路 传感器模拟前端电路满足了传感器信号路径所需的技术规格要求，此外，还可通过串行外设接口（SPI）或I2C总线进行编程。其可编程特性，令其能在最大程度上满足特定的传感器应用需求。例如，当某场合需要使用热电偶获得更大的温度范围时，更大的温度范围将意味着输出电压会随着测量温度的不同而变化很大。此时，如果能够动态调整信号路径增益对系统设计者而言很有意义。LMP90100即可实现此功能，它适用于高精度、低功耗的传感收发器应用。LMP90100内置用户可编程的增益放大器，其增益范围从1x到128x。当系统设计者选择更高增益时，则可更好地利用集成的24位ΣΔ模数转换器（ADC）的输入动态范围，从而提高系统整体性能和精度。此外，LMP90100传感器模拟前端电路的输入配置是可编程的。例如，一些不同类型的温度传感器的配置要求不同，为满足这一需求，LMP90100等传感器模拟前端电路具有完全可编程的输入多路复用器（MUX），允许对8个可用输入引脚随意配置。LMP90100的其他可编程特性包括可编程电流源、多个电压参考选项以及可调的采样率。 图2 LMP90100的3线RTD配置 除软件可编程外，传感器模拟前端电路产品还可以对传感器的“健康状况”进行诊断，这对于传感器与负责监控的中央控制器相隔数百甚至数千米的应用场合非常有用。例如，在食品加工厂等应用中，必须保证某些工艺环节是在特定温度或压力水平下进行的，以保证产品质量。中央控制器需要周期性地监控传感器的“健康状况”，以确保它们收集的信息是正确的。借助LMP90100，电流源即可提供所需的传感器诊断功能。当传感器故障开路时，电流源就会使输入节点浮动到正的电源轨，示意出开路故障。当传感器短路

工业控制系统PLC前端模拟数据采集模块

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图2 ISO AD 04A 四通道隔离型AD 数据采集模块产品原理框图 产品特点 ● 低成本、小体积模块化设计方便桌面或导轨安装使用 ● 可直接根据现场数据采集显示结果进行监控 典型应用 ● 模拟量 4-20mA/0-10V 采集隔离及变送 ● 各输入信号通道之间全隔离，隔离电压3000VDC ● 数据采集隔离转换成RS485/232支持Modbus RTU 通讯协议 ● 测量精度优于0.05%，可以程控校准模块精度 ● 信号输入 / 输出之间隔离耐压3000VDC ● 宽电源供电范围：8 — 50VDC ● 可靠性高，编程方便，易于安装和布线 ● 用户可编程设置目标模块地址、波特率等 ● 工业设备运行测量、监视和远程控制 ● 智能楼宇控制、安防工程等自动化系统监控 ● RS232/485总线工业自动化系统远程监测 ● 传感器信号隔离转换及长线传输 ● 模拟信号A/D 转换、调整及远程变送 ● 工业现场多路运行数据的获取与记录 ● 医疗、工控产品开发

PLC、DCS系统前端信号采集多路模拟数据AD转换模块

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