125KHz非接触式IC卡原理与应用
第一部分：基本知识
一、简介
IC卡（Integrated Circuit Card）经过20多年的发展，已广泛应用于金融、电信、保险、商业、国防、公共事业等领域。IC卡按外部接口设备的连接方式可分为接触式IC卡和非接触式IC卡（又称射频卡，RFID）两类。接触式IC卡，就是IC卡与外界进行数据通讯时，芯片的电极触点必须与IC卡读写设备直接连接；非接触式IC卡在使用时则无须与IC卡读写器设备直接连接，而是通过无线电波或电磁感应的方式实现与IC卡读写设备的数据通讯。在刷卡速度要求高，用卡环境恶劣，污染严重等环境下，非接触式IC卡有着它特有的优势。
非接触式IC卡成功地解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破，由于其高度安全保密、通信速率高、使用方便、成本日渐低廉等特点而得到广泛使用，主要应用于智能门禁控制、智能门锁、考勤机以及自动收费系统等。
射频卡与接触式IC卡相比有以下优点：
? 可靠性高，无机械接触，从而避免了各种故障；
? 操作方便，快捷，使用时没有方向性，各方向操作；
? 安全和保密性能好，采用双向验证机制。读写器验证IC卡的合法性，同时IC卡验
证读写器的合法性。每张卡均有唯一的序列号。制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改，因此可以说世界上没有两张完全相同的非接触IC卡。 射频卡根据使用频段的不同可分为低频卡和高频卡、超高频卡：
? 低频卡与读写器间通信使用的频段为低频段, 常用频点有125kHz、134kHz； ? 高频卡、超高频卡与读写器间通信使用的频段为高频段, 如13.56MHz、915MHz、
2.45GHz等。
按工作距离的不同也可分为近距离卡和远距离卡：
? 近距离卡与读写器之间的有效作用距离为几厘米到几十厘米以内； ? 远距离卡与读写器之间的有效作用距离可达一到十几米以上。
按操作类型又可分为：低/高频只读型、低/高频无加密读写型、低/高频可加密读写型、多扇区独立加密应用型以及用户自定义分区应用型等。
目前，世界上较有影响、规模较大的RFID生产厂商很多，常用的标签芯片有飞利浦(Philips)公司的Mifare 1 S50/S70、UtraLight IC U10、DESFire MF3 IC D40、I·CODE 1/2、Hitag 1/2/s；德州仪器(TI)公司的 TI_256/2048；爱特梅尔（AtmeL）公司的T5557、e5551；瑞士微电子(μEM)公司的EM41xx系列、EM4034、4035、4069、4135、4150、4450等；意法半导体（ST）公司的SR176、SRIX4K；英赛德（INSIDE）公司的PICOPASS 2K/16K/32K；台湾公司的TK41等等。另外还有瑞士Legic公司、德国英飞凌（Infineon）公司、西门子(Sieme)公司等，都有性能不错的RFID芯片供应市场。
二、RFID系统构成
一个最基本的RFID系统如图1所示，一般包括以下几个部份：
1、RFID卡：RFID卡（标签）作为信息载体，存有目标物所有的相关信息以及与读头之间的交互加密认证信息等。
2、RFID读写器：读写器一般由微处理器（MCU）、RFID基站芯片以及天线三部分构成，它是整个RFID系统的主体，负责读取和写入RFID卡内的信息。
3、上位机（PC机）：上位机系统一般用来与读写器进行通信，使得人机之间的交互更加直观和人性化，同时可以利用PC机丰富的接口资源和强大的存储、处理能力，对读写器进行网络接入、远程控制等操作。
RFID读写器基站芯片卡(标签)天线上位机控制器本地振荡器编码器调制器解调器发射器接收器RF接口时钟复位数据PC机USB/RS232MCU存取控制解码器EEPROM
图1 典型的RFID系统构成
RFID系统以半双工方式在读写器与RFID卡之间双向传递读、写数据。在进行寻卡时, 读写器通过天线向RFID卡片发送已编码的电磁波。进入读写器工作区域的RFID卡接收到此脉冲信号，获取能量，芯片中的射频接口模块由此获得电源电压、复位信号、时钟信号等，同时芯片中有关电路对此信号进行调制、解码、解密, 然后对命令请求、密码认证、操作权限等进行判断。若为允许读命令, 控制逻辑电路则从EEPROM中读取有关信息，经加密、编码、调制后由卡内天线回送给读写器。读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至控制器处理。若为允许修改信息的写命令，相关控制逻辑对EEPROM 中的内容进行改写。若经判断其对应的密码认证或权限不符，则返回出错信息，同时禁止任何进一步的非法读写操作。
三、RFID常用的几种编码格式
图2所示为几种RDID系统中常用的编码格式：
数据时钟ACMCBC10111001
图2 125KHz RFID系统中常用的几种编码格式
抗碰撞码（AC）主要应用在Philips公司的Hitag-s等卡中，为了防止处于同一读写器电磁场范围内的多个卡所发出信号发生碰撞而导致误码，在卡的初始化阶段采用此编码格式。由于数据“1”和数据“0”的频率不同，因而可以较容易区分。
Bi-phase码（BC）全称为双相间隔码编码，其原理是在一个码元周期内采用电平变化来表征数据。如果电平从码元的起始处翻转，表示数据“1”，如果电平除了在码元的起始处翻转，还在码元中间翻转则表示数据“0”，如图2中所示。
图3 曼彻斯特编码中的空跳边沿
曼彻斯特编码（MC）采用上升沿对应数据“0”，下降沿对应数据“1”，微控制器通过检测读卡器输出数据码元的跳变来实现对曼彻斯特码的译码。应注意的是，在连续“0”或“1”出现时，会出现不表征数据的空跳沿，如图3所示。
除了上述三种编码外，在RFID系统中，二进制（BIN）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等编码也很常见，其中曼彻斯特编码的应用最为广泛，几乎所有RFID卡片都支持此编码格式。
第二部分：基站芯片
125KHz RFID的基站读写芯片有很多种，本文对EM4095、HTRC110以及U2270B进行简单的介绍。
一、EM4095
EM4095（原称P4095）是瑞士微电子（μEM）公司生产的一款125KHz RFID基站芯片。该芯片集成相位同步逻辑系统，可以得到与线圈谐振频率相同的载波频率，不需外部晶振，载波频率为100到150kHz，支持多种IC卡传输协议，如EM400X，EM4050、EM4150、EM4070、EM4069等,封装形式为SO16。EM4095一般与天线和微处理器一起使用，仅需很少的外围器件进行DC和RF滤波、感应和电源去耦即可正常工作。
EM4095的管脚图与管脚功能定义分别见图4和表1。
表1 EM4095管脚功能定义
管脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 符 号 VSS RDY/CLK ANT1 DVDD DVSS ANT2 VDD DEMOD_IN CDEC_OUT CDEC_IN 功 能 电源地 就绪标志和时钟输出 天线驱动 天线驱动器电源 天线驱动器电源地 天线驱动 电源 天线感应信号输入 DC模块电容输出 DC模块电容输入 图4 EM4095管脚图
11 AGND 模拟地 EM4095器件的工作受控于逻辑输入SHD和
12 MOD 调制输入端 MOD。
13 DEMOD_OUT 解调信号输出端 当SHD=1时，EM4095处于休眠状态，功耗
14 SHD 睡眠模式使能端 降为最小；在上电时，SHD应为1以实现正确的
15 FCAP PLL环路滤波电容 初始化。当SHD=0时，允许电路发射射频信号，
16 DC2 DC模块去耦电容 开启解调和AM调制，从AM解调模块得到的数
字信号从DEMOD_OUT脚输出，送给微处理器解码和处理。
当MOD=1时，使得主天线驱动与RF（射频）载波同步进入三态状态，VCO和AM解调链路保持MOD升高前的状态。这确保了在MOD释放后可以快速的恢复原有状态。在MOD的下降沿，VCO和AM解调在41个RF时钟之后打开。
在读、写两种状态下读写器线圈和标签线圈处的电平信号形式如图5所示。图中，a) 图为写卡时的信号，读写器线圈输出信号，该信号受控于MOD管脚的电平，MOD=1时，调制信号输出，而当MOD=0时，仅输出载波信号，无数据信息；b)为读卡时的信号形式，EM4095要进行读卡操作时，需要先将MOD置低以无调制的发射载波信号，当标签进入读写器的磁场区域，会自动根据预设模式输出信息，EM4095检测到后，对信号进行解调，解调的数据信
息从DEMOD_OUT管脚输出。
456D a) 写标签信号形式 b)读标签信号形式 图5 读写器和标签线圈信号 VCC L1C20.1uFVCCR6R7R12R134K74K74K74K7CU1C1100uFC15100uFU274VDDDVDDANT1DEMOD_OUTRDY/CLKSHDMODCDEC_IN6811ANT2CDEC_OUTDEMOD_INAGNDDVSSVSSEM4095FCAPDC21516C50.01uFC70.01uFB132141210C40.1uFDEMOD_OUTRD/CKSHDMODP2.4P2.3P2.2P2.1P2.0NCGNDX2X1RDWR2221201918171615141312A12A11A10A9A8GNDX1X2RDWRR122C24CB 2200PF/630V3天线9C1439P /630VP89V51RD2_TQFPC222200PC23000uFC181000PC30.1uF51 图6 EM4095典型应用电路 EM4095的典型用电路如图5所示，其中MOD、SHD、RDY/CLK以及DEMOD_OUT管脚与微处理器（MCU）相连。EM4095、MCU与天线一起组成一个125KHz RFID读写器，其可完成的主要功能包括： 1）载波频率驱动线圈； 2）对可写卡磁场的调幅调制； 3）对线圈上由卡引发的调制信号进行幅度解调； 4）与微处理器之间相互通信。 C13R23Title470二、U2270B 0.1UFSizeNumberRevisionU2270B是ATMEL公司生产的一款125KHzB基站读写芯片，其主要特点如下： Date:25-Feb-2008Sheet of (1) 载波频率fOSC范围为100～150KHz。 File:F:\\mywork\\sp502\\xakhui\\em4095\\电路\\EM4095.DDBDrawn By:456(2) 工作于125KHz时，典型的数据传送率为5kb/s。 (3) 支持曼彻斯特编码和Bi-phase码。 (4) 可由5V的稳压电源或汽车蓄电池供电。 (5) 具有调谐能力。
(6) 与微控制器有兼容的接口。
(7) 处于待机工作方式时，其功耗甚低。 (8) 有一个向微控制器供电的输出端。
AC11C120.1UF0.1UFU2270B为SO16贴片封装，其管脚图与管脚功能定义分别见图7和表2。
表2 U2270B管脚功能定义
管脚 1 2 3 4 5 6 7 8
9 10 符 号 GND OUTPUT /OE INPUT MS CFE DGND COIL2 COIL1 VEXT 功 能 电源地 数据输出 数据输出使能 数据输入 线圈输出模式选择 载波频率使能 驱动器地 线圈输出2 线圈输出1 电源向外部供电输出 图7 U2270B管脚图
11 DVS 驱动器供电端 U2270B的供电有三种模式：
12 VBATT 电池供电端 1）单一外部电源供电：所有的内部电路均
13 STANDBY 待机模式输入 由同一个5V电源供电，如图8A)所示此时，VS、
14 VS 内部电源供电（5V） VEXT和DVS脚为输入，VBATT脚不用，但是也
15 RF 频率调整端 必须接在一起。
16 HIPASS DC模块去耦电容 2）双外部电源供电：DVS和VEXT比其他电路工作电压要高，以达到较高的驱动输出摆幅，从而得到较强的磁场，而VS接到5V电源上，如图。此种接法下，驱动器电压可以达到8V，适用于通信距离较大的情况下。
A) B) C)
图8 U2279B的三种供电模式
3）12V电池供电：此模式下，电压由VBATT脚输入，与前两种不同在于，1）2）模式下供电电源必须是稳定的直流输入，而此模式不同，无需外部的电压调整电路，只需一个NPN三极管即可。VS和VEXT由内部产生，VEXT为三极管基极供电，同时也可向外部电路（如MCU）提供电源。芯片内部的齐纳二极管向VEXT和VBATT提供过压保护。通过STANDBY管脚可以关闭芯片，但此时VEXT输出不受影响。 表3 磁场耦合因子与电路选择
具体选择哪种供电方式，要根据实际磁场耦合因子 电路形式 应用环境和设备需求而定。如果应用场合>3% 自由震荡 下没有稳压电源提供，而只有7V—16V范>1% 二极管反馈 围内的不稳定电压，则应选择电池供电模>0.5% 二极管反馈加频率调整 式，使用内部电压调整电路，并且可以向>0.3% 二极管反馈加频率调谐 其他电流要求不太高的器件供电；如果已
有直流+5V电源，则可选择单一外部电源供电，但应保证此电源是无噪声的；同时，实际应用中根据所需磁场耦合因子大小，也要选择不同的电路模式，磁场耦合因子由传输距离和天线线圈决定，其与电路形式选择关系如表3所示。
U2270B芯片通过CFE、OE、OUTPUT和STANDBY管脚与MCU接口，来实现读、写等操作。
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