无源RFID芯片MCRF250及其防冲突读写器设计

摘要：介绍Microchip公司生产的无源RFID芯片MCRF250的主要特点及其工作原理，详细讨论了MCRF250防冲突问题。并在此基础上给出了一种FSK防冲突读写器的设计方法。 关键词：RFID；MCRF250；FSK；防冲突；读写器 １ ＭＣＲＦ２５０简介 ＭＣＲＦ２５０是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生产的非接触可编程无源ＲＦＩＤ器件，工作频率（载波）为１２５ｋＨｚ。该器件有两种工作模式：初始模式（Ｎａｔｉｖｅ）和读模式。所谓初始模式是指ＭＣＲＦ２５０具有一个未被编程的存储阵列，而且能够在非接触编程时提供一个缺损状态（其波特率为载波频率的１２８分频，调制方式为ＦＳＫ，数据码为ＮＲＺ码）；而读模式是指在接触和非接触方式编程后的永久工作模式，在该模式下， ＭＣＲＦ２５０芯片中的配置寄存器（详见后述）的锁存位ＣＢ１２置１，芯片上电后，进入防冲突数据传送状态。 ＭＣＲＦ２５０ 的主要性能如下： ●只读数据传送，片内带有一次性可编程（ＯＴＰ）的９６位或１２８位用户存储器（支持４８位或６４位协议）。 ●具有片上整流和稳压电路。 ●低功耗。 ●编码方式：ＮＲＺ，曼彻斯特码及差分曼彻斯特码。 ●调制方式：ＦＳＫ，ＰＳＫ，直接调制。 ●封装方式：ＰＤＩＰ，ＳＯＩＣ。 ２ 工作原理 ２．１ 芯片内部电路组成 ＭＣＲＦ２５０芯片内部电路框图及与读写器构成的应用系统如图１所示。芯片的引脚ＶＡ和ＶＢ外接电感Ｌ１和电容Ｃ１构成的谐振电路（谐振频率为１２５ｋＨｚ， Ｌ１参考值为４．０５ｍＨ，Ｃ１参考值为３９０ｐＦ）。读写器（Ｒｅａｄｅｒ）侧的电路谐振于１２５ｋＨｚ以用于输出射频能量，同时也用于接收ＭＣＲＦ２５０芯片以负载调制方式传来的数字信号。ＭＣＲＦ２５０芯片内部电路由射频前端、防冲突电路及存储器三部分组成。 ２．２ 射频前端电路 射频前端电路用于完成芯片所有的模拟信号处理和变换功能，包括电源（工作电压ＶＤＤ和编程电压ＶＰＰ）、时钟、载波中断检测、上电复位、负载调制等电路。此外，它还用来实现编码调制方式的逻辑控制。 ２．３ 配置寄存器 配置寄存器用于确定芯片的工作参数。配置寄存器也能以非接触方式编程，它由制造商在生产中进行编程。配置寄存器共有１２位，其功能如图２所示。其中位１１（ＣＢ１１）总是为１。位１０（ＣＢ１０）用于设置ＰＳＫ速率，置１时速率为ｆｃ／４，置０时速率为ｆｃ／２。当ＣＢ１２为０时，表示存储阵列未被锁定；为１时表示成功地完成了接触编程或非接触编程，此时芯片工作于防冲突只读模式下。 ２．４ 防冲突电路 片内有防冲突电路，当发生冲突时，ＭＣＲＦ２５０可停止数据发送，并在防冲突电路的控制下，可再一次在适当的时候传送数据。这种功能保证了当读写器射频场中有多个ＲＦＩＤ卡时，可以逐一读取。该防冲突措施要求读写器能提供载波信号中断的时隙（Ｇａｐ）能力。 ３ ＦＳＫ防冲突读写器的电路设计 ３．１ 防冲突技术 ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４－３标准给出了ＴＹＰＥ Ａ和ＴＹＰＥ Ｂ两种初始化和防冲突规范１：ＴＹＰＥ Ａ采用面向比特的防冲突帧，支持比特冲突检测协议；ＴＹＰＥ Ｂ通过一组命令来管理防冲突过程，防冲突方案以时隙为基础。 存储卡的防冲突技术目前尚未形成统一的标准，很多厂家都拥有自己的专利。对于ＭＣＲＦ２５０芯片的读写器设计来说，其主要特点是具有防冲突能力，即读写器应具有提供Ｇａｐ和冲突检测的能力。因为读写器提供Ｇａｐ可保证时间上的同步，冲突检测可采用比特（位）冲突检测方法。 位冲突检测可以采用幅度变化、非法编码出现、位宽变化等检测技术。但在ＲＦＩＤ中，很难确定判断幅度迭加的门限值（阈值），因此，非法编码判断和位宽检测是比较简便的方法。 非法编码判断和编码方式的相关资料可参见参考文献。下面主要介绍ＮＲＺ码和曼彻斯特码在发生冲突时合成波形的变化情况。从图３中可见，ＮＲＺ 码无法判断位０和位１的冲突，因为冲突后的结果可认为正常的数位１。而曼彻斯特编码的数位１，如果以速率高一倍的ＮＲＺ码１０来表示，其数位０则可表示为０１，其数位１和数位０冲突的结果则可表示为１１，而曼彻斯特码中，１１是非法编码，故而极易判断位冲突出现。ＴＹＰＥ Ａ中就是采用了曼彻斯特编码。当然，图３所示情况是基于位时间同步和放大限幅的环境，在ＲＦＩＤ中，这些都是可以做到的。 而位宽的变化则与调制方式有关。当采用ＮＲＺ码ＦＳＫ调制时，发现位０和位１碰撞时，其合成波形的位宽有了比较明显的变化，图４所示是其碰撞情况时序图，图中数位０为ｆｃ／８，数位１为ｆｃ／１０。 从图４可以看到，经过滤波放大整形电路后，若数位１和数位０产生碰撞，则碰撞冲突后的波形将出现７ＴＣ和１２ＴＣ宽的脉冲，而正常情况下０的ＦＳＫ脉宽为４ＴＣ，１的ＦＳＫ脉宽为５ＴＣ，因此用计数器进行位宽检测，判别是否出现大于５ＴＣ的脉宽，就可以判断是否出现了冲突。 ３．２ ＦＳＫ防冲突读写器设计 读写器组成框图如图５所示。它由晶体振荡器（４ＭＨｚ）、分频器、功率放大器、Ｇａｐ产生电路、包络检波、放大滤波整形电路、ＦＳＫ解调电路、冲突检测电路和微控制器组成。下面主要介绍防冲突流程及冲突检测电路。 ＭＣＲＦ２５０的防冲突流程图如图６所示。读写器开始送出Ｇａｐ，其时间间隔（载波缺损时间）为６０μｓ（误差不大于２０％）。然后等待５个位宽时间，检测有无调制信号出现，若有调制信号出现，再判断是否发生冲突。如果无冲突出现，则读完该ＭＣＲＦ２５０芯片数据后，再按规定形成一个新的Ｇａｐ，以进行下一次读取。 流程中的主要工作由微控制器程序实现。对于功率放大器电路，特别是Ｄ类功率放大器，由微控制器程序产生Ｇａｐ，是很容易实现的。 根据图４所示的时序图，设计的冲突检测电路如图７所示。 放大滤波整形电路输出的ＦＳＫ信号首先加至触发器Ｄ１（７４ＨＣ７４），触发器Ｄ１将于ＦＳＫ信号的上升沿在Ｑ端产生一个上跳变，但因 Ｑ端和ＣＬ端连接，它会很快又回至低电平，即在Ｑ端形成一个窄脉冲来触发一个单稳电路，该单稳电路的输出作为“有调制出现”信号加至微控制器（ＭＣＵ）。此外，该脉冲同时还可加至ＦＳＫ解调器使ＦＳＫ解调器工作同时，输出ＮＲＺ码数据。 冲突检测电路由十进制计数器４０１７和单稳电路组成。４０１７的 Ｒｅｓｅｔ端接至触发器Ｄ１的Ｑ端，触发器Ｄ１的Ｑ端输出用于复位４０１７并使其开始计数。从图４可知，如果产生位碰撞，就会出现７ＴＣ和１２ＴＣ的脉宽，因此将ＦＳＫ信号加至４０１７的ＣＬＫｅｎ端，该端为低时，对１２５ｋＨｚ时钟计数，当计数到７时，Ｑ７端由低变高，触发单稳电路，单稳电路产生跳变（此即冲突出现信号），并告知ＭＣＵ发生了冲突。在正常ＦＳＫ信号情况下，ＦＳＫ脉宽为４ＴＣ和５ＴＣ，因此Ｑ７脚不会变高，即无位碰撞出现。该电路可实现位冲突检测。ＭＣＵ输出的控制信号用于设置图７电路的初始状态。 ４ 结束语 防冲突技术是ＲＦＩＤ中的一项重要技术，不同的芯片所采用的措施和方法会有所差异，因而需要仔细地进行分析和研究。