一種基于RF芯片AS3911的非接觸式CPU卡讀卡器的設(shè)計

曾喜娟

( 黎明職業(yè)大學(xué), 福建 泉州 362000 )

0 引言

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，射頻識別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)[1]已經(jīng)在物流、智能交通、工業(yè)自動化、電子支付等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.傳統(tǒng)的讀卡器通常采用NXP公司的PN512芯片[2]和RC531芯片[3]作為主控通信模塊，如文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]分別采用PN512芯片和RC531芯片設(shè)計了一種讀卡器，但該讀卡器僅支持MIFare卡，待機(jī)電流高(6 mA)、通信速率慢(424 kbit/s)；另外，該讀卡器還需要定時發(fā)送REQA和REQB信號來檢測卡片是否在位，待機(jī)功耗較大.為此，一些學(xué)者對傳統(tǒng)的讀卡器進(jìn)行了改進(jìn).例如：周彥明[4]采用RC522 芯片設(shè)計了一種讀卡器，該讀卡器與主機(jī)間采用連線較少的串行進(jìn)行通信，并且用戶可根據(jù)需求選取SPI、I2C進(jìn)行通信，且支持ISO14443A協(xié)議；雖然該讀卡器的通信效能比傳統(tǒng)的讀卡器有了大幅提高，但其待機(jī)功耗仍較大，且所支持的非接觸式卡片的類型仍較少.為了降低讀卡器功耗，提高通信效率，本文基于非接觸式CPU卡讀卡器的工作原理，應(yīng)用AMS公司的AS3911芯片，設(shè)計一種非接觸式CPU卡讀卡器，并通過實驗驗證本文設(shè)計方案的有效性.

1 非接觸式CPU卡讀卡器的組成

非接觸式CPU卡讀卡器系統(tǒng)[5]主要由射頻卡、讀卡器和PC上位機(jī)組成.射頻卡由射頻接口電路和數(shù)字電路組成，其主要功能是接收讀卡器發(fā)射的射頻信號，信號在卡內(nèi)經(jīng)過耦合、整流濾波與穩(wěn)壓3個過程后可得到直流工作電壓.讀卡器主要由控制器、射頻卡接口電路和串口電路組成，其功能包括檢測射頻卡、讀取射頻卡應(yīng)答信息以及與PC機(jī)通信.讀卡時，讀卡器先發(fā)送REQA和REQB信號檢測射頻卡是否在感應(yīng)范圍內(nèi)，若射頻卡接收到信號回復(fù)ATQ，讀卡器讀取回復(fù)信號后通過串口將其發(fā)送至PC上位機(jī).PC上位機(jī)實時顯示讀卡器的當(dāng)前狀態(tài)及射頻卡的應(yīng)答信息，同時可向讀卡器發(fā)送命令.

2 非接觸式CPU卡讀卡器硬件的設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的讀卡器硬件系統(tǒng)[6]包括電源管理模塊LDO(采用AZ1117芯片)、AS3911射頻卡模塊、STM32F103VCT6的CPU模塊、串口模塊MAX3232以及PC機(jī)，如圖1所示.

圖1 讀卡器硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.1.1電源模塊的設(shè)計 在圖1所示的讀卡器硬件系統(tǒng)中，LDO電源模塊負(fù)責(zé)為串口通信電路和控制器STM32F103VCT6供電，其輸入電壓為5 V，輸出電壓為3.3 V，最小輸出電流為100 mA.由MAX3232、LED、STM32F103VCT6、AS3911等元器件的數(shù)據(jù)手冊可知，若使MAX3232、LED、ASTM32F103VCT6、S3911及外設(shè)保持正常工作，LDO電源模塊需要供應(yīng)的輸出電流I1為：

I1=Istm外設(shè)+Istm32運(yùn)行+Iled+Imax3232≥

6.2 +30.5+20+1=57.7 mA.

(1)

考慮到降額設(shè)計，本文按100 mA 的規(guī)格設(shè)計輸出電流，即LDO模塊可為上述控制器、外設(shè)及串口等提供100 mA的輸出電流.AS3911模塊的最大工作電流為I_AL=12.5 mA， AS3911內(nèi)部發(fā)射器(射頻模塊)的最大工作電流I_(AS3911_RF)為300 mA，所以讀卡器射頻模塊的最大總工作電流為312.5 mA.由此可知，LDO模塊需要提供的總電流I總為412.5 mA.

采用AZ1117設(shè)計LDO電源模塊，該芯片的設(shè)計指標(biāo)為： ①輸出電壓為3.3 V，精度為±1%； ②輸出電流為1 A，滿足輸出電流為412.5 mA的要求； ③輸入輸出壓差為1.15 V，滿足壓差小于1.7 V的要求.LDO電源模塊的電路如圖2所示.

圖2 LDO電源模塊的電路圖

2.1.2非接觸式CPU模塊的設(shè)計 非接觸式CPU模塊作為系統(tǒng)的主控模塊，其主要功能是控制AS3911和Led燈，并與PC機(jī)通信.本文采用ST公司的STM32F103VCT6作為非接觸式CPU模塊.STM32F103VCT6具有SPI接口、3個UART接口(UART1具有串口程序下載功能，還可以實現(xiàn)讀卡器與PC機(jī)之間的通信)、80點通用IO和強(qiáng)大的中斷系統(tǒng)，不僅能實現(xiàn)與AS3911的通信，還可滿足設(shè)計中所需要控制I/O的數(shù)量.非接觸式CPU模塊的電路圖如圖3所示.

圖3 非接觸式CPU模塊的電路圖

2.1.3AS3911射頻卡模塊的設(shè)計 射頻卡模塊采用AMS公司的AS3911射頻芯片，其工作電路圖如圖4所示.圖4中，AS3911芯片通過SPI總線與控制器通信，外接晶振電路、EMC濾波器、阻抗匹配電路、天線、調(diào)諧電容組、接收電路等，以此實現(xiàn)其與射頻卡的通信任務(wù).

圖4 射頻卡模塊的電路圖

2.1.4串口模塊的總體設(shè)計 STM32F103VCT6 的UART1具有ISP下載功能，所以本文選擇UART1作為系統(tǒng)的串口通信電路.因讀卡器與PC機(jī)間的電平不兼容，因此需要有一個電平轉(zhuǎn)換電路.因MAX3232芯片能夠支持3～5 V的寬電壓，因此本文采用MAX3232芯片來實現(xiàn)RS232電平與CMOS電平間的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換原理如圖5所示.

圖5 RS232電平與CMOS電平間的轉(zhuǎn)換原理圖

2.2 測試分析

2.2.1電源、晶振指標(biāo)的測試 1)指標(biāo)要求.電源及晶振電路需達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)[7]如下：

①VDD由USB供電，供電電壓范圍為4.75～5.25 V.

②VDD_IO的電壓范圍為3.267～3.33 V.

③VAGD 的電壓范圍為1.4～1.6 V，典型值為1.5 V.

④待機(jī)模式為IVDD<2 μA；喚醒模式為IVDD<6 μA；關(guān)閉載波模式為IVDD<7.5 mA；讀卡狀態(tài)下，IVDD<200 mA.

⑤AS3911芯片的內(nèi)部最大消耗電流I內(nèi)部為7.5 mA.

2) 測試方法及記錄.電源及晶振電路的測試方法及測試結(jié)果如表1所示.由表1可以看出，各項指標(biāo)均符合要求.

2.2.2射頻信號指標(biāo)的測試 根據(jù)信號發(fā)送和接收方式的不同，ISO/IEC14443-3定義了Type A和Type B兩種卡型[8]，其區(qū)別主要是載波的調(diào)制深度及二進(jìn)制數(shù)的編碼方式不同.

1) 指標(biāo)要求.射頻信號的載波頻率應(yīng)在13.553～13.567 MHz范圍內(nèi).Type A調(diào)制信號的波形指標(biāo)如圖6所示.圖6中，t1為信號下降時間，即信號幅值從90%下降至5%且保持在5%時所需的時間，其時間范圍為2.0 μs2.5 μs時t2的時間范圍為0.5 μs

2) 測試方法及記錄.射頻信號指標(biāo)的測試方法及測試結(jié)果如表2所示.由表2可以看出，各項測試結(jié)果均滿足要求.

表1 電源及晶振電路的測試記錄

圖6 Type A調(diào)制信號的波形圖

圖7 Type B調(diào)制信號的波形圖

表2 射頻信號指標(biāo)的測試記錄

圖8為Type A卡在2 cm處測試所得的調(diào)制信號波形圖.由圖8可以看出，t1=2.774 42 μs,t2=1.230 29 μs,t3=828.097 ns,t4=367.679 ns，該結(jié)果均滿足表2中所期望的結(jié)果.

圖9為Type B卡在2 cm處測試所得的調(diào)制信號波形圖.由圖9可以看出，波形上升時間Tr=742.762 ns,下降時間Tf=689.626 ns，均滿足小于2 μs的指標(biāo)要求.

圖8 Type A卡在2 cm處測試所得的調(diào)制信號波形圖

圖9 Type B卡在2 cm處測試所得的調(diào)制信號波形圖

2.2.3天線阻抗匹配的測試 讀卡器天線的阻抗應(yīng)與讀卡器匹配，且需讓天線諧振點保持在13.46 ～13.66 MHz范圍內(nèi).本設(shè)計中測得的Smith圓圖如圖10所示.由圖10可看出，阻抗虛部為0點的頻率在13.643 MHz處，即諧振點在13.643 MHz處，滿足指標(biāo)要求.

圖10 阻抗匹配波形圖

通過以上測試可知: ①電源電壓及其紋波均滿足我國金融集成電路(IC)規(guī)范所要求的相關(guān)技術(shù)指標(biāo); ②在待機(jī)模式下，實測電流IVDD為1.44 μA，滿足指標(biāo)小于2 μA的要求； ③在喚醒模式下，實測電流IVDD為5.7 μA，滿足指標(biāo)小于6 μA的要求； ④在關(guān)閉載波模式下，實測電流IVDD為7.17 mA，滿足IVDD< 7.5 mA的要求； ⑤在讀卡模式下，實測電流(95.3 mA)雖然略大于理論電流值89.5 mA，但滿足IVDD< 200 mA的要求.

另外，載波頻率、載波波形和天線阻抗也均符合標(biāo)準(zhǔn)要求.由以上測試結(jié)果可判定本文設(shè)計的讀卡器可滿足應(yīng)用要求，且具有待機(jī)功耗小、穩(wěn)定性好的優(yōu)點.

3 結(jié)論

本文基于AS3911芯片的非接觸式CPU卡設(shè)計的讀卡器的各部分電路均滿足設(shè)計要求，且該讀卡器具有良好的穩(wěn)定性、兼容性、靈敏性，待機(jī)功耗小，因此該讀卡器在手持POS等行業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景.本文在研究時，未能充分考慮讀卡器的抗干擾能力，今后將對此做進(jìn)一步研究.