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设计MF RC500 的匹配电路和天线的应用指南.pdf

发布时间：2022-04-13 发布人：admin 分类：互联网 资料大小：0.94M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 设计 MF RC500 的匹配电路和天线的应用指南 目录 1 介绍 ........................................................................................................................ 3 2 系统的基本原理 ...................................................................................................... 3 2.1 结构示意图......................................................................................................................... 3 2.2 系统配置 ............................................................................................................................ 3 2.3 MIFARE® RF 接口............................................................................................................. 4 2.3.1 能量传输.................................................................................................................. 4 2.3.2 RWD->卡的数据传输 ............................................................................................... 5 2.3.3 卡->RWD 的数据传输 .............................................................................................. 6 3 MF RC500 匹配电路和天线的设计......................................................................... 8 3.1 基本设计规则..................................................................................................................... 8 3.2 估算最合适的天线大小....................................................................................................... 9 3.3 直接匹配的天线 ............................................................................................................... 10 3.3.1 EMC 电路 .............................................................................................................. 10 3.3.2 接收电路................................................................................................................ 10 3.3.3 直接匹配天线的天线匹配电路.................................................................................11 3.4 50 匹配的天线............................................................................................................... 14 3.4.1 EMC 电路 .............................................................................................................. 14 3.4.3 50 的长距离解决方案 .......................................................................................... 15 3.4.4 50 的短距离解决方案 .......................................................................................... 16 3.4.5 50 天线的天线匹配电路....................................................................................... 16 4 环境的影响 ........................................................................................................... 19 4.1 金属的天线环境 ............................................................................................................... 19 4.2 多个天线 .......................................................................................................................... 19 4.3 温度 ................................................................................................................................. 19 5 天线的屏蔽和补偿 ................................................................................................ 19 5.1.1 电子屏蔽................................................................................................................ 19 5.1.2 补偿 ....................................................................................................................... 21 5.1.3 铁屏蔽.................................................................................................................... 21 6 MF RC500 天线设计的举例.................................................................................. 23 6.1 总体布线提示................................................................................................................... 23 6.1.1 EMC 滤波器和接收电路......................................................................................... 23 6.2 天线和匹配电路的布线..................................................................................................... 24 6.3 直接匹配天线的例子 ........................................................................................................ 24 6.3.1 屏蔽和补偿的矩形天线........................................................................................... 24 6.3.2 矩形天线................................................................................................................ 25 6.3.3 屏蔽的矩形天线 ..................................................................................................... 26 6.4 50 匹配天线的举例........................................................................................................ 27 6.4.1 补偿的矩形天线 ..................................................................................................... 27 6.4.2 补偿的环形天线 ..................................................................................................... 28 - 1 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 6.4.3 屏蔽的环形天线 ..................................................................................................... 29 7 天线的调谐 ........................................................................................................... 30 7.1 最优工作距离的调谐方法 ................................................................................................. 30 7.1.1 直接匹配天线的调谐 .............................................................................................. 30 7.1.2 50 匹配天线的调谐.............................................................................................. 31 7.2 检查 Q 因子...................................................................................................................... 36 8 参考文献 ............................................................................................................... 38 9 附录 A................................................................................................................... 38 9.1 缩写 ................................................................................................................................. 38 9.2 天线线圈电感的计算 ........................................................................................................ 38 9.3 线圈电阻的估算 ............................................................................................................... 39 - 2 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 1 介绍 本应用指南的意图是支持 MF RC500 MIFARE®读卡器内部与 RF 相关的设计 它的目的是提供设计应 用指定的天线和匹配电路所使用的 MIFARE®RF 接口 ISO14443A 的一些必要的理解 使读卡器与无线 的 MIFARE®卡有最好的通讯性能 本文档将介绍系统 RF 部分的背景以及概述如何为标准应用设计和调整 天线的过程 这里详细解释并列举了两种不同的天线和匹配电路的概念和设计 而且有完整的调谐过程 有兴趣的读者可以从附录找到 RF 接口的详细理论描述 2 系统的基本原理 2.1 结构示意图 MF RC500 是基于 13.56MHz 无线通讯的一个新系列高度集成读卡器 IC 的成员 MF RC500 支持 IS14443 的所有层 图 2.1 是 MF RC500 简化的结构示意图 图 2.1 简化的 MF RC500 结构示意图 MF RC500 具有以下的功能 • • 数据处理部分将并行的数据转换成串行 支持检查产生的帧 产生并检查 CRC/奇偶校验以及位 µC 的并行接口自动检测连接的 8 位并行接口 编码和处理 它支持 ISO14443-A 的所有层 使 MF RC500 在完全透明的模式下工作 • 器件的状态和控制部分允许对环境影响进行配置 使每个应用获得最好的性能 • Crypto1 的流密码单元支持与 MIFARE® CLASSIC 产品通讯 • 一个安全稳定的密钥存储器用于存储 Crypto1 密钥组 • 模拟部分有两个内部的桥驱动输出 使操作距离可达 100mm 取决于天线线圈和环境的影响 而且 内部接收部分允许接收和译码没经过外部滤波的数据 2.2 系统配置 MIFARE®读卡器的系统配置基于图 2.2 所显示的 MF RC500 用户可以选择两个不同的概念将天线连 接到读卡器 IC 这两种方法是 50 匹配的天线 或者 • • 使用直接匹配的天线配置 这两种概念的系统元件大体上很相似 都需要 3 个部分 − 一个接收电路 接收卡发送的数据 − 一个滤波和电阻 impedance 转换电路 抑制高次谐波并优化到读卡器天线的功率传输 power - 3 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com transmission − 设计天线线圈的匹配电路和天线线圈使它们获得最优的性能 天线和读卡器用电缆或直接连接也 要有最好的性能 图 2.2 系统配置 这两个概念能满足不同的要求使性能最优 这些部件的设计是下一章的主题 2.3 MIFARE® RF 接口 MIFARE® Technology 在读卡器和无线卡之间用 ISO 14443 类型 A 的 RF 接口通讯 表 1 是 MIFARE® RF 接口的简短概述 基本上 MIFARE® RF 接口遵从变压器原理 MIFARE®卡是 无源的 卡上没有电池 因此 读卡器模块和卡之间的通讯要求有能量的传输 而且可以双向发送数据 表 1 MIFARE® RF 接口的概述 能量传输 工作频率 通讯结构 数据速率 数据传输 RWD->卡 卡->RWD 变压器原理 MIFARE®卡是无源的 13.56MHz 半双工 读卡器首先发信号 talk 105.9kHz 双向 100%ASK 幅变调制 Miller 编码 副载负载波调制 subcarrier load modulation 副载波频率 847.5kHz 曼彻斯特编码 下面的内容是 MIFARE® RF 接口的基本知识 首先将讲述基本的能量传输 最后是数据传输和两个方 向使用的数据编码 2.3.1 能量传输 读卡器天线和无源 MIFARE®卡之间的能量传输使用变压器原理 它要求读卡器要有天线线圈 MIFARE®卡也有线圈 图 2.3 是基本的原理和等效的电路图 图的左边是天线和能量传输的原理 - 4 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 图 2.3 变压器模型 RWD 天线线圈的电流 I 产生一个磁通量 磁通量的部分穿过卡的线圈 在卡的线圈感应出一个电压 电压被整流 当工作电压到达后 卡的 IC 被激活 感应电压会随着读卡器天线和 MIFARE®卡的距离不同 而变化 由于电压会变化 工作距离受到传输的功率限制 上图的右半部分是变压器模式的等效电路 详 细的能量传输将在本文档的附录 A 详细解释 2.3.2 RWD->卡的数据传输 MIFARE®用半双工的通讯形式在读卡器和卡之间传输数据 读卡器首先发出信号 说话 启动通讯 从读卡器到卡的数据传输根据 ISO 14443 类型 A 采用 100%的 ASK 幅变调制 pulse-pause modulation 图 2.4 是典型的信号波形 图 2.4 RWD->卡的数据传输 典型的信号波形 由于天线有品质因子 Q 使发送的信号波形发生变形 如图 2.5 这个波形可以用于测量天线的调谐 tuning 计算天线品质因子 Q 的理论背景和计算匹配电路部件的过程将在第三章详细解释 前面已经提到 MIFARE®卡是无源的 能量传输到卡后 卡才能和读卡器通讯 因此 MIFARE®用 优化的编码提供与发送到卡的数据独立的恒定能量 这就是改良的 Miller 编码 它用于读卡器向卡发送数 据 图 2.6 详细介绍了 Miller 编码 - 5 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 图 2.6 RWD->卡的数据传输 Miller 编码 MIFARE®的数据速率是 105.9kHz 所以一个位帧 bit frame 的长度是 9.44µs Miller 编码的脉冲 长度是 3µs 逻辑 1 用一个位帧中间的脉冲表示 编码逻辑 0 有两个可能性 由前面一位决定 如果前面一位是 0 接着的 0 用在后一个位帧的开始有 3µs 的脉冲表示 如果前面一位是 1 接着的 0 用下一个位帧没有脉冲来表示 2.3.3 卡->RWD 的数据传输 2.3.3.1 副载波负载调制的原理 卡发送回 RWD 的数据传输使用副载波负载调制 subcarrier load modulation 的原理 见图 2.7 此 时 卡作为谐振电路消耗读卡器产生的能量 这个能量消耗有重新激活的效应 使 RWD 端出现电压降 这个效应通过改变卡的 IC 的负载或电阻 将数据从卡发送回读卡器 图 2.7 副载波负载调制 subcarrier load modulation 的原理 MIFARE®读卡器的天线应调谐到振荡频率 fR=13.56MHz 实际上 振荡器电路在读卡器天线产生的电 压多次比电源电压高 但由于 RWD 和卡的天线之间有小的耦合因子 卡的响应比读卡器产生的电压弱了 大约 60dB 检测这个信号要求一个设计良好的接收电路 MIFARE®用副载波频率 fSUB 来调制数据 而不 - 6 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 是用直接的负载调制 副载波调制的结果是在载波频率 13.56MHz 的周围产生 fSUB 的边频带 副载波负 载调制可以简单并健壮地测试接收信号 MIFARE® RF 接口在副载波调制之前对基频的数据使用曼彻斯特编码 图 2.8 是典型的数据编码和副 载波负载调制的时域图 首先 数据被内部编码成曼彻斯特码 MIFARE®通讯的数据速率无论从卡到读卡 器还是读卡器到卡都是 105.9kHz 所以位帧的长度是 9.44µs 曼彻斯特码用上升和下降沿来编码数据 逻辑 1 用位帧中间的下降沿表示 逻辑 0 用位帧中间的上升沿表示 MIFARE®卡的集成电路产生的副载波频率 fSUB = fR/16 = 847.5kHz 时间 T0 表示工作频率的脉冲宽度 T0 = 1/fR = 74ns 曼彻斯特编码的数据调制到副载波频率 最后 副载波负载调制完成 图 2.8 卡->RWD 的数据编码原理 时域 结果 副载波负载调试在频域产生两个边频带 高频的是在 14.41MHz 低频的是在 12.71MHz 信号 的频域图请参考图 2.9 图 2.9 一方面显示了数据编码的边频带 另一方面显示了载波频率到工作频率的边 频带 图 2.9 卡->RWD 的数据编码 频域 - 7 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 3 MF RC500 匹配电路和天线的设计 3.1 基本设计规则 MF RC500 是一个单独的读卡器集成电路 它要求在没有外部放大器的情况下工作距离达到 100mm 剩下的无源 RF 部分的设计很简单明了 首先要确定哪个可行的基本概念最能符合应用的要求 图 3.1 的 设计帮助会对这个决定作出支持 两个不同的概念可以设计一个天线和一个匹配电路 • 直接匹配的天线 用读卡器和天线的最小距离可以建立一个小型的完整终端 可行的应用是一个 • 小型建筑物的访问控制读卡器或者是手持的读卡器 500 匹配的天线 可以作为读卡器和天线之间用长距离同轴电缆连接的应用的一个简单的解决 方案 连接读卡器匹配电路和天线的同轴电缆最长距离可达 10m 图 3.1 设计帮助 - 8 -
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