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。