远距离MIFARE,1卡读卡器射频前端的设计

【 摘 要 】 MIFARE 1射频卡采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速的CMOS EEPROM、MCU等。本文介绍了Philips公司的MIFARE 1射频卡的主要特点和工作原理，提出了一种由单片机控制，用分离元件实现的远距离MIFARE 1卡读卡器射频前端硬件电路系统的设计。解决了运用常规读写模块设计的读卡器对MIFARE 1卡操作距离不足的问题，也同时解决了读卡器设计广泛采用专用RFID芯片而涉及国外相关知识产权的问题，已经投入实用。

【 关键词 】 MIFARE；主要特点；工作原理；远距离；读卡器

Design of Long-range MIFARE 1 Card-reader RF Front-end

Xu Yi-min

（School of Information Security Engineering， Shanghai Jiao tong University Shanghai 200240）

【 Abstract 】 MIFARE 1 RF card is producted by advanced chip manufacturing technology， built-in high-speed CMOS EEPROM， MCU， etc. This paper describes the main characteristics and working principle of Philips company’s MIFARE 1 RF card， a design using discrete components to achieve long-range MIFARE 1 card reader RF front-end hardware circuit system what controlled by the MCU is proposed. To solve the problem of using regular reader module designed for MIFARE 1 card-reader operating insufficient application of distance， and also to solve the problem of the intellectual property rights involving foreign RFID chips in the design of Card-readers， it has been put into practical use.

【 Keywords 】 mifare； main characteristics； working principle； long-range； card-reader

1 引言

随着射频技术的推广，MIFARE 1卡已经广泛应用于公共交通终端、手持终端、板上单元、非接触式PC终端等各个非接触式通信场合。非接触式智能卡读写系统是射频技术中的一个重要组成部分，可完成指令分析、数据采集等诸多功能。

本文首先介绍了Philips公司的MIFARE 1射频卡的主要特点和工作原理，提出了一种由单片机控制，用分离元件实现的远距离MIFARE 1卡读卡器射频前端硬件电路系统的设计。解决了在某些应用场合下运用常规读写模块设计的读卡器对MIFARE 1卡操作距离不足的问题。本文提出的MIFARE 1卡读卡器射频前端硬件电路系统设计方案拥有自主知识产权，系统稳定，通信可靠。

2 MIFARE卡的主要特点

MIFARE技术是Philips公司推出的一种射频/双界面卡技术，目前已被ISO/IEC制定为国际标准：ISO/IEC 14443A标准。MIFARE卡目前占据世界射频卡市场80%的份额。

MIFARE射频卡的核心是Philips公司的MIFARE 1 IC S50系列微晶片。MIFARE射频卡采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速的CMOS EEPROM、MCU等。卡片上除了IC微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件。射频卡工作频率为13.56MHz，标准操作距离为100mm，与卡片读写器的通信速率高达106Kbit。

MIFARE射频卡具有先进的数据通信加密技术，需要双向验证密码系统，且具有防重叠功能，即能在同一时间处理读写器天线的有效工作距离内的多张卡片。

MIFARE射频卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议，卡片上有高速的CRC协处理器，符合CCITT标准。

MIFARE 1 S50射频卡卡片上内建8K（bit）存储容量EEPROM并被划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储块。卡片上还内建有增值/减值的专项的数学运算电路。卡片上的数据读写可超过10万次以上，数据保存期可达10年以上，且卡片抗静电保护能力达2KV以上。

3 MIFARE卡的工作原理

MIFARE射频卡由一个天线和一个微模块组成。天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中，微模块由一个高速的RF射频接口电路和数字电路部分组成。其工作原理：读写器向卡片发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。

4 射频前端总体结构及方案设计

MIFARE卡读写器的设计一般用Philips公司生产的读写模块MCM200或MCM500， 当采用MCM500作为读写器的读写模块时，操作距离为100mm；当采用MCM200时，操作距离为25mm。为了满足更多的应用需求，增加通信距离，可采取几项措施实现：增大功放发射功率，使传输到天线的功率增大；增大天线线圈的面积，使得天线的近场辐射范围增大；采用铁氧体材料，提高接收信号的灵敏度。

从理论上来说，采用以上技术手段，即可达到增加读卡器和MIFARE卡之间通信距离的目的。只要发射功率足够大，天线线圈面积足够大，通信距离可大大增加。但通信距离在天线线圈中磁通量达到饱和之后则不能再增大。

根据如上分析，MIFARE读卡器射频前端主要由射频收发电路和天线两部分组成。

MIFARE读卡器射频收发电路要完成几项功能：在发射部分，要将基带数字信号调制到13.56MHz的载频上，通过功放放大以后，然后经天线发射出去；在接收部分，将从天线接收到的射频回波信号进行检波，并放大解调后输出。

MIFARE收发天线主要完成射频收发信号的近场辐射。

射频前端包含发射通道、接收通道、过压过流监测保护电路、电源转换电路以及天线和天线匹配电路等几个部分组成。

发射通道由调制电路、前置放大电路、功放电路以及匹配电路组成。为了达到我们所希望的30cm的通信距离，发射功率要大于8W以上。

过压过流监测保护电路主要是为了防止在发生阻抗失配的时候，产生全反射，导致功放等器件损坏的情况。

天线和天线匹配电路需要单独进行设计，天线模块的尺寸为30cm×40cm。

接收通道由滤波电路、检波电路、放大电路以及光耦隔离电路组成。接收信号输出为模拟信号。

电源转换电路负责给射频前端各单元电路供电。

MIFARE读卡器射频前端设计方案如图1所示。

5 具体硬件实现

5.1 前置射频放大器

前置射频放大器采用典型的A类放大电路，中心工作频率为13.56MHz。A类放大器的特点是不论是否有输入信号，其输出电路恒有电流流通，放大器在特性曲线的线性范围内工作，信号传真度很高。所以A类放大器的优点是失真度小，最大的缺点是功率效益低，最大只有25%。

5.2 射频功率放大器

射频功率放大器采用AB类放大电路，如图2所示，由两只匹配的晶体管以推挽工作方式组成。AB类放大电路的偏置介于A类放大器与B类放大器之间，在没有信号的时候，两只晶体管都是导通的，但电流很小，当有信号输入时，晶体管中的电流会变大。交流信号使其中的一只晶体管截止，另一只晶体管则为导通，两只管子始终是轮流截止和导通，并且其中流过的电流几乎是全部送入负载。

射频功率放大器的中心工作频率为13.56MHz。

与A类放大器相比，AB类放大器的优点是功率效率很高，可达到70%以上，另外推挽电路可以抑制偶次谐波，减低非线性失真。

5.3 前置中频放大器

前置中频放大器采用共基-共射的渥尔曼电路。通常为了得到好的频率特性，需要采用共基极放大电路，但代价是使得输入阻抗变低，电路难于使用，然而渥尔曼电路可以克服了这一缺点。典型的渥尔曼放大电路如图3所示。

渥尔曼电路的优点。

（1）输入阻抗比共基极电路的高，输出阻抗比共发电路的高。因此，它对前级的影响小，对本级负载的分流小。由于实际负载是LC谐振回路而非典型电路中的Rc，可以明显提高LC回路的工作Q值。

（2）这种组合电路的内部反馈小，工作十分稳定。因此，如果把它用于中频放大器时，不用中和电路也可以稳定提供高增益。

（3）这种组合电路的频带宽，适合于宽带放大。

前置中频放大器工作在副载波频率，其中心频率为847KHz。

5.4 主中频放大器

由于RFID信号强弱变化剧烈而迅速，一般AGC系统难以满足，因此主中频放大器采用了二级双增益对数放大器电路，如图4所示。

对数放大器是一种输出电压与输入电压成对数关系的放大器，实际的对数放大器通常多为线性对数放大器，即小信号输入时为线性放大器，大信号输入时为对数放大。

对数双增益放大器是由一个限幅放大器和一个单位增益放大器所组成。在输入较小时，限幅放大器有高增益，当输入超过某一值后输出限幅电压。单位增益放大器在整个输入信号动态范围内都不限幅，但增益为1，无放大作用，两个放大器输出为同一负载。

对数双增益放大器的总输出特性曲线如图5。

用对数放大器具有动态范围宽、响应时间短、工作稳定（级联中无反馈）、抗过载等特点。

主中频放大器工作在副载波频率，其中心频率为847KHz。

6 结束语

本文给出了由单片机控制，用分离元件实现的符合ISO/IEC 14443 TYPE A协议的远距离MIFARE 1卡读卡器射频前端硬件电路系统的设计。解决了一系列RFID读卡器射频前端实现远距离的通信的关键技术，诸如：大功率功放的匹配技术、线圈天线的自动匹配技术、大的发射信号下，接收小信号的检测技术、射频信号的收发隔离技术。读卡器的工作距离在30cm以上，已经投入实用，应用前景较好。

参考文献

[1] Standard Card IC MF1IC S70 Functional Specification. Philips Semiconductors 2001.

[2] Mifare Standard IC Card Design Data Sheet. Philips Semiconductor 2002.

[3] 游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用.北京：电子工业出版社，2004.

[4] 张晓鹏，朱云龙，罗海波.超高频射频识别读写器设计[J].电子器件， 2005（09）：545.

[5] Behzad Razavi. 射频微电子[M]. 北京：清华大学出版社， 2006.

作者简介：

徐益敏（1978-），男，汉族，上海大学，本科，现就读于上海交通大学；主要研究方向和关注领域：自动识别技术相关应用研究。

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