CN101950349A - 一种非接触卡读卡器 - Google Patents
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Abstract
一种非接触卡读卡器。涉及一种射频卡读写器。能大幅度降低运行功耗。包括设在壳体内的读写电路和USB连接电路，所述读写电路包括支持纳瓦技术的具有1-8脚的MCU，所述USB连接电路包括电源适配电路和I2C接口，所述读写电路还包括与射频卡通讯的谐振电路、检波电路、基准电压提供电路、比较接口和电源管理接口。本发明采用由支持纳瓦技术的MCU为核心，在读写之前进行电路检查，当发现与初始状态不符时关闭读写电路，给出报警提示，延长了电池寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频卡读写器，尤其涉及一种利用支持纳瓦技术的MCU实现低功耗工作状态的射频卡读写器。
背景技术
非接触式IC卡又称射频卡，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分。是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来，结束了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。卡片在一定距离范围(通常为5-10mm)靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。
非接触性IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。二者之间的通讯频为125Kz。非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作是，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、储存等，并返回信号给读写器，完成一次读写操作。读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通讯接口，打印口，I/O口等，以便应用于不同的领域。
与接触式IC卡相比较，非接触式卡具有以下优点：
1、可靠性高非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。例如：由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰尘或油污导致接触不良造成的故障。此外，非接触式卡表面无裸露芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。
2、操作方便。由于非接触通讯，读写器在10CM范围内就可以对卡片操作，所以不必插拨卡，非常方便用户使用。非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以在任意方向掠过读写器表面，既可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。
3、可以适合于多种应用。非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，同时IC卡也验证读写器的合法性。
4、加密性能好。非接触式IC卡由IC芯片，感应天线组成，并完全密封在一个标准PVC卡片中，无外露部分。非接触式IC卡的读写过程，通常由非接触型IC卡与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。
非接触型IC卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。由非接触式IC卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件，脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。
目前，射频卡广泛应用于水表、热量表、燃气表、公交自动售票、停车自动收费、食堂售饭、考勤和门禁等多种场合，而对射频卡进行读写的电路应用最多的是由集成器件U2270B结合其外围器件构成，如图2所示。由于U2270B只能在4.5V～5.5V的电压区间工作，如果用户使用U2270B来设计读写基站系统，则需要工作在5V或更高电压，系统在这个电压下工作，功耗变高，供电电池有效工作电压区间也显得比较窄，而且要考虑到由于电池放电的不均匀而造成电池的使用寿命短等问题。U2270B采用内置的RC振荡电路提供射频的基准时钟，而RC振荡电路的频率特性在稳定性和温度系数方面较差，所以U2270B的读写电路中需要在RF管脚上加一个频率校准电阻，在必要的时候对这个电阻进行调整才可以达到理想的输出频率，这样在生产的过程中就需要在产品出厂前对射频的频率进行测试和调整，大大地增加了生产流程的复杂性。U2270B的天线驱动电路采用直接耦合的方式，这样做的一个直接后果就是当外部串接的谐振回路的固有频率和U2270B的内部时钟频率存在误差的时候，天线上的实际发射频率也会发生变化，影响卡片的读写。
此外，还有采用逻辑器件门电路4060，运算放大器TL062，LM358，ST393等，组成的读写卡电路由于器件多，电路结构相对复杂，其固有的缺点是故障率比较高，不利于缩小体积。
上述的电路都是通电后直接处于运行状态，其自身的运行状态特别是电路的器件故障、自身的功耗是不可控的，难以做到电池供电系统长期的低功耗运行。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种能大幅度降低运行功耗的非接触卡读卡器。
本发明的技术方案是：包括设在壳体内的读写电路和USB连接电路，所述读写电路包括支持纳瓦技术的具有1-8脚的MCU，所述USB连接电路包括电源适配电路和I2C接口，所述读写电路还包括与射频卡通讯的谐振电路、检波电路、基准电压提供电路、比较接口和电源管理接口；
所述谐振电路包括相互串接的电感L1和电容C1；
所述检波电路包括二极管D1、电容C2、电容C3、电容C4和电阻R5；
所述电容C1的一端接地，另一端分别于所述电感L1和二极管D1的正极端相连；所述电容C2和电阻R4的一端分别接地，电容C2和电阻R4的另一端分别于二极管D1的负极端和电阻R5的一端相连；电容C3和电容C4串接在电阻R5的后端，电容C4的尾端接地；在电容C3和电容C4之间有B接点；
所述基准电压提供电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5和基准电压源；电阻R6、电阻R7、电阻Rg和电容C5的一端共同连接于A接点，电容C5的另一端接地，电阻Rg的另一端连接所述基准电压源，电阻R7的另一端接地，电阻R6的另一端分别连接所述B接点；
所述比较接口包括所述MCU的2、3脚，所述2脚连接所述A接点，所述3脚连接所述B接点；
所述电源管理接口包括所述MCU的1、8脚；所述MCU的1、8脚连接所述电源适配电路；
所述MCU的4脚连接所述电感L1；
所述MCU的6、7脚连接所述I2C接口。
它还包括串接在电感L1和所述MCU的4脚之间的放大电路，所述放大电路包括NPN型的三极管Q1、PNP型的三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R14和基准电压源，电阻R14的一端与所述所述MCU的4脚相连，电阻R14的另一端分别与三极管Q1、三极管Q2的B极并接，三极管Q2的C极接地，电阻R1和电阻R2串接在三极管Q1的E极和三极管Q2的E极之间，电阻R1和电阻R2之间有C接点，所述C接点连接所述电感L1。
本发明中的读写电路，采用由支持纳瓦技术的MCU为电路的控制核心，读写电路含有信号与能量发射、信号接收模块、信号处理模块；数据与能量发射、接收模块含有线圈L1、C1，MCU产生的125Kz、manchester方式调制的数据由其4pin(脚)经Q1、Q2互补功率输出。L1、C1谐振于125Kz，L1一方面辐射能量与发送数据、另一方面根据其负载的变化接收被读的调制数据；D1、电容(C2、C3、C4)和电阻(R4、R5)为AM检波，C2、C3、C4、R4、R5组成滤波电路，经C3连到MCU 3Pin，R7、Rg、R6为MCU内部比较器的基准单元，给MCU的2、3Pin提供的基准，MCU依据基准解调出数据。3pin还在数据信号的间隙进行ad转换，分辨干扰与数据，对干扰数据进行滤除，提高数据传输的抗干扰性。MCU的2、3、4pin在非读写期间被置于数字口状态，在读写之前进行电路检查，当发现与初始状态不符时关闭读写电路，给出报警提示，尽可能的延长了电池供电设备的使用寿命。经试验检测，本发明的工作电压为2.7-5v，工作电流4.5mA，静态电流为10nA，以应用于智能水表为例，一月一抄，功耗在纳瓦级水平，可确保智能水表同样的电池，工作更长的时间。此外，还可以拓展应用到智能煤气表、电表、公交卡等。
附图说明
图1是本发明的原理框图
图2是本发明的电路图
图3是本发明另一实施方式的电路图
图中1是谐振电路，2是检波电路，3是基准电压提供电路，4是比较接口，5是外部设备连接口，6是放大电路，7是电源管理接口，8是MCU，9是射频卡。
具体实施方式
本发明如图1、2所示，包括设在壳体内的读写电路和USB连接电路，所述读写电路包括支持纳瓦技术的具有1-8脚的MCU8，所述USB连接电路包括电源适配电路和I2C接口，所述读写电路还包括与射频卡通讯的谐振电路1、检波电路2、基准电压提供电路3、比较接口4和电源管理接口7；
所述谐振电路1包括相互串接的电感L1和电容C1；
所述检波电路2包括二极管D1、电容C2、电容C3、电容C4和电阻R5；
所述电容C1的一端接地，另一端分别于所述电感L1和二极管D1的正极端相连；所述电容C2和电阻R4的一端分别接地，电容C2和电阻R4的另一端分别于二极管D1的负极端和电阻R5的一端相连；电容C3和电容C4串接在电阻R5的后端，电容C4的尾端接地；在电容C3和电容C4之间有B接点；
所述基准电压提供电路3包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5和基准电压源；电阻R6、电阻R7、电阻R8和电容C5的一端共同连接于A接点，电容C5的另一端接地，电阻R8的另一端连接所述基准电压源，电阻R7的另一端接地，电阻R6的另一端分别连接所述B接点；
所述比较接口4包括所述MCU的2、3脚，所述2脚连接所述A接点，所述3脚连接所述B接点；
所述电源管理接口7包括所述MCU的1、8脚；所述MCU的1、8脚连接所述电源适配电路；
所述MCU8的4脚连接所述电感L1；
所述MCU8的6、7脚(即电路的外部设备连接口5)连接所述I2C接口。将数据通过USB连接电路的USB物理接口传输给PC等外部设备上去，或将PC的数据导入电路中来。
本发明的另一实施方式如图3所示，它还包括串接在电感L1和所述MCU8的4脚之间的放大电路6，所述放大电路6包括NPN型的三极管Q1、PNP型的三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R14和基准电压源，电阻R14的一端与所述所述MCU的4脚相连，电阻R14的另一端分别与三极管Q1、三极管Q2的B极并接，三极管Q2的C极接地，电阻R1和电阻R2串接在三极管Q1的E极和三极管Q2的E极之间，电阻R1和电阻R2之间有C接点，所述C接点连接所述电感L1。
组成电路的各模组化电路组成及功能作用：
谐振电路1：L1、C1组成125KZ谐振电路，L1一方面辐射能量、发送调制数据，另一方面，当卡处于辐射区内，且正确接收命令数据后，卡内的返回数据由内部的线圈作为L1、C1谐振回路的负载，负载的的变化直接反映的内部被调制的数据信息。L1、C1连接点输出接收到的数据调制信号。
检波电路2：D1、R4、R5、C2、C3、C4为数据调制信号的检波电路。
基准电压提供电路3：R7、R8是MCU内部比较电路的基准电压提供电路，C5为基准电压提供电路的滤波。R6是内部比较电路cmpin-的偏置隔离电阻，b点的点位略低于a点的点位，检波电路有数据输出时b点的点位随之变化，比较器根据其变化，解调数据。
比较接口4：MCU2、3脚在数据接收时，连接内部比较器，在等待接收与接收前夕mcu的3脚为数字口输入状态，检测b点的电平是否为数据电平，大于和小于数据电平的宽度一般会视为干扰，MCU在需要时还会将2脚也切换为I/O口，做器件完好性检查。
外部设备连接口5：MCU的6、7脚为外部设备连接口。
放大电路6：MCU4脚输出125KH和被调制的数据信号，Q1、Q2为互补功率输出管，R1、R2是输出匹配电路的一部分，R14是Q1、Q2基极驱动限流电阻。
C、D点直接连接的情况下(即本发明图所示状况)，直接使用MCU的含有CMOS互补推挽电路的io口MCU4脚，输出125KH和被调制的数据功率信号，直接送至L1、C1谐振发射电路，以形成放大作用。
电源管理接口7：MCU的vdd、vss可以连接2.7-3.6v的电池，MCU的核可以工作在1.8v。MCU内部含有电源管理模块，负责监测周边元器件的工作状态与电池的工作状态，在非读卡期间受内部策略机制的控制，一种是处于待机状态，待机电流为60nA，(microchip的nanoWatt XLP技术)。另一种状态时绝大部分时间处于睡眠状态，这时mcu的自身耗电更低。
本发明与背景技术对比表：
| 指标 | 本发明 | 背景技术 |
| 电压 | 2.7v-5v | 5v |
| 静态电流 | nA | uA-mA |
| 读写卡电流 | 小于4.5mA | 10-100mA |
| 干扰排除 | 有 | 无 |
| 器件故障保护 | 有 | 无 |
本发明的有关数据：
标准：ISO 11784/11785
可读写卡类型：EM4001、EM4100、EM4469、EM4205、HITAGS、T5557
温度范围：-20～85度
湿度：95+-2％
电压：2.7-5v
工作电流：4.5mA
静态电流：60nA
Claims (2)
1.一种非接触卡读卡器，包括设在壳体内的读写电路和USB连接电路，所述读写电路包括支持纳瓦技术的具有1-8脚的MCU(8)，所述USB连接电路包括电源适配电路和I2C接口，其特征在于，所述读写电路还包括与射频卡通讯的谐振电路(1)、检波电路(2)、基准电压提供电路(3)、比较接口(4)和电源管理接口(7)；
所述谐振电路(1)包括相互串接的电感L1和电容C1；
所述检波电路(2)包括二极管D1、电容C2、电容C3、电容C4和电阻R5；
所述电容C1的一端接地，另一端分别于所述电感L1和二极管D1的正极端相连；所述电容C2和电阻R4的一端分别接地，电容C2和电阻R4的另一端分别于二极管D1的负极端和电阻R5的一端相连；电容C3和电容C4串接在电阻R5的后端，电容C4的尾端接地；在电容C3和电容C4之间有B接点；
所述基准电压提供电路(3)包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5和基准电压源；电阻R6、电阻R7、电阻R8和电容C5的一端共同连接于A接点，电容C5的另一端接地，电阻R8的另一端连接所述基准电压源，电阻R7的另一端接地，电阻R6的另一端分别连接所述B接点；
所述比较接口(4)包括所述MCU的2、3脚，所述2脚连接所述A接点，所述3脚连接所述B接点；
所述电源管理接口(7)包括所述MCU的1、8脚；所述MCU的1、8脚连接所述电源适配电路；
所述MCU(8)的4脚连接所述电感L1；
所述MCU(8)的6、7脚连接所述I2C接口。
2.根据权利要求1所述的一种非接触卡读卡器，其特征在于，它还包括串接在电感L1和所述MCU的4脚之间的放大电路(6)，所述放大电路(6)包括NPN型的三极管Q1、PNP型的三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R14和基准电压源，电阻R14的一端与所述所述MCU的4脚相连，电阻R14的另一端分别与三极管Q1、三极管Q2的B极并接，三极管Q2的C极接地，电阻R1和电阻R2串接在三极管Q1的E极和三极管Q2的E极之间，电阻R1和电阻R2之间有C接点，所述C接点连接所述电感L1。
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|---|---|
| CN101950349A true CN101950349A (zh) | 2011-01-19 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110119 |