CN103413111B - 基于开关式电感电路的具有id卡功能的读卡器 - Google Patents

Abstract

基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，本发明涉及基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器。本发明为了解决现有的读卡器采用的是射频卡，对周围有电磁辐射污染的问题。基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器通过ARM单片机控制电流源电路向第一电感充放电来实现读卡器电路的功能，不同于射频卡，是测量电感值来识别ID卡电路的ID码的，工作频率低。本发明适用于门禁系统等领域。

Description

基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器

技术领域

本发明涉及一种读卡器，具体涉及基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器。

背景技术

现有的读卡器采用的是射频卡，对周围有对周围有电磁辐射污染。

发明内容

本发明为了解决现有的读卡器采用的是射频卡，对周围有对周围有电磁辐射污染的问题，从而提出了基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器。

基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器包括读卡器电路和ID卡电路，

所述的读卡器电路包括电流源电路、测量电路和开关式电感电路；

所述的开关式电感电路包括第一电子开关电路、第二电子开关电路、第三电子开关电路、第四电子开关电路、第一二极管、第二二极管和第一电感；

ID卡电路包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、稳压管、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、第一三极管、第二三极管、单片机和第二电感，

读卡器电路的电流源电路的供电电源端连接供电电源的正极VCC，

电流源电路的电流输出端同时连接第一电子开关电路的一端和第三电子开关电路的一端；

第一电子开关电路的另一端同时连接第一电感的一端、第二电子开关电路的一端、第一二极管的阴极和测量电路的电压输入端，

第三电子开关电路的另一端同时连接第一电感的另一端、第二二极管的阴极和第四电子开关电路的一端，

第二电子开关电路的另一端、第一二极管的阳极、第二二极管的阳极和第四电子开关电路的另一端同时接供电电源的电源地，

第一电子开关电路的控制端连接测量电路的第一电子开关控制端，

第二电子开关电路的控制端连接测量电路的第二电子开关控制端，

第三电子开关电路的控制端连接测量电路的第三电子开关控制端，

第四电子开关电路的控制端连接测量电路的第四电子开关控制端；

ID卡电路的第二电感与读卡器电路的第一电感互感，

第二电感的一端同时连接第一三极管集电极、第三二极管的阳极和第五二极管的阴极，

第二电感的另一端同时连接第一三极管的发射极、第二三极管的集电极、第四二极管的阳极和第六二极管的阴极，

第四二极管阴极同时连接第三二极管的阴极、电容C1的一端、电阻R1的一端和数字电源的正极VDD，

第五二极管的阳极同时连接第六二极管的阳极、电容C1的另一端和单片机的接地端，第五二极管的阳极接数字电源的电源地，

电阻R1的另一端同时连接稳压管的阴极、电容C2的一端和单片机的电源端，

稳压管的阳极接数字电源的电源地，

电容C2的另一端接数字电源的电源地；

单片机的P1.0端连接电阻R2的一端，

电阻R2的另一端连接第一三极管的基极，

单片机的P1.1端连接电阻R3的一端，

电阻R3的另一端连接第二三极管的基极，

第二三极管的发射极接数字电源的电源地。

单片机采用430G2553芯片。

电流源电路包括电阻R4至电阻R7、可调电阻VR1和P沟道MOS管，

电阻R4的一端同时连接电阻R7的一端和供电电源的正极VCC，

电阻R4的另一端同时连接电阻R6的一端和可调电阻VR1的可调端，

可调电阻VR1的固定端同时连接电阻R5的一端、电阻R6的另一端和P沟道MOS管的栅极，

电阻R5的另一端接供电电源的电源地，

P沟道MOS管的源极连接电阻R7的另一端，

P沟道MOS管的漏极同时连接第一电子开关电路的一端和第三电子开关电路的一端。

供电电源的正极VCC的电压范围为5V至20V。

测量电路包括电阻R8至电阻R12、一级运算放大器、二级运算放大器、可调电阻VR2、第八二极管和ARM单片机，

电阻R8的一端连接第一二极管的阴极，

电阻R8的另一端连接一级运算放大器的正向信号输入端，

一级运算放大器的反向信号输入端同时连接电阻R9的一端和电阻R10的一端，

电阻R9的另一端接供电电源的电源地，

电阻R10的另一端同时连接一级运算放大器的信号输出端和二级运算放大器的反向信号输入端，

二级运算放大器的正向信号输入端连接可调电阻VR2的可调端，

可调电阻VR2的一个固定端接供电电源的电源地，

可调电阻VR2的另一个固定端接供电电源的负电源-VCC，

二级运算放大器的信号输出端接电阻R11的一端，

电阻R11的另一端同时接第八二极管的阴极、电阻R12的一端和ARM单片机的I/O信号输入端，

ARM单片机的第一电子开关控制端连接第一电子开关电路的控制端，

ARM单片机的第二电子开关控制端连接第二电子开关电路的控制端，

ARM单片机的第三电子开关控制端连接第三电子开关电路的控制端，

ARM单片机的第四电子开关控制端连接第四电子开关电路的控制端，

电阻R12的另一端连接第八二极管的阳极，

第八二极管的阳极接供电电源的电源地。

所述的ARM单片机采用的芯片为LM3S9B96。

所述的第一电子开关电路包括电阻R13、电阻R14、第一N沟道MOS管和第三三极管，

电阻R13的一端连接测量电路的ARM单片机的第一电子开关控制端，

电阻R13的另一端接第三三极管的基极，

第三三极管的集电极同时连接电阻R14的一端和第一N沟道MOS管的栅极，

电阻R14的另一端接供电电源的正极VCC，

第三三极管的发射极接供电电源的电源地，

第一N沟道MOS管的漏极作为第一电子开关电路的一端同时与电流源电路的电流输出端和第三电子开关电路的一端连接，

第一N沟道MOS管的源极作为第一电子开关电路的另一端连接第一二极管的阴极。

所述的第二电子开关电路包括电阻R15、电阻R16、第二N沟道MOS管和第四三极管，

电阻R15的一端连接测量电路的ARM单片机的第二电子开关控制端，

电阻R15的另一端接第四三极管的基极，

第四三极管的集电极同时连接电阻R16的一端和第二N沟道MOS管的栅极，

电阻R16的另一端接供电电源的正极VCC，

第四三极管的发射极接供电电源的电源地，

第二N沟道MOS管的漏极作为第二电子开关电路的一端连接第一二极管的阴极，

第二N沟道MOS管的源极作为第一电子开关电路的另一端连接第一二极管的阳极。

所述的第三电子开关电路包括电阻R17、电阻R18、第三N沟道MOS管和第五三极管，

电阻R18的一端连接测量电路的ARM单片机的第三电子开关控制端，

电阻R18的另一端接第五三极管的基极，

第五三极管的集电极同时连接电阻R17的一端和第三N沟道MOS管的栅极，

电阻R17的另一端接供电电源的正极VCC，

第五三极管的发射极接供电电源的电源地，

第三N沟道MOS管的漏极作为第三电子开关电路的一端同时与电流源电路的电流输出端和第一电子开关电路的一端连接，

第三N沟道MOS管的源极作为第三电子开关电路的另一端连接第二二极管的阴极。

所述的第四电子开关电路包括电阻R19、电阻R20、第四N沟道MOS管和第六三极管，

电阻R20的一端连接测量电路的ARM单片机的第四电子开关控制端，

电阻R20的另一端接第六三极管的基极，

第六三极管的集电极同时连接电阻R19的一端和第四N沟道MOS管的栅极，

电阻R19的另一端接供电电源的正极VCC，

第六三极管的发射极接供电电源的电源地，

第四N沟道MOS管的漏极作为第四电子开关电路的一端连接第二二极管的阴极，

第四N沟道MOS管的源极作为第四电子开关电路的另一端连接第二二极管的阳极。

本发明通过ARM单片机控制电流源电路向第一电感充放电来实现读卡器电路的功能，不同于射频卡，是测量电感值来识别ID卡电路的ID码的，工作频率低，只有32KHz。

附图说明

图1为基于开关式电感电路的具有读取ID卡功能的读卡器电路1和ID卡电路2；

图2为取下单片机D接入可调电阻VR3时的第二电感L2的整流输出的伏安特性曲线图，所述的可调电阻VR3的电阻范围为1K至10K，

图3为第一电子开关电路1-1和第一电感L1的波形图；图中u1表示第一电子开关电路1-1的输入信号波形曲线，ua表示第一电感L1的a端对地的电压波形曲线；

图4为第一电子开关电路1-1和第二电感L2的波形图；图中u1表示第一电子开关电路1-1的输入信号波形曲线，ua表示第二电感L2两端电压ucd的波形曲线。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器包括读卡器电路1和ID卡电路2，

所述的读卡器电路1包括电流源电路A、测量电路B和开关式电感电路C；

所述的开关式电感电路C包括第一电子开关电路1-1、第二电子开关电路1-2、第三电子开关电路1-3、第四电子开关电路1-4、第一二极管D1、第二二极管D2和第一电感L1；

ID卡电路2包括第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、稳压管D7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、第一三极管Q1、第二三极管Q2、单片机D和第二电感L2，

读卡器电路1的电流源电路A的供电电源端连接供电电源的正极VCC，

电流源电路A的电流输出端同时连接第一电子开关电路1-1的一端和第三电子开关电路1-3的一端；

第一电子开关电路1-1的另一端同时连接第一电感L1的一端、第二电子开关电路1-2的一端、第一二极管D1的阴极和测量电路B的电压输入端，

第三电子开关电路1-3的另一端同时连接第一电感L1的另一端、第二二极管D2的阴极和第四电子开关电路1-4的一端，

第二电子开关电路1-2的另一端、第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极和第四电子开关电路1-4的另一端同时接供电电源的电源地，

第一电子开关电路1-1的控制端连接测量电路B的第一电子开关控制端，

第二电子开关电路1-2的控制端连接测量电路B的第二电子开关控制端，

第三电子开关电路1-3的控制端连接测量电路B的第三电子开关控制端，

第四电子开关电路1-4的控制端连接测量电路B的第四电子开关控制端；

ID卡电路2的第二电感L2与读卡器电路1的第一电感L1互感，

第二电感L2的一端同时连接第一三极管Q1集电极、第三二极管D3的阳极和第五二极管D5的阴极，

第二电感L2的另一端同时连接第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的集电极、第四二极管D4的阳极和第六二极管D6的阴极，

第四二极管D4阴极同时连接第三二极管D3的阴极、电容C1的一端、电阻R1的一端和数字电源的正极VDD，

第五二极管D5的阳极同时连接第六二极管D6的阳极、电容C1的另一端和单片机D的接地端，第五二极管D5的阳极接数字电源的电源地，

电阻R1的另一端同时连接稳压管D7的阴极、电容C2的一端和单片机D的电源端，

稳压管D7的阳极接数字电源的电源地，

电容C2的另一端接数字电源的电源地；

单片机D的P1.0端连接电阻R2的一端，

电阻R2的另一端连接第一三极管Q1的基极，

单片机D的P1.1端连接电阻R3的一端，

电阻R3的另一端连接第二三极管Q2的基极，

第二三极管Q2的发射极接数字电源的电源地。

本实施方式中的第一电感L1的端电压和第二电感L2的端电压可以用通用示波器获得充电和测量波形，也可以通过电子电路检测到波形的指定特征段。

本实施方式在基于开关式电感电路C的电感值测量方法和互感值测量方法的基础上，以互感方式向ID卡电路2充电，ID卡电路2以短路副线圈方式向读卡器电路1传输该ID卡电路2的ID码。

基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的电路图如图1所示，包括读卡器电路1和ID卡电路2两部分，二者通过第一电感L1和第二电感L2耦合，读卡器电路1以互感方式向ID卡电路2充电，ID卡电路2则以短时间短路第二电感L2来影响（减少）第一电感L1的电感值，向读卡器电路1传输ID卡电路2的ID码，读卡器电路1实时测量第一电感L1的电感值来间接读取ID码。

读卡器电路1由电流源电路A、第一电子开关电路1-1、第二电子开关电路1-2、第三电子开关电路1-3、第四电子开关电路1-4、测量电路B和ARM单片机E构成。

ARM单片机E按表1周期性地控制第一电感L1充放电，达到向第二电感L2充电和测量第一电感L1的电感值的目的。表1表示第一N沟道MOS管V1、第二N沟道MOS管V2、第三N沟道MOS管V3和第四N沟道MOS管V4的双向充电开关逻辑，

表1

ID卡电路2包括第二电感L2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、稳压管D7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、第一三极管Q1、第二三极管Q2和单片机D。在充电期间，第一电感L1向第二电感L2感应电磁能量，经过第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D整流形成电源VDD再经稳压管D7稳压保护后给单片机D供电。单片机D得电后，通过第一三极管Q1和第二三极管Q2的导通使第二电感L2短路，以至于改变第一电感L1的电感量来向读卡器电路1发送ID码。

读卡器1测量第一电感L1的电感值的原理是：ARM单片机控制电流源电路A向被测电感充电，直到电感电流i1等于电流源电路A输出的电流值Is，然后放电，定时测量稳定放电时间来间接测量电感值。有如下关系式

$L_1=\frac{U_{\mathrm{DP}}}{I_1-I_2}{t}_D---\left(1\right)$

其中，t_D是第一二极管D1处于稳定正向导通的那段时间，I₁与I₂是第一电感L1稳定放电电流的初值和终值，U_DP是肖特基第一二极管D1的正向电压，约0.3V。放电期间的阻尼振荡部分没有用。当t_D的量纲为us，U_DP的量纲为V，I₁和I₂的量纲为A时，L₁的量纲为uH。

当ID卡的线圈第二电感L2靠近读卡器的线圈第一电感L1时对第一电感L1有互感，第二电感L2短路会使第一电感L1的电感量改变（一般是下降），测量第一电感L1的值就可以读出ID卡发过来的ID码。

第二电感L2上的电压ucd是由Is激励，经第一电感L1和第二电感L2互感而产生的，加大Is和提高频率，就能增加ucd的高度和频度，从而提高副边线圈第二电感L2的感应电的功率。

在图1中，取下单片机D，接入可调电阻VR3，可调电阻VR3由10个1K电阻构成，用以测量Uo和Io的伏安特性，如图2所示。

第一电感L1与第二电感L2一样，用线径为0.2mm的漆包线绕制直径为50mm的线圈5匝,电感值为3.2uH，第一电感L1位于读卡器电路1一侧，可以增加匝数和采用磁芯，但增加第一电感L1的匝数就会降低第二电感L2感应的脉冲高度u2，不利于充电，加入磁芯，会增加第一电感L1的电感量，因而增加充放电的时间或周期，频率只能变低，否则感抗很大充不进电。因此选择5匝空心1比1。第一电感L1和第二电感L2分别贴在1.2mm厚的有机玻璃板上，线圈之间的距离至少是两个板厚度为2.4mm。

ID卡电路2的工作原理为：

单片机D从第二电感L2获得电后，不断向读卡器电路1发出自己的ID码，之间间隔一秒。ID码设计为32bit，由一个长整型变量（4字节）构成，最后再发出一个字节的总和校验码。发码是利用第二电感L2短路对第一电感L1的影响来实现的，第二电感L2短路时，第一电感L1的电感值减少。逻辑编码的0,1是用短路的时间长短来实现，逻辑0的短路时间为△t₀,对应的定时计数值为N_t0，逻辑1的短路时间为△t₁,对应的定时计数值为N_t1。△t₀的设计值选择读卡器电路1可以采样5-7次，△t₁的设计值选择阅读器可以采样1-3，即△t₀>△t₁。

短路第二电感L2是由单片机D控制P1.0和P1.1使第一三极管Q1和第二三极管Q2导通来实现的。

发ID码的逻辑流程由生成总和校验码SUM、发ID码和发SUM这3部分组成。

发ID码的过程为：设ID码的变量为ID_code,设计一个32次的循环左移将32个bit逐个发出。

因为短路时，停止了对单片机D的充电，单片机D的电靠电容C21维持，所以要有NT的间隔时间用来充电。

读卡器电路1测量第一电感L1的电感值的过程为：

为了兼顾充电和读ID码，读卡器电路1把每个作业周期分成充电时段和测量时段，充电时段按表1的逻辑状态控制，测量时段只选3个逻辑状态，即正向充电，正向放电，反向充电。在正向放电期间测量出式（1）的t_D，要得到稳定的t_D，试验找出每个逻辑状态时间要大于8us，所以充电时段的时间是8us，测量时段的时间是3*8us=24us，总的作业周期是T=8+24=32us，所以对第一电感L1的采样频率最快为32KHz，所以ID卡电路2中的△t₁>=100us（1-3个采样周期）,△t₀>=200us(5-7个采样周期)。

Is=180mA，从式（1）知，t_D代表第一电感L1的值，ARM单片机E定时读出的计数值每us为100，用N_tD表示，没有ID卡电路2时或第二电感L2没有短路时，N_tD=116—118,换算成tD=1.16—1.18us，硬件短路L2时，N_tD=60，即t_D=0.6us左右，当ID卡电路2的第一三极管Q1和第二三极管Q2导通短路第二电感L2时，N_tD<=90;,即t_D<=0.9us。

这样读卡器电路1读出ID卡电路2的ID码的流程为：

(1)连续读出N_tD的值在100—130，当持续时间t_over超过1ms，则将数据缓冲区buff[]指针ptr_ID复位。

(2)当N_tD值小于100时采样次数count++；将超时定时复位t_over=0;

(3)当N_tD值在100—130之间，而且没有超时，则将count存入数据缓冲区buff[ptr_ID++];

if(ptr_ID>=40){ptr_ID=40;并设置数据已经读齐的标志}

(3)当数据读齐后，分析buff[]中的数据，5—7为逻辑0,1-3为逻辑1，前32个bit为ID码，后8bit为校验码SUM，校验成功后发出蜂鸣声。并在ARM单片机E的LCD屏上显示读出的ID码。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，单片机D采用430G2553芯片。

本实施方式所述的单430G2553芯片的耗电量很低。1mW的供电就能工作。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，电流源电路A包括电阻R4至电阻R7、可调电阻VR1和P沟道MOS管V5，

电阻R4的一端同时连接电阻R7的一端和供电电源的正极VCC，

电阻R4的另一端同时连接电阻R6的一端和可调电阻VR1的可调端，

可调电阻VR1的固定端同时连接电阻R5的一端、电阻R6的另一端和P沟道MOS管V5的栅极，

电阻R5的另一端接供电电源的电源地，

P沟道MOS管V5的源极连接电阻R7的另一端，

P沟道MOS管V5的漏极同时连接第一电子开关电路1-1的一端和第三电子开关电路1-3的一端。

本实施方式所述的电流源电路A恒流值一般取180mA以上，与充电和读出ID码有关，恒流值越大充电能力越强。恒流源电路A可以用任何一种P沟道的MOS管或PNP的晶体管构成。电流源电路A输出接通时，恒流值正常，电流源电路A工作；电流源电路A输出断开时，恒流值为0A。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，供电电源的正极VCC的电压范围为5V至20V。

本实施方式所述的供电电源的正极VCC一般取12V，与充电的强度有关，当Vcc太高会使恒流源的调整管功耗过大，充电效率低，供电电源的正极VCC普遍在5V至20V之间选择。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式一所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，测量电路B包括电阻R8至电阻R12、一级运算放大器IC1、二级运算放大器IC2、可调电阻VR2、第八二极管D8和ARM单片机E，

电阻R8的一端连接第一二极管D1的阴极，

电阻R8的另一端连接一级运算放大器IC1的正向信号输入端，

一级运算放大器IC1的反向信号输入端同时连接电阻R9的一端和电阻R10的一端，

电阻R9的另一端接供电电源的电源地，

电阻R10的另一端同时连接一级运算放大器IC1的信号输出端和二级运算放大器IC2的反向信号输入端，

二级运算放大器IC2的正向信号输入端连接可调电阻VR2的可调端，

可调电阻VR2的一个固定端接供电电源的电源地，

可调电阻VR2的另一个固定端接供电电源的负电源-VCC,

二级运算放大器IC2的信号输出端接电阻R11的一端，

电阻R11的另一端同时接第八二极管D8的阴极、电阻R12的一端和ARM单片机E的I/O信号输入端，

ARM单片机E的第一电子开关控制端连接第一电子开关电路1-1的控制端，

ARM单片机E的第二电子开关控制端连接第二电子开关电路1-2的控制端，

ARM单片机E的第三电子开关控制端连接第三电子开关电路1-3的控制端，

ARM单片机E的第四电子开关控制端连接第四电子开关电路1-4的控制端，

电阻R12的另一端连接第八二极管D8的阳极，

第八二极管D8的阳极接供电电源的电源地。

本法实施方式所述的一级运算放大器IC1和二级运算放大器IC2为正负电源供电方式。

具体实施方式六、本实施方式与具体实施方式五所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，所述的ARM单片机E采用的芯片为LM3S9B96或同级别的ARM单片机。

本实施方式所述的LM3S9B96芯片主频工作于100MHz，用于控制第一N沟道MOS管V1、第二N沟道MOS管V2、第三N沟道MOS管V3和第四N沟道MOS管V4和测量稳定放电时间tD。充电时段按表1逻辑向第一电感L1充放电，为了向第二电感L2感应更多的电，主要是增加充放电频率，减少放电时间，表1中的正、反向充电状态设计为3.3us，放电状态不给保持时间（这是通过试验找到的最短时间，再短，桥路的开关将不能正常通断了，除了MOS管IR530、晶体管2N2222的开关时间外，还有单片机内的滞后时间）。进入放电状态期间断开第一N沟道MOS管V1或第三N沟道MOS管V3后立即反向充电，提高向第二电感L2的感应电量。一个充电时段时间为8us，考虑到测量需要24us，一个作业周期为32us。在此控制作用下，改变可调电阻VR3，得到Uo与Io的伏安特性如图2所示。得到2—3mW的电源，可以满足单片机D的供电需求。将电阻R7改为2欧，再将Is调到180mA，将提高充电能力。

具体实施方式七、本实施方式与具体实施方式一或五所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，所述的第一电子开关电路1-1包括电阻R13、电阻R14、第一N沟道MOS管V1和第三三极管Q3，

电阻R13的一端连接测量电路B的ARM单片机E的第一电子开关控制端，

电阻R13的另一端接第三三极管Q3的基极，

第三三极管Q3的集电极同时连接电阻R14的一端和第一N沟道MOS管V1的栅极，

电阻R14的另一端接供电电源的正极VCC，

第三三极管Q3的发射极接供电电源的电源地，

第一N沟道MOS管V1的漏极作为第一电子开关电路1-1的一端同时与电流源电路A的电流输出端和第三电子开关电路1-3的一端连接，

第一N沟道MOS管V1的源极作为第一电子开关电路1-1的另一端连接第一二极管D1的阴极。

具体实施方式八、本实施方式与具体实施方式一或五所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，所述的第二电子开关电路1-2包括电阻R15、电阻R16、第二N沟道MOS管V2和第四三极管Q4，

电阻R15的一端连接测量电路B的ARM单片机E的第二电子开关控制端，

电阻R15的另一端接第四三极管Q4的基极，

第四三极管Q4的集电极同时连接电阻R16的一端和第二N沟道MOS管V2的栅极，

电阻R16的另一端接供电电源的正极VCC，

第四三极管Q4的发射极接供电电源的电源地，

第二N沟道MOS管V2的漏极作为第二电子开关电路1-2的一端连接第一二极管D1的阴极，

第二N沟道MOS管V2的源极作为第一电子开关电路1-1的另一端连接第一二极管D1的阳极。

具体实施方式九、本实施方式与具体实施方式一或五所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，所述的第三电子开关电路1-3包括电阻R17、电阻R18、第三N沟道MOS管V3和第五三极管Q5，

电阻R18的一端连接测量电路B的ARM单片机E的第三电子开关控制端，

电阻R18的另一端接第五三极管Q5的基极，

第五三极管Q5的集电极同时连接电阻R17的一端和第三N沟道MOS管V3的栅极，

电阻R17的另一端接供电电源的正极VCC，

第五三极管Q5的发射极接供电电源的电源地，

第三N沟道MOS管V3的漏极作为第三电子开关电路1-3的一端同时与电流源电路A的电流输出端和第一电子开关电路1-1的一端连接，

第三N沟道MOS管V3的源极作为第三电子开关电路1-3的另一端连接第二二极管D2的阴极。

具体实施方式十、本实施方式与具体实施方式一或五所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器的区别在于，所述的第四电子开关电路1-4包括电阻R19、电阻R20、第四N沟道MOS管V4和第六三极管Q6，

电阻R20的一端连接测量电路B的ARM单片机E的第四电子开关控制端，

电阻R20的另一端接第六三极管Q6的基极，

第六三极管Q6的集电极同时连接电阻R19的一端和第四N沟道MOS管V4的栅极，

电阻R19的另一端接供电电源的正极VCC，

第六三极管Q6的发射极接供电电源的电源地，

第四N沟道MOS管V4的漏极作为第四电子开关电路1-4的一端连接第二二极管D2的阴极，

第四N沟道MOS管V4的源极作为第四电子开关电路1-4的另一端连接第二二极管D2的阳极。

具体实施方式七至十所述的四个电子开关电路中的4个N沟道的MOS管构，该N沟道的MOS管构开通或关断通过TTL信号控制。通常用信号发生器发出的信号控制N沟道的MOS管构的通断。

本发明中所述的二极管D可以是开关电源用的二极管或开关晶体管和MOS管内部的二极管，正向导通电压，取肖特基二极管为0.3V，在100mA电流时，实际不到0.3V。

本发明采用了LM3S9B96芯片控制单相桥开关，可以实现读卡器电路1和ID卡电路2的功能。ID码可以有32bit。工作周期分成充电时段和测量时段两部分，测量一次ID码，耗费16ms，可以实现ID卡的功能。向ID卡充电到3mW，满足430G2553芯片的供电需求。

第一电感L1和第二电感L2没有串联电容谐振，如果存在谐振也只能是与寄生电容谐振。

电流源电路A向第一电感L1充放电，有利于电感两端的电压uab和ucd自由变化，有利于提高电流变化率，也就有利于在副边线圈感应电动势，达到充电的目的。

采用公式（1）可以测量uH到nH的小电感值，因而可以设计线圈为5匝。满足ID卡对尺寸的要求。L1的采样频率可以达到33.5KHz，所以可以实现ID卡短路第二电感L2来传递ID码信息。

本发明为了分析方便在读卡器电路1的软件中分成了独立的充电和测量模块，充电模块的频率高，测量的频率低，运行时是充电+测量的混合模式。不过现在的数字示波器可以抓拍到混合模式的波形。如图3所示，图中u1表示第一电子开关电路1-1的输入信号的波形，低电平时第一电感L1导通，为正向充电，高电平时，在充电时段是反向充电，在测量时段是正向放电或反向充电，图中ua表示第一电感L1的a端对地电压波形，所述的a端如图1所示a表示第一电感L1一端的电压，可以看到测量时段，稳定放电的时间tD，该时间的检测如图1所示，是将a点的电压信号放大10倍，比较门槛为VR2=-1.8V，信号限幅后送到单片机检测信号的边沿之间的时间，软件中检测tD的时间窗口条件是‘测量时段的稳定放电期间’，即在测量时段的放电控制信号发出后测量信号的两个边沿的时间间隔tD，相应的定时计数值为N_tD，其余状态则不检测。

从ua波形看出充电时段的波形明显高于测量时段的波形，是因为充电时段没有放电时间在放电状态只给出SysCtlDelay(1)的延时，立即就反向充电。图4中u1表示第一电子开关电路1-1的输入信号，ucd表示第二电感L2两端电压波形，从该波形可以看出感应电基本上是在充电时段获取的，测量时段相对于充电的电压波形很小，如图1所示c和d表示第二电感L2的端电压。

将第一N沟道MOS管V1和第三N沟道MOS管V3均改为P沟道MOS管及其控制逻辑，反而不利于充电。

将电流源电路A中的R7改为2Ω，并可调电阻VR1使Is=180mA，第一电感L1改为10匝，将增加充电能力。证明该试验并不是恰好与寄生电容谐振，第一电感L1变化，Is变化都可以实现向ID卡充电。

Claims (10)

1.基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于：它包括读卡器电路(1)和ID卡电路(2)，

所述的读卡器电路(1)包括电流源电路(A)、测量电路(B)和开关式电感电路(C)；

所述的开关式电感电路(C)包括第一电子开关电路(1-1)、第二电子开关电路(1-2)、第三电子开关电路(1-3)、第四电子开关电路(1-4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第一电感(L1)；

所述的第一电子开关电路(1-1)包括电阻R13、电阻R14、第一N沟道MOS管(V1)和第三三极管(Q3)；

所述的第二电子开关电路(1-2)包括电阻R15、电阻R16、第二N沟道MOS管(V2)和第四三极管(Q4)；

所述的第三电子开关电路(1-3)包括电阻R17、电阻R18、第三N沟道MOS管(V3)和第五三极管(Q5)；

所述的第四电子开关电路(1-4)包括电阻R19、电阻R20、第四N沟道MOS管(V4)和第六三极管(Q6)；

ID卡电路(2)包括第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、稳压管(D7)、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、单片机(D)和第二电感(L2)，

读卡器电路(1)的电流源电路(A)的供电电源端连接供电电源的正极VCC，

第一N沟道MOS管的漏极作为第一电子开关电路(1-1)的一端；第三N沟道MOS管的漏极作为第三电子开关电路(1-3)的一端；

电流源电路(A)的电流输出端同时连接第一电子开关电路(1-1)的一端和第三电子开关电路(1-3)的一端；

第一N沟道MOS管的源极作为第一电子开关电路(1-1)的另一端；第二N沟道MOS管的漏极作为第二电子开关电路(1-2)的一端；

第一电子开关电路(1-1)的另一端同时连接第一电感(L1)的一端、第二电子开关电路(1-2)的一端、第一二极管(D1)的阴极和测量电路(B)的电压输入端，

第三N沟道MOS管的源极作为第三电子开关电路(1-3)的另一端；第四N沟道MOS管的漏极作为第四电子开关电路(1-4)的一端；

第三电子开关电路(1-3)的另一端同时连接第一电感(L1)的另一端、第二二极管(D2)的阴极和第四电子开关电路(1-4)的一端，

第二N沟道MOS管的源极作为第二电子开关电路(1-2)的另一端；第四N沟道MOS管的源极作为第四电子开关电路(1-4)的另一端；

第二电子开关电路(1-2)的另一端、第一二极管(D1)的阳极、第二二极管(D2)的阳极和第四电子开关电路(1-4)的另一端同时接供电电源的电源地，

第一电子开关电路(1-1)的控制端连接测量电路(B)的第一电子开关控制端，

第二电子开关电路(1-2)的控制端连接测量电路(B)的第二电子开关控制端，

第三电子开关电路(1-3)的控制端连接测量电路(B)的第三电子开关控制端，

第四电子开关电路(1-4)的控制端连接测量电路(B)的第四电子开关控制端；

ID卡电路(2)的第二电感(L2)与读卡器电路(1)的第一电感(L1)互感，

第二电感(L2)的一端同时连接第一三极管(Q1)集电极、第三二极管(D3)的阳极和第五二极管(D5)的阴极，

第二电感(L2)的另一端同时连接第一三极管(Q1)的发射极、第二三极管(Q2)的集电极、第四二极管(D4)的阳极和第六二极管(D6)的阴极，

第四二极管(D4)阴极同时连接第三二极管(D3)的阴极、电容C1的一端、电阻R1的一端和数字电源的正极VDD，

第五二极管(D5)的阳极同时连接第六二极管(D6)的阳极、电容C1的另一端和单片机(D)的接地端，第五二极管(D5)的阳极接数字电源的电源地，

电阻R1的另一端同时连接稳压管(D7)的阴极、电容C2的一端和单片机(D)的电源端，

稳压管(D7)的阳极接数字电源的电源地，

电容C2的另一端接数字电源的电源地；

单片机(D)的P1.0端连接电阻R2的一端，

电阻R2的另一端连接第一三极管(Q1)的基极，

单片机(D)的P1.1端连接电阻R3的一端，

电阻R3的另一端连接第二三极管(Q2)的基极，

第二三极管(Q2)的发射极接数字电源的电源地。

2.根据权利要求1所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于：单片机(D)采用430G2553芯片。

3.根据权利要求1所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于：电流源电路(A)包括电阻R4至电阻R7、可调电阻VR1和P沟道MOS管(V5)，

电阻R4的一端同时连接电阻R7的一端和供电电源的正极VCC，

电阻R4的另一端同时连接电阻R6的一端和可调电阻VR1的可调端，

可调电阻VR1的固定端同时连接电阻R5的一端、电阻R6的另一端和P沟道MOS管(V5)的栅极，

电阻R5的另一端接供电电源的电源地，

P沟道MOS管(V5)的源极连接电阻R7的另一端，

P沟道MOS管(V5)的漏极同时连接第一电子开关电路(1-1)的一端和第三电子开关电路(1-3)的一端。

4.根据权利要求1所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于：供电电源的正极VCC的电压范围为5V至20V。

5.根据权利要求1所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于：测量电路(B)包括电阻R8至电阻R12、一级运算放大器(IC1)、二级运算放大器(IC2)、可调电阻VR2、第八二极管(D8)和ARM单片机(E)，

电阻R8的一端连接第一二极管(D1)的阴极，

电阻R8的另一端连接一级运算放大器(IC1)的正向信号输入端，

一级运算放大器(IC1)的反向信号输入端同时连接电阻R9的一端和电阻R10的一端，

电阻R9的另一端接供电电源的电源地，

电阻R10的另一端同时连接一级运算放大器(IC1)的信号输出端和二级运算放大器(IC2)的反向信号输入端，

二级运算放大器(IC2)的正向信号输入端连接可调电阻VR2的可调端，

可调电阻VR2的一个固定端接供电电源的电源地，

可调电阻VR2的另一个固定端接供电电源的负电源-VCC，

二级运算放大器(IC2)的信号输出端接电阻R11的一端，

电阻R11的另一端同时接第八二极管(D8)的阴极、电阻R12的一端和ARM单片机(E)的I/O信号输入端，

ARM单片机(E)的第一电子开关控制端连接第一电子开关电路(1-1)的控制端，

ARM单片机(E)的第二电子开关控制端连接第二电子开关电路(1-2)的控制端，

ARM单片机(E)的第三电子开关控制端连接第三电子开关电路(1-3)的控制端，

ARM单片机(E)的第四电子开关控制端连接第四电子开关电路(1-4)的控制端，

电阻R12的另一端连接第八二极管(D8)的阳极，

第八二极管(D8)的阳极接供电电源的电源地。

6.根据权利要求5所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于：所述的ARM单片机(E)采用的芯片为LM3S9B96。

7.根据权利要求1或5所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于，

电阻R13的一端连接测量电路(B)的ARM单片机(E)的第一电子开关控制端，

电阻R13的另一端接第三三极管(Q3)的基极，

第三三极管(Q3)的集电极同时连接电阻R14的一端和第一N沟道MOS管(V1)的栅极，

电阻R14的另一端接供电电源的正极VCC，

第三三极管(Q3)的发射极接供电电源的电源地，

第一N沟道MOS管(V1)的漏极作为第一电子开关电路(1-1)的一端同时与电流源电路(A)的电流输出端和第三电子开关电路(1-3)的一端连接，

第一N沟道MOS管(V1)的源极作为第一电子开关电路(1-1)的另一端连接第一二极管(D1)的阴极。

8.根据权利要求1或5所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于，电阻R15的一端连接测量电路(B)的ARM单片机(E)的第二电子开关控制端，

电阻R15的另一端接第四三极管(Q4)的基极，

第四三极管(Q4)的集电极同时连接电阻R16的一端和第二N沟道MOS管(V2)的栅极，

电阻R16的另一端接供电电源的正极VCC，

第四三极管(Q4)的发射极接供电电源的电源地，

第二N沟道MOS管(V2)的漏极作为第二电子开关电路(1-2)的一端连接第一二极管(D1)的阴极，

第二N沟道MOS管(V2)的源极作为第一电子开关电路(1-1)的另一端连接第一二极管(D1)的阳极。

9.根据权利要求1或5所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于，电阻R18的一端连接测量电路(B)的ARM单片机(E)的第三电子开关控制端，

电阻R18的另一端接第五三极管(Q5)的基极，

第五三极管(Q5)的集电极同时连接电阻R17的一端和第三N沟道MOS管(V3)的栅极，

电阻R17的另一端接供电电源的正极VCC，

第五三极管(Q5)的发射极接供电电源的电源地，

第三N沟道MOS管(V3)的漏极作为第三电子开关电路(1-3)的一端同时与电流源电路(A)的电流输出端和第一电子开关电路(1-1)的一端连接，

第三N沟道MOS管(V3)的源极作为第三电子开关电路(1-3)的另一端连接第二二极管(D2)的阴极。

10.根据权利要求1或5所述的基于开关式电感电路的具有ID卡功能的读卡器，其特征在于，电阻R20的一端连接测量电路(B)的ARM单片机(E)的第四电子开关控制端，

电阻R20的另一端接第六三极管(Q6)的基极，

第六三极管(Q6)的集电极同时连接电阻R19的一端和第四N沟道MOS管(V4)的栅极，

电阻R19的另一端接供电电源的正极VCC，

第六三极管(Q6)的发射极接供电电源的电源地，

第四N沟道MOS管(V4)的漏极作为第四电子开关电路(1-4)的一端连接第二二极管(D2)的阴极，

第四N沟道MOS管(V4)的源极作为第四电子开关电路(1-4)的另一端连接第二二极管(D2)的阳极。