CN104980149A - 一种应用于非接触式智能ic卡的自校准振荡器 - Google Patents

Abstract

一种应用于非接触式IC卡的自校准振荡器，属于IC卡系统时钟的技术领域，其特征为数字电路提供时钟及对解调接收信号和调制发送信号起着重要作用。非接触式IC卡采用100%幅移键控调制，在RF场中存在一个“间隙（pause）”，智能卡无法从天线上获得时钟，本发明不仅产生一个时钟对解调波形采样，而且减小了传统的振荡器因随环境变化而产生的频率偏差，通过数字算法，调节模拟偏置电流，从而实现振荡器的自校准功能，保证了数字部分解调的正确。

Description

一种应用于非接触式智能IC卡的自校准振荡器

技术领域

本发明涉及符合ISO/IEC14443Type A协议的非接触式IC卡的收数模块实现，尤其是针对在间隙pause期间对解调波形进行采样。 

背景技术

智能卡于20世纪70年代末在法国布尔（BULL）公司产生，其后各国都着手研制与发展，并将这项技术应用于金融、交通、医疗和身份证明等多个行业，它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。 

按照外界传输数据模式的方式来划分，有接触式IC卡、非接触式IC卡和双界面IC卡，接触式工作模式遵循ISO/IEC7816国际标准；非接触工作模式遵循ISO/IEC14443国际标准。本IC卡为非接触式的，故遵循ISO/IEC14443国际标准。 

根据智能卡读卡器交互数据的编码方式，ＩＣ卡分为ＴｙｐｅＡ和ＴｙｐｅＢ两种类型，ＴｙｐｅＡ接收的数据采用米勒编码，100％的幅值键控调制方式；ＴｙｐｅＢ接收的数据采用10％不归零的调制方式，本文的非接触式ＩＣ卡遵从ISO/IEC14443ｔｙｐｅＡ协议。 

根据ISO/IEC14443ｔｙｐｅＡ协议规定，智能卡读卡器产生耦合到ＩＣ卡的ＲＦ电磁场，用以传送能量和双向通信。ＩＣ卡获得能量后将其转化成直流电压。ＲＦ场的场强强度范围是1.5Ａ／ｍ～7.5Ａ／ｍ，载波频率为13.56ＭＨｚ±7kHz。数据传输率=13.56ＭＨｚ/128=106Kb/s，一位数据所占的时间周期为9.4us。本文的非接触式IC卡采用的是如图1所示的100%幅值键控调制，在RF场中创造一个“间隙（pause）”。 

故在此“间隙（pause）”时，智能卡无法从天线上获得时钟，因此需要本地产生一个时钟对解调波形采样。为保证数字部分的解调正确，时钟的频率偏差必须在可接受的范围内，同时为了较快的建立通讯环境，振荡器的调节时间必须小于100us。而且对于智能卡通讯系统中，功耗和面积的成本非常紧张。 

对于没有校准的普通环形振荡器，仅温度的变化输出频率就会有大约10%的偏差。不满足本文讨论的非接触式IC卡的应用要求，而普通锁相环功耗太大，也不可取。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对非接触式智能卡TypeA类型，提供了一种新型的数字自校准振荡器，对此“间隙（pause）”进行采样，以保证数字部分解调的正确。采用的方案技术如下： 

整流稳压电路是从天线RF接收的RF载波信号中获取非接触式IC卡工作所需的直流电压；载波提取电路是从RF载波中提取RF载波时钟RF_CLK，输出时钟恢复或切换电路；解调电路过采样从RF载波中解调出数据。自校准振荡器用于在天线RF无法提取时钟的间隙“pause”期间为数字接收模块提供系统时钟OSC_CLK。数字接收模块在自校准振荡器提供系统时钟前提下，对所述解调模块所解调出来的数据进行处理。而所述的载波提取电路所提取的载波时钟RF_CLK，给本发明的自校准振荡器提供基准时钟13.56M； 

所述的自校准振荡器电路，进一步包括： 

偏置电流控制电路，所述的偏置电流控制电路用于产生可以控制的偏置电流。 

环形振荡器，所述的环形振荡器在所述的偏置电流控制电路所提供的偏置电流前提下，产生震荡时钟信号OSC_CLK。 

数字鉴相器，所述的数字鉴相器首先进行N分频处理，再用天线上提供的参考时钟RF_CLK对其采样，计数器进行计数。 

所述的数字鉴相器中，若RF_CLK和OSC_CLK非常接近，计数器的值应该在N-1～N+1之间； 

所述的自校准振荡器中，当所述的数字鉴相器内的计数器值小于N-1时，说明所述的环形振荡器的振荡频率OSC_CLK大于天线上提供的参考时钟RF_CLK，所述的数字鉴频器将输出的控制字降低，减小偏置电流，从而降低振荡器的振荡频率OSC_CLK；当所述的数字鉴相器内的计数器值大于N+1时，说明所述的环形振荡器的振荡频率OSC_CLK小于天线上提供的参考时钟RF_CLK，所述的数字鉴频器将立即停止计数直接调节输出控制字，增大偏置电流，并将计数器重置； 

所述的自校准振荡器中，若设定每调节一次，当前值比上一次的值大时的状态为“1”，反之为“0”。出现“1010”或“0101”的状态则表明振荡器的振荡频率OSC_CLK已经在天线上提供的参考时钟RF_CLK 附近，数字鉴相器内的计数器停止调节，锁定输出，并将所述的数字鉴相器输出控制字最低位加1。 

锁定输出后，控制字最低位加1是为了保证频率高于13.56MHz，以此来补偿不同时钟切换时丢掉的4～6拍时钟。 

此外，为了减少调节时间，及保证振荡器的频率范围，控制字的初始值设置在所对应的环形振荡器频率比较靠近13.56MHz。 

本发明的自校准振荡器，解决了100%幅值键控调制的非接触式IC卡在RF场中创造的“间隙（pause）”期间无法从天线上获得时钟的难题。产生的时钟对解调波形采样，时钟的频率偏差小于5%，保证了数字部分的解调正确;自校准振荡器的调节时间必须小于50us能够较快的建立通讯环境。故满足了非接触式智能卡通讯系统的功耗、面积及精度的要求，效果是有益的。 

附图说明

图1为ISO/IEC14443TypeA协议的接口通信信号举例，调采用100%幅值键控调制方式，编码方式为变形米勒编码，数据传输率为106kbit/s。 

图2是非接触IC卡模拟前端和收数模块的结构框图。 

图3是本发明自校准振荡器中偏置电流控制电路。 

图4是本发明自校准振荡器中环形振荡器电路。 

图5是本发明自校准振荡器瞬态仿真结果。 

具体实施方式

本发明针对非接触式智能卡TypeA类型，提供了一种新型的数字自校准振荡器，对此“间隙（pause）”进行采样，以保证数字部分解调的正确。 

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图并举实施例，对本发明进一步说明。 

图2是非接触IC卡模拟前端和收数模块的结构框图。 

非接触式IC卡是无源的，从天线RF接收的载波信号中获取能量，整流稳压电路是从天线RF接收的RF载波信号中获取非接触式IC卡工作所需的直流电压，而载波提取电路从RF载波中提取RF载波时钟RF_CLK。由于采用100%幅值键控调制，所以在间隙“pause”期间，载波时钟RF_CLK有一定缺失。载波时钟RF_CLK通过时钟恢复或切换电路，在间隙期间采用本发明的自校准振荡器211来填补，作为采样时钟OSC_CLK,并利用载波时钟给自校准振荡器提供参考时钟。 

自校准振荡器的结构图如图2中211所示。 

图3为自校准振荡器211中可调偏置电流控制电路。如图可知可调偏置电流源由6路镜像电流构成，Ictrl<0>所控制的最低位为0.5uA，到Ictrl<5>所控制的最高位为16uA，对频率的最小调节步长为0.2～0.5MHz。在频率调节的初期，为保证较快的调节速率，数字鉴频器主要先调节Ictrl<5：1>，当环形振荡器在13.56M附近时，数字鉴频器停止调节，并将最低位Ictrl<0>加1，保证输出的频率OSC_CLK略高于13.56M，以此来补偿不同频率时钟切换时丢掉的4～6拍时钟。 

图4为自校准振荡器211中环形振荡器的电路图。为了减小功耗，同时提高振荡器的工作电压范围，环形振荡器采用4反相器的结构。由于是单端的偶数级，环路工作时，因为在零频率处正反馈的作用，图4中环形振荡器里A点与C点和B点与D点会处于相同电位，环路进入锁死状态。为了消除该电路在零频率处的正反馈点，加入了两个锁存电路，以此打破电路在零频率处的稳定状态。且通过偶数级反相器级联，最后差分输出，进一步减小噪声的影响，经过一个比较器获得较好的占空比。反相器组成的环形振荡器输出频率变化很大，因此需要可调的电流源来控制。 

图2中211的数字鉴频器，首先将环形振荡器的输出信号OSC_CLK进行N分频，再用天线上提供的参考时钟RF_CLK对其采样，若RF_CLK和OSC_CLK非常接近，计数器的值应该在N-1～N+1之间。当计数器的值小于N-1时，说明振荡器的振荡频率OSC_CLK大于天线上提供的参考时钟RF_CLK，数字鉴频器将输出的控制字降低，减小偏置电流，从而降低振荡器的振荡频率OSC_CLK。当计数器的值大于N+1时，说明振荡器的振荡频率OSC_CLK小于天线上提供的参考时钟RF_CLK，数字鉴频器将立即停止计数直接调节输出控制字，增大偏置电流，并将计数器重置； 

若设定每调节一次，当前值比上一次的值大时的状态为“1”，反之为“0”。出现“1010”或“0101”的状态则表明此振荡器的振荡频率OSC_CLK已经在天线上提供的参考时钟RF_CLK附近，此时计数器停 止调节，锁定输出，并将控制字最低位Ictrl<0>加1。为了减少调节时间，及保证振荡器的频率范围，控制字的初始值设置在所对应的环形振荡器频率比较靠近13.56MHz。 

本实施例在中芯国际集成电路制造有限公司180nm工艺下进行设计，电源电压为1.8V。图5为ss-40、tt27、ff85三种代表情况下，自校准振荡器的瞬态仿真结果，由图可知，在三种情况下，振荡器的调节时间均小于50us，能够较快的建立通讯环境;而且时钟的频率偏差均在5%以内，能够保证数字解调的正确，满足设计要求;同时还能满足非接触式IC卡低功耗小面积的设计理念。同时通过流片验证了其功能。 

以上所述，仅为本发明的一种实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于非接触式智能IC卡的自校准振荡器，其特征在于：所述装置包括： 

整流稳压电路，所述整流稳压电路是从天线RF接收的RF载波信号中获取非接触式IC卡工作所需的直流电压； 

载波提取电路，所述载波提取电路是从RF载波中提取RF载波时钟RF_CLK，输出时钟恢复或切换电路； 

解调电路，所述的解调电路过采样从RF载波中解调出数据。 

自校准振荡器，所述的自校准振荡器用于在天线RF无法提取时钟的间隙“pause”期间为数字接收模块提供系统时钟OSC_CLK。 

数字接收模块，所述的数字接收模块在自校准振荡器提供系统时钟前提下，对所述解调模块所解调出来的数据进行处理。 

而所述的载波提取电路所提取的载波时钟RF_CLK，给本发明的自校准振荡器提供基准时钟13.56M。 

2.根据权利要求1中所述的自校准振荡器电路，进一步包括： 

偏置电流控制电路，所述的偏置电流控制电路用于产生可以控制的偏置电流。 

环形振荡器，所述的环形振荡器在所述的偏置电流控制电路所提供的偏置电流前提下，产生震荡时钟信号OSC_CLK。 

数字鉴相器，所述的数字鉴相器首先进行N分频处理，再用天线上提供的参考时钟RF_CLK对其采样，计数器进行计数。 

3.根据权利要求2所述的所述的自校准振荡器电路，其特征在于：所述的数字鉴相器中，若RF_CLK和OSC_CLK接近，计数器的值在N-1～N+1之间。 

4.根据权利要求2所述的所述的自校准振荡器电路，其特征在于：所述的自校准振荡器中，当所述的数字鉴相器内的计数器值小于N-1时，说明所述的环形振荡器的振荡频率OSC_CLK大于天线上提供的参考时钟RF_CLK，所述的数字鉴频器将输出的控制字降低，减小偏置电流，从而降低振荡器的振荡频率OSC_CLK。 

5.根据权利要求2所述的所述的自校准振荡器电路，其特征在于：所述的自校准振荡器中，当所述的数字鉴相器内的计数器值大于N+1时，说明所述的环形振荡器的振荡频率OSC_CLK小于天线上提供的参考时钟RF_CLK，所述的数字鉴频器将立即停止计数直接调节输出控制字，增大偏置电流，并将计数器重置。 

6.根据权利要求2所述的所述的自校准振荡器电路，其特征在于：所述的自校准器中，若设定每调节一次，当前值比上一次的值大时的状态为“1”，反之为“0”。出现“1010”或“0101”的状态则表明权利要求1中振荡器的振荡频率OSC_CLK已经在天线上提供的参考时钟RF_CLK附近，此时权利要求2中的数字鉴相器内的计数器停止调节，锁定输出，并将所述的数字鉴相器输出控制字最低位加1。