CN106682554A - 一种非接触式ic卡读卡器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式IC卡读卡器及其实现方法，所述非接触式IC卡读卡器，包括主控模块、射频模块和天线模块，还包括功率放大控制模块，其中：所述射频模块与主控模块和天线模块相连，用于监测非接触式IC卡的场强；所述主控模块与所述射频模块和功率放大控制模块相连，用于获取所述射频模块监测到的场强信息，根据所述场强信息实时控制所述功率放大控制模块；所述功率放大控制模块与所述射频模块、主控模块以及天线模块分别相连，用于根据主控模块的控制，相应地调节输出功率的大小。本发明实施例通过根据IC卡场强信息调整输出功率，从而能够实现读卡时距离可调，具有较好的用户体验。

Description

一种非接触式IC卡读卡器及其实现方法
技术领域
本发明涉及读卡器领域，尤指一种非接触式IC卡(Integrated Circuit Card，集成电路卡)读卡器及其实现方法。
背景技术
13.56Mhz频段的RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术主要应用于非接触式无线IC卡读卡领域，该频段技术在现阶段的应用主要是近距离应用，如身份证识别、电子车票等。读卡器设计与制造朝着小型化、低成本，更远阅读距离，多功能，模块化方向发展。13.56MHz频段远距离读卡器在门禁、会议管理和无线充电等方面有着广阔的应用前景，国内也处于快速发展阶段。
非接触式IC卡读卡器是一种读取和写入非接触式IC卡内存信息的设备，一般是由三大模块组成，分别是射频模块，控制器模块和天线部分。目前市面的非接触式IC卡读卡器读卡距离不一，影响读卡器距离因素较多，因采用不同的协议，不同的天线设计、周围环境如金属物和不同卡片等，都会影响到实际的读卡距离。在出厂前通过天线匹配和内部芯片配置将读卡距离设定，无法在读卡时实现距离可调；还有的读卡器可以实现距离微调，但无法满足稍远距离读卡的情况。读卡器除了对信息的传输外，还包括了对能量的传输。用于无线支付、可穿戴式设备和传感标签等移动低功耗装置中，越来越多的应用依靠无源接口作为供电或者充电手段，代替专用的有线供电方式来降低成本。现有的读卡设备能量发射功率很低，无法与现有无线充电方式相比，决定了其只能用于低功耗设备，很大程度上限制了其供电和充电的使用范围。
发明内容
目前读卡器读卡距离固定且有限，特别是手持设备，读卡距离不会太远以降低功耗延迟电池使用时间。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非接触式IC卡读卡器及其实现方法，能够根据IC卡场强信息(对应IC卡距离)调整输出功率，从而能够实现读卡时距离可调。
为了达到本发明目的，本发明提供了一种非接触式IC卡读卡器，包括主控模块、射频模块和天线模块，还包括功率放大控制模块，其中：
所述射频模块与主控模块和天线模块相连，用于监测非接触式IC卡的场强；
所述主控模块与所述射频模块和功率放大控制模块相连，用于获取所述射频模块监测到的场强信息，根据所述场强信息实时控制所述功率放大控制模块；
所述功率放大控制模块与所述射频模块、主控模块以及天线模块分别相连，用于根据主控模块的控制，相应地调节输出功率的大小。
可选地，所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例增大输出功率；
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例减小输出功率。
可选地，所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述射频模块相应地增大输出功率；
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述射频模块相应地减小输出功率。
可选地，所述功率放大控制模块包括功率放大控制单元，所述功率放大控制单元包括相连的功率线性控制电路和功率放大电路，所述功率线性控制电路与所述主控模块相连，用于根据主控模块的控制，调节功率放大电路的输入电压，从而调节功率放大电路的输出功率；
可选地，所述功率放大电路包括第一功率放大电路和第二功率放大电路，所述功率线性控制电路为比例积分控制电路；所述功率线性控制电路分别与所述第一功率放大电路和第二功率放大电路相连。
可选地，所述功率放大控制模块还包括：滤波电路和电磁兼容性EMC电路；
所述滤波电路与射频模块和功率放大控制单元相连，用于滤除调制信号的高频杂波以及信号的直流分量；
所述EMC电路与功率放大控制单元和天线模块相连，用于滤除13.56Mhz的三次谐波和五次谐波。
可选地，所述天线模块包括天线和匹配电路，所述匹配电路的一端与所述天线相连，另一端与所述EMC电路相连，用于匹配工作频率和输入阻抗。
本发明还提供了一种非接触式IC卡读卡器的实现方法，所述非接触式IC卡读卡器包括：主控模块、射频模块、天线和功率放大控制模块，所述实现方法包括：
所述主控模块获取所述射频模块监测到的非接触式IC卡的场强信息；
所述主控模块根据所述场强信息实时控制所述功率放大控制模块的输出功率。
可选地，所述主控模块根据所述场强实时控制所述功率放大控制模块的输出功率包括：
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例增大输出功率；
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例减小输出功率。
可选地，所述实现方法还包括：
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述射频模块相应地增大输出功率；
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述射频模块相应地减小输出功率。
与现有技术相比，本发明实施例通过根据IC卡场强信息(对应IC卡距离)调整输出功率，从而能够实现读卡时距离可调，具有较好的用户体验，为手持式读卡终端有效增大了电池续航能力，为13.56Mhz非接充电设备提供高发射能量，缩短充电时间。进一步地，通过增加EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)电路和滤波电路，防止因发射功率过大而导致的EMC电磁干扰问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例的非接触式IC卡读卡器的组成示意图；
图2为本发明应用示例的非接触式IC卡读卡器的组成示意图；
图3为本发明应用示例的非接触式IC卡读卡器中功率放大控制单元组成示意图；
图4为本发明应用示例的射频部分示意图；
图5为本发明实施例的非接触式IC卡读卡器的实现方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
现有非接触式IC卡读卡器在读卡时发射功率固定，不会随非接触式IC卡位置远近而改变发射功率，读卡器读卡距离较近，用户体验较差；还有读卡器虽然发射功率可调，通过芯片内部配置寄存器来增大发射功率，但基于射频芯片的供电限制，发射功率无法继续增大，影响读卡距离，对13.56Mhz频段的非接触式充电设备充电时间太慢。
本发明实施例在现有13.56M中高频读卡器方案基础上，通过增加功率放大控制模块，主控模块进行相关控制，实现读卡距离可调节，提高发射功率，当卡片距离读卡器较远时，通过场强检测，增大射频芯片和外部功放的发射能量，达到成功读卡效果；当卡片距离读卡器较近时，通过场强检测，降低射频芯片和外部功放发射功率，成功读卡情况下降低功耗。
如图1所示，本发明实施例的非接触式IC卡读卡器，包括主控模块11、射频模块12、天线13和功率放大控制模块14，其中：
所述射频模块12与主控模块11和天线模块13相连，用于监测非接触式IC卡的场强；
所述主控模块11与所述射频模块12和功率放大控制模块14相连，用于获取所述射频模块12监测到的场强信息，根据所述场强信息实时控制所述功率放大控制模块14；
所述功率放大控制模块14与所述射频模块12、主控模块11以及天线模块13分别相连，用于根据主控模块11的控制，相应地调节输出功率的大小。
当IC卡离读卡器距离较远时，读卡器中射频模块12监测到IC卡场强较弱；当IC卡离读卡器距离较近时，读卡器中射频模块12监测到IC卡场强较强。本发明实施例通过根据IC卡场强信息(对应IC卡距离)调整输出功率，从而能够实现读卡时距离可调，具有较好的用户体验，为手持式读卡终端有效增大了电池续航能力，为13.56Mhz非接充电设备提供高发射能量，缩短充电时间。
其中，在一实施例中，所述主控模块11根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块14相应地按比例增大输出功率；所述主控模块11根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块14相应地按比例减小输出功率。
另外，在一实施例中，所述主控模块11根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述射频模块12相应地增大输出功率；所述主控模块11根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述射频模块12相应地减小输出功率。
所述射频模块可以根据感应电流的大小获知非接触式IC卡的场强信息。所述指定阈值可以是根据经验值预设的数值。
如图2所示，为本发明应用示例的非接触式IC卡读卡器细化的示意图，其中：
主控模块11为读卡器主要控制芯片，与射频模块12通过SPI(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)接口连接，实现对射频模块12的命令下发及读回的卡数据交互；主控模块11内部通过寄存器配置内部功放参数，实现功率放大，同时主控模块11中的模数转换单元检测来自射频模块12的场强信息，再由数模转换单元实时控制功率放大控制模块的功率输出，实现双重放大。
射频模块12是一款应用于13.56Mhz的RFID系统非接触式读写设备芯片，支持ISO14443A&B标准协议应用，实现对发射信号的调制和接收调制信号的解调。射频模块12内部集成场强监测单元121，场强监测单元121可根据天线线圈中电流的强弱信息，实时监测非接触式IC卡的场强。
所述功率放大控制模块14包括依次相连的滤波电路141、功率放大控制单元141和EMC电路143，其中，
所述功率放大控制单元141包括相连的功率线性控制电路和功率放大电路，所述功率线性控制电路与所述主控模块11相连，用于根据主控模块11的控制，调节功率放大电路的输入电压，从而调节功率放大电路的输出功率。
所述滤波电路142与射频模块12和功率放大控制单元141相连，用于滤除调制信号的高频杂波以及信号的直流分量；
所述EMC电路143与功率放大控制单元141和天线模块13相连，可由Q(品质因数)值较高的高频电感和电容组成，用于滤除13.56Mhz的三次谐波和五次谐波。
所述天线模块13包括天线132和匹配电路131，所述匹配电路131的一端与所述天线132相连，另一端与所述EMC电路143相连，可采用电容直接匹配方式，并联两组电容，用于匹配工作频率和输入阻抗。
如图3所示，在一应用示例中，所述功率放大控制单元141包括功率线性控制电路1411和功率放大电路，所述功率放大电路包括第一功率放大电路1412和第二功率放大电路1413，所述功率线性控制电路1411为比例积分控制电路；所述功率线性控制电路1411分别与所述第一功率放大电路1412和第二功率放大电路1413相连。
在应用示例中，功率线性控制电路1411为两个运算放大器组成的比例积分控制电路，实现功率的线性可调；CMOS管组成所述第一功率放大电路1412和第二功率放大电路1413，由功率线性控制电路1411控制两CMOS管的栅极电压实现输出1/2路功率放大。第一功率放大电路1412和第二功率放大电路1413的供电电压一般是大于射频模块12的供电电压，否则无法达到放大效果。
本发明实施例是基于13.56Mhz设计的非接触式IC卡读卡器装置，适用于支持ISO14443A&B协议的所有非接触式卡，同时对13.56Mhz的非接卡及设备实现大功率充电功能。射频模块通过天线发射13.56Mhz的射频信号，非接触式IC卡进入天线发射区产生感应电流，从而被激活；非接触式IC卡通过卡内置天线影响读卡器发射的载波信号将自身信息传递给读卡器，完成信息交互；读卡器接收天线端接收到非接卡发来的载波信号，经射频模块解调后送到主控模块进行处理，经USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)或者UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)接口与上位PC(personal computer，个人计算机)通信。反之，PC上的操作命令通过USB或UART接口传送到主控模块，主控模块将相关发射数据传递给射频模块进行调制输出。其中功率放大控制模块实现对发射调制信号的放大，当射频模块的场强监测单元检测非接触式IC卡在读卡器天线位置较远时，主控模块控制功率放大控制模块按最大功率放大，增加读卡距离，有良好的用户体验效果；相反，当射频模块的场强度检测电路检测非接触式IC卡在读卡器天线位置较近时，主控模块控制功率放大控制模块按小功率放大，减小功耗，这在电池手持终端较为实用。
本发明实施例的射频部分电路如图4所示：
射频模块芯片为了增强抗干扰能力，天线信号匹配电路采用平衡电路，即对称两路。发射1和发射2为对称两路输出差分调制信号。当读B类型卡时需要发射1B和发射2B通路，读A类型卡时只需要发射1和2通路。现将电路图中各部分功能做详细介绍。
电容C1/C2/C3/C4/C5/C6属于滤波电路，其中，电容C1/C2/C3/C4分别滤除各路信号的直流分量，电容C5/C6主要滤除调制信号的高频杂波。电容C1的一端与功率放大控制单元相连，另一端与射频模块相连，电容C2的一端与电容C1和功率放大控制单元相连，另一端与射频模块和电容C5相连；电容C5的一端与射频模块和电容C5相连，另一端接地；电容C3的一端与功率放大控制单元相连，另一端与射频模块相连，电容C4的一端与电容C3和功率放大控制单元相连，另一端与射频模块和电容C6相连；电容C6的一端与射频模块和电容C3相连，另一端接地。
电感L1和电容C7、电感L2和电容C8各组成EMC电路，滤除13.56Mhz的三次谐波和五次谐波。其中，电感L1的一端与功率放大控制单元相连，另一端与电容C7和电容C9相连；电容C7一端与电感L1相连，另一端与电容C8相连并接地；电感L2的一端与功率放大控制单元相连，另一端与电容C8和电容C10相连；电容C8一端与电感L2相连，另一端与电容C7相连并接地。
电容C9、C11和C13与C10、C12和C14各组成天线模块的匹配电路。其中，电容C11和C13并联，一端与电容C9相连，另一端与电容C14和C12相连并接地；电容C9一端与电容C11和C13相连，另一端与电感L1和电容C7相连；电容C12和C14并联，一端与电容C10相连，另一端与电容C13和C11相连并接地；电容C10一端与电容C12和C14相连，另一端与电感L2和电容C8相连。
电阻R1/R2是接收信号分压电阻，与射频模块芯片内的检波电路实现接收信号检波。电阻R1一端与电容C9、C11和C13相连，另一端与射频模块相连；电阻R2一端与电容C10、C12和C14相连，另一端与射频模块相连。
本发明实施例中，当射频模块检测非接触式IC卡离读卡器天线位置较远时，读卡器的主控模块可以同时控制射频模块和功率放大控制模块按最大功率放大，增加读卡距离，有良好的用户体验效果；相反，当射频模块检测非接触式IC卡离读卡器天线位置较近时，读卡器的主控模块可以同时控制射频模块和功率放大控制模块按小功率放大。在现有射频芯片内部功放无法再继续增大发射功率情况下，本发明实施例通过增加功率放大控制电路实现增大发射功率且连续可调或者阶段点可调，实现较好的用户体验效果和有效减少功耗，增大手持终端电池续航能力和减少无线充电设备充电时间。
如图4所示，本发明实施例的非接触式IC卡读卡器的实现方法包括：
步骤201，主控模块获取射频模块监测到的非接触式IC卡的场强信息；
步骤202，所述主控模块根据所述场强信息实时控制所述功率放大控制模块的输出功率。
可选地，步骤202包括：所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例增大输出功率；所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例减小输出功率。
可选地，所述方法还包括：
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述射频模块相应地增大输出功率；所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述射频模块相应地减小输出功率。
综上所述，本发明实施例在天线等外围器件一定的情况下，既可通过芯片配置寄存器内部功放又可通过外部发射通路增加功率放大控制模块实现了读卡器发射功率的线性可调，增加了读卡距离，提高了发射能量。实现较好的用户体验，为手持式读卡终端有效增大了电池续航能力，为13.56Mhz非接充电设备提供高发射能量，缩短充电时间。电路实现上，通过增加EMC电路，防止因发射功率过大而导致的EMC电磁干扰问题。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种非接触式IC卡读卡器，包括主控模块、射频模块和天线模块，其特征在于，还包括功率放大控制模块，其中：
所述射频模块与主控模块和天线模块相连，用于监测非接触式IC卡的场强；
所述主控模块与所述射频模块和功率放大控制模块相连，用于获取所述射频模块监测到的场强信息，根据所述场强信息实时控制所述功率放大控制模块；
所述功率放大控制模块与所述射频模块、主控模块以及天线模块分别相连，用于根据主控模块的控制，相应地调节输出功率的大小。
2.根据权利要求1所述的非接触式IC卡读卡器，其特征在于，
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例增大输出功率；
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例减小输出功率。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式IC卡读卡器，其特征在于，
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述射频模块相应地增大输出功率；
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述射频模块相应地减小输出功率。
4.根据权利要求1所述的非接触式IC卡读卡器，其特征在于，
所述功率放大控制模块包括功率放大控制单元，所述功率放大控制单元包括相连的功率线性控制电路和功率放大电路，所述功率线性控制电路与所述主控模块相连，用于根据主控模块的控制，调节功率放大电路的输入电压，从而调节功率放大电路的输出功率。
5.根据权利要求4所述的非接触式IC卡读卡器，其特征在于，
所述功率放大电路包括第一功率放大电路和第二功率放大电路，所述功率线性控制电路为比例积分控制电路；所述功率线性控制电路分别与所述第一功率放大电路和第二功率放大电路相连。
6.根据权利要求4所述的非接触式IC卡读卡器，其特征在于，所述功率放大控制模块还包括：滤波电路和电磁兼容性EMC电路；
所述滤波电路与射频模块和功率放大控制单元相连，用于滤除调制信号的高频杂波以及信号的直流分量；
所述EMC电路与功率放大控制单元和天线模块相连，用于滤除13.56Mhz的三次谐波和五次谐波。
7.根据权利要求6所述的非接触式IC卡读卡器，其特征在于，所述天线模块包括天线和匹配电路，所述匹配电路的一端与所述天线相连，另一端与所述EMC电路相连，用于匹配工作频率和输入阻抗。
8.一种非接触式IC卡读卡器的实现方法，其特征在于，所述非接触式IC卡读卡器包括：主控模块、射频模块、天线和功率放大控制模块，所述实现方法包括：
所述主控模块获取所述射频模块监测到的非接触式IC卡的场强信息；
所述主控模块根据所述场强信息实时控制所述功率放大控制模块的输出功率。
9.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，所述主控模块根据所述场强实时控制所述功率放大控制模块的输出功率包括：
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例增大输出功率；
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述功率放大控制模块相应地按比例减小输出功率。
10.根据权利要求8或9所述的实现方法，其特征在于，还包括：
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离大于指定阈值时，控制所述射频模块相应地增大输出功率；
所述主控模块根据所述场强信息判断所述非接触式IC卡与所述非接触式IC卡读卡器的距离小于指定阈值时，控制所述射频模块相应地减小输出功率。
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