CN202275455U

CN202275455U - 微型uhf rfid读写与nfc移动支付一体化模块

Info

Publication number: CN202275455U
Application number: CN2011204209499U
Authority: CN
Inventors: 文光俊; 董琦; 李沈飞; 李建; 许江成
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2021-10-31

Abstract

本实用新型公开了一种微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，具体包括：稳压电源单元、超高频读写单元和近场通信单元，其中，稳压电源单元为超高频读写单元和近场通信单元提供工作电压；超高频读写单元用于射频信号的收发和控制；近场通信单元用于移动支付、高频读写器、非接触式点对点数据传输交换。本实用新型的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块集成了UHR RFID及HF RFID的射频芯片，从而实现双频段工作并支持这两种频段下多种协议标签的读写，并完成在此基础上的UHFRFID读写及手机支付、点对点通信功能，同时克服了现有RFID读写器体积过大的缺点，实现了读写器的超小型化。

Description

微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块

技术领域

本实用新型属于射频识别领域，具体涉及一种RFID读写器-移动支付一体化模块的设计。

背景技术

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)，是20世纪90年代开始兴起的一种无线识别技术，是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，可以对静止的和移动的物体进行识别。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

目前，超高频读写装置主要向小型化便携式和快读大量读取两个方向发展，如在手机支付和物流管理等领域的应用。小型便携且能高速读写，是超高频读写器的发展方向，然而现有读写器的电路布局由核心芯片和外围功能电路组成，由于芯片集成度不高，外围功能电路复杂，造成读写器装置普遍存在集成度不高，体积大，生产工艺要求高等缺点，不利于读写器向小型化便携式、高速读写方向发展。

而基于RFID技术的近场通信(Near Field Communication，NFC)，又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输(在十厘米内)实现数据交换。这个技术由无接触式射频识别(RFID)演变而来，并向下兼容RFID，最早由Philips、Nokia和Sony主推，主要用于手机等手持设备中。由于NFC具有天然的安全性，因此，NFC技术在手机支付等领域具有非常广阔的前景。

现有的RFID读写器，由于核心芯片的功能比较单一，只能支持对其所在工作频段、特定协议标签的读写及在此基础上的应用，应用范围小，芯片外部还有很多实现各种实用功能的附加的芯片和电路，以致读写器体积过大而不方便使用。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有的RFID读写器存在的上述问题，提出了一种微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块。

本实用新型的技术方案是：一种微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，其特征在于，包括：稳压电源单元、超高频读写单元和近场通信单元，其中，所述稳压电源单元为超高频读写单元和近场通信单元提供工作电压；所述超高频读写单元用于射频信号的收发和控制；所述近场通信单元用于移动支付、高频读写器、非接触式点对点数据传输交换。

进一步的，所述超高频读写单元包括：振荡电路子单元、平衡-不平衡转换子单元、耦合器电路子单元和射频芯片子单元，所述振荡电路子单元与所述射频芯片子单元内的压控振荡器和锁相环电路构成载波合成电路，从天线接收的信号经所述的载波合成电路进行载波合成之后经射频芯片子单元内部缓冲放大，输出给平衡-不平衡转换子单元，然后经耦合器电路子单元处理之后再返回射频芯片子单元。

进一步的，所述近场通信单元包括晶振电路子单元、RC匹配电路子单元以及射频芯片子单元，所述晶振电路子单元为所述的射频芯片子单元提供外部时钟，所述RC匹配电路子单元与所述的射频芯片子单元相连接，用于提供对外的天线接口。

本实用新型的有益效果：本实用新型的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块集成了UHR RFID及HF RFID的射频芯片，从而实现双频段工作并支持这两种频段下多种协议标签的读写，并完成在此基础上的UHF RFID读写及手机支付、点对点通信功能。同时，所选用的射频芯片集成了射频信号的收发和控制功能，从而很好地克服了现有RFID读写器体积过大的缺点，实现了读写器的超小型化。

附图说明

图1为本实用新型的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块的结构框图。

图2为本实用新型的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块的系统框图。

图3为本实用新型的稳压电源单元电路示意图。

图4为本实用新型的振荡电路子单元电路示意图。

图5为本实用新型的平衡-不平衡信号转换电路示意图。

图6为本实用新型的耦合器电路子单元示意图。

图7为本实用新型的超高频读写单元射频芯片子单元示意图。

图8为本实用新型的晶振电路子单元示意图。

图9为本实用新型的RC匹配电路单元示意图。

图10为本实用新型的近场通信单元的射频芯片子单元示意图。

具体实施方式

下面对结合附图和具体的实施例对本实用新型进行进一步详细的介绍。

本实用新型的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块的结构框图如图1所示，包括：稳压电源单元、超高频读写单元和近场通信单元，其中，所述稳压电源单元为超高频读写单元和近场通信单元提供工作电压；所述超高频读写单元用于射频信号的收发和控制；所述近场通信单元用于移动支付、高频读写器、非接触式点对点数据传输交换。

这里，超高频读写单元对满足ISO/IEC 18000-6C协议的电子标签中的内容进行一定距离的读写，具体包括：振荡电路子单元、平衡-不平衡转换子单元、耦合器电路子单元和射频芯片子单元，所述振荡电路子单元与所述射频芯片子单元内的压控振荡器和锁相环电路构成载波合成电路，从天线接收的信号经所述的载波合成电路进行载波合成之后经射频芯片子单元内部缓冲放大，输出给发射电路子单元，然后经耦合器电路子单元处理之后再返回射频芯片子单元。

这里，近场通信单元完成手机支付、手机的卡模拟及点对点通信功能，具体包括晶振电路子单元、RC匹配电路子单元以及射频芯片子单元，所述晶振电路子单元为所述的射频芯片子单元提供外部时钟，所述RC匹配电路子单元与所述的射频芯片子单元相连接，用于提供对外的天线接口。

在本实施例中，超高频读写单元的射频芯片子单元具体采用UHF RFID芯片PR900来实现，近场通信单元的射频芯片子单元具体采用NFC芯片PN65N来实现。

下面对各个模块单元分别进行说明：

稳压电源单元：图3所示为稳压电源单元U10(即MIC69153)，稳压电源单元为各单元和各子单元提供各自所需要的电压值，它属于低压差(LDO)线性稳压芯片，LDO线性稳压芯片成本低，噪音低，静态电流小。同时它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容，这样就大大简化了芯片的外围电路。再加上本实用新型采用单电源设计，整个设计的体积就进一步得到了缩小。U10(即MIC69153)的6脚为芯片使能端，外接5V电压，图中5V电压同时经过C49滤波输入给U10的7脚。U10(即MIC69153)的9脚为电压输出脚，R23、R24为分压电阻，将5V电压变压之后由9脚经过C50、C55滤波之后输出。本模块中的各个子单元的工作电压均为3.3V。

超高频读写单元：包括振荡电路子单元、发射电路子单元、耦合器电路子单元和射频芯片子单元。

其中，发射电路子单元(图2所示的Balun)、耦合器电路子单元(图2所示的Couper)、和射频芯片子单元(图2所示的PR9000)又构成了射频单元。集成在PR9000内部的控制子单元发送控制命令，经过基带处理转换为射频单元能够识别的信号，射频单元接收到命令之后发射射频信号，射频信号经过放大、滤波等操作后由天线发送到标签。同时，标签反射回来的信号经由射频单元处理成为基带信号，交给基带处理单元处理，基带处理单元将基带信号转换成控制单元可以识别的控制信息给控制单元。下面对超高频读写单元的各个子单元进行说明。

1、振荡电路子单元：图4所示为本实用新型射频单元中的振荡电路子单元，U5(TTS18NS-ALL)的1脚经R7、R13分压接3.3V电压，U5的4脚经L8、C14滤波接3.3V电压，3脚输出后经C10隔直输入到U1的48脚，振荡频率为19.2MHz。

2、平衡-不平衡转换子单元：图5所示为本实用新型超高频读写单元中的平衡-不平衡转换子单元，其作用是将经过载波合成后的信号经U1(图7)芯片内部缓冲放大，由U1芯片的第13和14脚输出给图5中平衡-不平衡转换器U2的4脚和6脚，中间经过C2、C3、L5、L6的阻抗匹配和C4、C5隔直，最终实现4∶1的等比值阻抗转换，并且将两路差分信号转换成为一路单端信号。

3、耦合器电路子单元：图6所示为本实用新型的耦合器电路子单元，其中的U9芯片(即CP0603A0942CL)是耦合器电路子单元的主要组成部分。功率放大之后的信号经过C34隔直到达方向性耦合器U9(即CP0603A0942CL)的1脚。当信号从U4输出进入U9(即CP0603A0942CL)的1脚时，U9的2脚是1脚的直通端，4脚是1脚的耦合端，3脚是1脚的隔离端；反之，当信号从天线反射回来，从2脚进入U9(即CP0603A0942CL)，此时1脚是2脚的直通端，3脚是2脚的耦合端，4脚是2脚的隔离端。理想状态下，信号在互为直通端的两个引脚通信时，不会发生任何变化，实际的情况会损失掉0.2dB。U9芯片(即CP0603A0942CL)3脚对1脚的耦合度为-15dBm，1脚输入的信号经过3脚耦合衰减15dBm后经过R3、R4、R5组成的衰减网络和C1、L2、L3组成的L型匹配网络输入到射频芯片U1(图7)的7脚。同时，由U9芯片(即CP0603A0942CL)2脚输出到天线的信号经过天线反射回来，经过C42、C43和L13组成的低通滤波网络再返回到2脚，信号通过4脚耦合后经过C56隔直和C1、L2、L3组成的L型匹配网络输入到射频芯片U1(图7)的6脚，在U1芯片中对这两路差分信号进行基带处理。

4、射频芯片子单元：图7所示为射频单元中的射频芯片子单元，射频芯片子单元中集成了控制单元和基带处理单元。U1(即PR9000)内的压控振荡器和锁相环电路，以及射频单元的振荡电路子单元构成载波合成电路。从天线接收的信号经过载波合成之后经U1芯片(即PR9000)内部缓冲放大，输出给U2(图5)，然后经过U9处理之后再返回U1(即PR9000)。

近场通信单元，包括晶振电路子单元、RC匹配电路子单元以及射频芯片子单元。这里射频芯片子单元具体通过NFC芯片PN65N实现。

PN65N芯片是NXP公司出的第二代NFC芯片，其集成了NFC芯片PN544及安全芯片SmartMx。其有三种工作模式：

1.读卡器模式：支持读ISO 15693、ISO14443TypeA、ISO14443TypeB、ISO18092协议的卡片，实现高频RFID读写器功能；

2.虚拟卡模式：模拟成MIFARE卡(集成SmartMx)，也可外接UICC。实现手机支付功能；

3.NFC-IP1模式：传输速率106kbps、212kbps或424kbps，实现点对点通信功能。

下面对近场通信单元的各个子单元进行说明。

1、晶振电路子单元：时钟采用27.12MHz，外围电路如上图8所示即可。

2、RC匹配电路子单元：图9所示为RC匹配电路单元。其中TX1，TX2为差分输出，RX为接收。射频发射部分：TX1、TX2差分信号通过电感L1、L2，电容C10、C11的谐振把TX方波信号从低电压升到将近50V的正弦波，C12、C13为隔直电容，C18与天线实现并联谐振，使天线获得最大的电流，提供给卡能量。一般天线的中间点接地，有利于提高抗静电、杂散等指标。射频接收部分：接收信号通过C14、R1进入到RX脚上，VMID为接收的偏置电压，外部的C9滤波提高稳定性，通过R2对RX进行偏置，让RX脚电平处于电源的中间点，提高接收灵敏度。匹配的调节，一般L1、L2采用1uH电感，最好采用绕线电感。采用日本SAGAMI的绕线电感，体积小性能好，C10、C11值不变，调整C18的天线谐振电容或者调整C12和C13的值，使天线两端的电压达到50V附近(峰峰值能够达到50V，一般建议在30V以上即可，这个视需求定，太高，电流会过大)。一般电压高些，读卡的距离会比较远。

3、射频芯片子单元即PN65N单元：图10所示为射频单元中的射频芯片子单元，射频芯片子单元内部集成了控制单元(HT80C51MX)和基带处理单元。其中VEN为芯片使能引脚；VEN_MON为电压监控使能引脚；TXD与RXD分别为UART口的发送与接收引脚；SIMVCC是在芯片工作在Powered-by-Field模式下芯片为SIM(此处以移动的SIM卡为例)卡供电的引脚；SWP是芯片与SIM卡进行通信的引脚；TX1、TX2、RX、VMID是芯片用来与RC匹配电路之间进行发、收射频信号及提供射频接收电压参考；PF1、PF2为芯片的卡模拟接口；IRQ为芯片中断请求引脚；RESET为芯片重置引脚。

本实用新型与其它同类RFID读写模块相比，采用模块式结构，体积小；可以在UHF及HF双频段工作；支持的协议包括：ISO/IEC 18000-6C、ISO 15693、ISO14443TypeA、ISO14443TypeB、ISO18092。模块的控制单元和基带处理单元集成在NFC芯片PN65N中，这是本实用新型体积小的主要原因。并且稳压电源单元我们采用的是MLF封装的LDO线性稳压电源，体积很小。由于体积非常小，应用范围得到的大大的提升，可以嵌入到像手机这样的小体积设备中实现手机双频段读写器、手机支付、点对点通信功能。在手机电池能提供本模块工作电压的情况下，PN65N芯片工作在Polling loop模式下(在此种模式下PN65N芯片工作状态在各种功能间循环)，可以实现手机支付，点对点通信，卡模拟的功能；PR9000单元正常工作。在手机断电的情况下，超高频读写单元不工作，近场通信单元可以工作在Powered-by-Field模式，由射频场提供芯片工作所需要的能量，在此种模式下，本模块能实现卡模拟的功能。具体来说是基于840MHz-960MHz的UHF RFID(Ultra HighFrequency Radio Frequency IDentification)及13.56Mhz的NFC(Near-Field-Communication)技术来实现射频识别、手机支付、手机的卡模拟及点对点通信功能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，其特征在于，包括：稳压电源单元、超高频读写单元和近场通信单元，其中，所述稳压电源单元为超高频读写单元和近场通信单元提供工作电压；所述超高频读写单元用于射频信号的收发和控制；所述近场通信单元用于移动支付、高频读写器、非接触式点对点数据传输交换。

2.根据权利要求1所述的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，其特征在于，所述超高频读写单元包括：振荡电路子单元、平衡-不平衡转换子单元、耦合器电路子单元和射频芯片子单元，所述振荡电路子单元与所述射频芯片子单元内的压控振荡器和锁相环电路构成载波合成电路，从天线接收的信号经所述的载波合成电路进行载波合成之后经射频芯片子单元内部缓冲放大，输出给平衡-不平衡转换子单元，然后经耦合器电路子单元处理之后再返回射频芯片子单元。

3.根据权利要求1所述的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，其特征在于，所述近场通信单元包括晶振电路子单元、RC匹配电路子单元以及射频芯片子单元，所述晶振电路子单元为所述的射频芯片子单元提供外部时钟，所述RC匹配电路子单元与所述的射频芯片子单元相连接，用于提供对外的天线接口。

4.根据权利要求2所述的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，其特征在于，所述的射频芯片子单元具体采用UHF RFID芯片PR900来实现。

5.根据权利要求3所述的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，其特征在于，所述的射频芯片子单元具体采用NFC芯片PN65N来实现。

6.根据权利要求1至3所述的任一微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，其特征在于，所述的稳压电源单元具体采用稳压芯片MIC69153来实现。

7.根据权利要求3所述的微型UHF RFID读写与NFC移动支付一体化模块，其特征在于，所述的晶振电路子单元提供的时钟具体为27.12MHz。