CN203673491U - 一种射频卡检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种射频卡检测装置，包括有内置比较器的单片机单元、射频收发单元和检波电路，单片机单元和射频收发单元相连，射频收发单元的输出端和检波电路的输入端相连，检波电路的输出端和单片机单元的内置比较器的输入端相连。在射频收发单元的相同开启时间内，通过检波电路处理，比较器有个电平翻转时间，而有无卡片靠近读卡器时这个时间是不同的，因此通过判断这个时间大小就能判断是否有卡片靠近，实现射频卡的检测，当确认有卡片临近时，再开启完整读卡过程。本实用新型结构简单，所用元器件较少，成本较低，大大降低寻卡功耗，还能避免由于环境因素影响造成的误触发，提高可靠性。

Description

一种射频卡检测装置

技术领域

本实用新型涉及射频卡检测技术领域，尤其涉及一种射频卡检测装置。

背景技术

RFID技术(射频识别技术)的发展已经给人们带来越来越多的便利，诸如物流跟踪、身份识别、一卡通等。现在成长于RFID的NFC技术在智能手机上也异军突起，在分享电子名片、图片、APP智能手机第三方应用程序的应用连接等都有它的身影。这些非接触技术的应用载体都是读卡器以及卡片本身，读卡器在读取卡片的过程中通常都会消耗几十甚至上百毫安的电流，在手持设备以及对功耗敏感的应用领域，例如门锁行业，这是个较大的应用瓶颈。

读卡器要获知有卡片是否在其“场域”内，现在的通常做法有三种：

1)电容检测法

这个和触摸按键原理类似，平常情况读卡器处于休眠状态，当有卡片靠近的时候，改变了读卡器感应区域周围的电容大小，单片机检测到这种电容变化就唤醒读卡器进行正常读写操作，操作完成后再次进入休眠模式。但是，这种检测方式受读卡器外形设计局限，这个感应区域的尺寸大小和形状直接影响了电容变化的灵敏度。而且温度、湿度等环境因素变化的影响，电容本身也会变化，这需要一个强大的软件算法做支撑。由于电容检测是属于电场领域，而卡片的读取是属于高频磁场，这在读卡的时候会带来的一定的干扰。另外，为了捕获由于卡片靠近导致的电容变化，需要增加诸多辅助外部检测电路来捕捉这个变化，成本较高。

2)谐振法

在不启动读卡器的前提下，由单片机控制产生一个高频脉冲(13.56MHz，一般持续20us～50us)，如果有卡片靠近这个高频信号则调制出的电压信号就会变化，单片机的内置AD(模数转换)模块检测到这个变化时就可以知道有卡片靠近。这个方法的缺点是要增加很多外围器件，需要有额外的晶振、运放和滤波电路等，如果单片机没有集成AD模块，则还需要外置一个AD转换芯片，即使单片机内部集成有AD模块，开启AD模块后，单片机的工作功耗就会立即增加很多，所以也会导致读卡器功耗的增加。

3)查询法

这个方法是最常见的方法，无须增加任何额外的器件。如果读卡器读取的是ISO14443A卡，只要间歇性地发送询卡指令，看有无应答信号返回即可。检测其他卡片的原理也类似。但是，由于卡片一般是无源器件，一般都需要读卡器开启信号辐射一段时间后，等待卡片内线圈耦合得到的电压达到一定值后，才能接收解析读卡器发射的命令。比如在ISO14443-3协议规约内就规定，读卡器必须在开启射频辐射5ms之后才能发射命令，而如今主流RFID/NFC读头芯片开启发射接收之后的功耗一般都接近100mA，也就是说读卡器需要在5ms内干消耗100mA的电流。如果要降低功耗，就只能降低寻卡频率，而这个寻卡频率和用户感受又直接相关。为了有较好的用户体验，一般寻卡频率都要求在3Hz以上，为了达到这个用户体验，这个方案的平均功耗为5ms×100mA/333ms=1.5mA。在电池供电的功耗敏感应用领域，这个功耗是不能容忍的。

发明内容

本实用新型主要解决原有卡片检测装置所用电路元器件较多，成本较高，并且要消耗较多的功耗，同时易受到干扰，可靠性不高，不适合应用在低功耗手持设备以及功耗敏感行业的技术问题；提供一种射频卡检测装置，其电路结构简单，所用元器件较少，成本较低，而且需要消耗的功耗较低，同时不易受到干扰，可靠性高，满足低功耗手持设备以及功耗敏感行业的非接触卡的应用需要。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括单片机单元、射频收发单元和检波电路，单片机单元有内置比较器，单片机单元和射频收发单元相连，射频收发单元的输出端和检波电路的输入端相连，检波电路的输出端和单片机单元的内置比较器的输入端相连。由单片机单元控制射频收发单元的开启发射时间，当单片机单元控制射频收发单元开启发射信号时，射频收发单元会有一个交流信号输出给检波电路，经检波电路处理后发出一个信号给单片机单元的内置比较器的输入端，比较器会输出一个电平，经过一段设定时间，单片机单元控制射频收发单元关闭发射信号时，同时开启定时器进行计时，一段时间后，比较器输出电平反转，单片机单元检测到这个反转信号时，立即停止计时，获得一个时间值。没有射频卡靠近时，这个时间都在一个时间值Threshold左右浮动，Threshold为事先确定的没有射频卡靠近时的一个时间值，当有卡片靠近时，这个时间值会迅速增大，因此只要判断当采样到的时间值和Threshold的差值是否超过一个设定的阈值，就能确认是否有卡片临近。当确认有卡片临近时，再开启整个完整的协议读取卡的过程，这样寻卡功耗即可大大降低，满足低功耗手持设备以及功耗敏感行业的非接触卡的应用需要。

设定的阈值是个常数，是通过多次实验后选择出的一个最合适的值。实验中，将卡片靠近读卡器，比如距离读卡器5cm，得到时间值Y，没有卡片靠近时得到时间值X，将Y-X就得到这个阈值。经多次实验，选择出一个最合适的值，作为设定的阈值。

当然，当采用的单片机单元没有内置比较器时，通过增设一个外置比较器也能实现。但选用外置比较器时，其工作电流也需考虑，可能增加功耗。

作为优选，所述的检波电路包括电容C20、电容C21、电阻R15、电阻R16、电阻R17和二极管D，所述的射频收发单元的输出端和二极管D的正极相连，电容C20和电阻R17连成的并联电路的一端接二极管D的正极，另一端接地，二极管D的负极和电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端，一路接所述的单片机单元的内置比较器的反相输入端，另一路经电容C21和电阻R16连成的并联电路接地，单片机单元的内置比较器的同相输入端接参考电压Vref。二极管D采用整流肖特基二极管。射频收发单元开启发射时，会有一个13.56MHz的交流信号输出，出于降低功耗考虑，由单片机单元控制这个发射时间只持续20us，让这个信号经过二极管D给电容C21充电。通过仿真计算确定电阻R15和电容C21的合适值，使得在20us内，电容C21被充满电荷。比较器同相输入端接一个固定的参考电压Vref，在射频收发单元没有开启发射时，比较器的同相输入端电压大于反相输入端电压，比较器输出高电平；开启发射后，当电容C21充满电时，比较器输出低电平；当20us的信号发射完毕之后，单片机单元关闭射频收发单元的发射，并立即开启定时器计时，这时候电容C21的电量通过电阻R16放电，当电容C21放电致使其电压降低到比较器同相输入端的参考电压Vref之下时，比较器输出高电平，输出电平翻转，单片机单元检测到这个电平翻转信号后立即停止定时器的计时，获得一个时间值，这个时间值就是电容C21的放电时间。在射频收发单元的相同开启时间内，有卡片靠近读卡器时，由于电源耦合作用，电容C21的放电时间会比没有卡片靠近时大很多，卡片离读卡器越近，这个放电时间就越大。本技术方案就是通过判断这个放电时间大小，来判断是否有卡片靠近的，从而实现射频卡的检测。当确认有卡片临近时，再开启整个完整的协议读取卡的过程，这样寻卡功耗即可大大降低。电阻R17是个下拉电阻，为了防止在射频收发单元没有开启发射时，输入给二极管D的正极端的信号存在的浮动不确定性。

作为优选，所述的射频卡检测装置包括指示单元和USB接口单元，指示单元及USB接口单元分别和所述的单片机单元相连。指示单元用于指示各种工作状态及是否有卡片临近，USB接口单元便于传输各种数据，提高使用的灵活性。

作为优选，所述的单片机单元包括单片机U3，单片机U3采用MSP430单片机；所述的射频收发单元包括射频收发芯片U1、晶振XT和天线ANT，射频收发芯片U1采用TRF79XX射频收发芯片；单片机U3的1脚经电容C37和电容C38的并联电路接地，单片机U3的2脚和射频收发芯片U1的27脚相连，单片机U3的6脚经电阻R21和射频收发芯片U1的13脚相连，单片机U3的12脚、13脚、18脚、19脚、20脚及21脚分别和射频收发芯片U1的28脚、25脚、21脚、24脚、23脚及26脚相连，单片机U3的16脚和所述的检波电路3的输出端相连，射频收发芯片U1的28脚经电阻R2接地，射频收发芯片U1的25脚，一路经电阻R3接地，另一路经电阻R1接电压VIN，射频收发芯片U1的14脚经电阻R32和单片机U3的26脚相连，射频收发芯片U1的12脚经电阻R33和单片机U3的27脚相连，射频收发芯片U1的30脚、31脚分别和晶振XT的3脚、1脚相连，晶振XT的3脚经电容C1接地，晶振XT的1脚经电容C2接地，晶振XT的2脚及4脚均接地；射频收发芯片U1的5脚经电容C5和电容C15连成的并联电路和电感L1的一端相连，电感L1的另一端和电感L2的一端相连，电感L2的另一端经电阻R18和电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端和所述的检波电路的输入端相连，电感L1和电感L2的并接点，一路经电容C7、电容C18接地，还有一路经电容C16接地，再一路经电容C8接地，电感L2上并联有电容C3，电感L2和电阻R18的并接点，一路经电容C9、电容C19接地，还有一路经电容C10接地，再一路经电容C11接地，电容C7和电容C18的并接点和射频收发芯片U1的8脚相连，电容C9和电容C19的并接点和射频收发芯片U1的9脚相连；电阻R18和电阻R10的并接点和电阻R5、电阻R7的一端相连，电阻R5和电阻R4的串联电路与电阻R7并联，电阻R7的另一端经电容C4及电容C6的并联电路和天线ANT的一端相连，天线ANT的另一端接地，电阻R9、电容C12及电容C13分别和天线ANT并联。电路结构简单，可靠性高，功耗低。

作为优选，所述的射频卡检测装置包括指示单元和USB接口单元，指示单元及USB接口单元分别和所述的单片机单元相连；所述的指示单元包括发光二极管D1、发光二极管D2和发光二极管D3，发光二极管D1经电阻R25和单片机U3的30脚相连，发光二极管D2经电阻R26和单片机U3的29脚相连，发光二极管D3经电阻R27和单片机U3的28脚相连；所述的USB接口单元包括驱动芯片U4、瞬态抑制器U5和USB接口J5，驱动芯片U4采用CP2102驱动芯片，瞬态抑制器U5采用SN75240瞬态抑制器，单片机U3的23脚经电阻R22和驱动芯片U4的26脚相连，单片机U3的22脚经电阻R24和驱动芯片U4的25脚相连，驱动芯片U4的7脚和8脚相连，并经电容C41和电容C42的并联电路接地，同时和电阻R28的一端相连，电阻R28的另一端经跳线J4和USB接口J5的1脚相连，驱动芯片U4的5脚经电阻R29和USB接口J5的2脚相连，驱动芯片U4的4脚经电阻R30和USB接口J5的3脚相连，USB接口J5的1脚、2脚、3脚分别和瞬态抑制器U5的3脚、5脚、7脚相连，USB接口J5的5脚及瞬态抑制器U5的2脚、4脚、6脚、8脚均接地，USB接口J5的6脚、7脚、8脚及9脚并接，并接后经电阻R31接地，驱动芯片U4的3脚接地，驱动芯片U4的11脚经电阻R20接地，驱动芯片U4的9脚经电阻R23和驱动芯片U4的6脚相连，驱动芯片U4的6脚经电容C39和电容C40的并联电路接地。指示单元用于指示各种工作状态及是否有卡片临近，USB接口单元便于传输各种数据，提高使用的灵活性，而且电路结构简单，可靠性高，功耗低。

本实用新型的有益效果是：检测电路结构简单，所用元器件较少，成本较低，而且大大降低检测卡片是否临近所需要消耗的功耗，同时减少干扰，避免由于环境因素影响造成的误触发，提高可靠性，满足低功耗手持设备以及功耗敏感行业的非接触卡的应用需要。

附图说明

图1是本实用新型的一种电路原理连接结构框图。

图2是本实用新型中单片机单元和指示单元、USB接口单元的一种电路原理图。

图3是本实用新型中射频收发单元和检波电路的一种电路原理图。

图中1.单片机单元，2.射频收发单元，3.检波电路，4.指示单元，5.USB接口单元。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种射频卡检测装置，如图1所示，包括单片机单元1、射频收发单元2、检波电路3、指示单元4和USB接口单元5，单片机单元1有内置比较器，射频收发单元2、指示单元4及USB接口单元5分别和单片机单元1相连，射频收发单元2的输出端和检波电路3的输入端相连，检波电路3的输出端和单片机单元1的内置比较器的输入端相连。

如图2、图3所示，单片机单元1包括单片机U3，单片机U3采用MSP430单片机；射频收发单元2包括射频收发芯片U1、晶振XT和天线ANT，射频收发芯片U1采用TRF79XX射频收发芯片，晶振XT的频率为13.56MHz；检波电路3包括电容C20、电容C21、电阻R15、电阻R16、电阻R17和二极管D。单片机U3的1脚经电容C37和电容C38的并联电路接地，单片机U3的2脚和射频收发芯片U1的27脚相连，单片机U3的6脚经电阻R21和射频收发芯片U1的13脚相连，单片机U3的12脚、13脚、18脚、19脚、20脚及21脚分别和射频收发芯片U1的28脚、25脚、21脚、24脚、23脚及26脚相连，射频收发芯片U1的28脚经电阻R2接地，射频收发芯片U1的25脚，一路经电阻R3接地，另一路经电阻R1接电压VIN，射频收发芯片U1的14脚经电阻R32和单片机U3的26脚相连，射频收发芯片U1的12脚经电阻R33和单片机U3的27脚相连，射频收发芯片U1的30脚、31脚分别和晶振XT的3脚、1脚相连，晶振XT的3脚经电容C1接地，晶振XT的1脚经电容C2接地，晶振XT的2脚及4脚均接地；射频收发芯片U1的5脚经电容C5和电容C15连成的并联电路和电感L1的一端相连，电感L1的另一端和电感L2的一端相连，电感L2的另一端经电阻R18和电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端和二极管D的正极相连，电容C20和电阻R17连成的并联电路的一端接二极管D的正极，另一端接地，二极管D的负极和电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端，一路和单片机U3的16脚相连，即单片机U3的内置比较器的反相输入端，另一路经电容C21和电阻R16连成的并联电路接地，单片机U3的内置比较器的同相输入端接参考电压Vref，本实施例中，这个参考电压Vref采用单片机U3的内部参考电压0.5V，电感L1和电感L2的并接点，一路经电容C7、电容C18接地，还有一路经电容C16接地，再一路经电容C8接地，电感L2上并联有电容C3，电感L2和电阻R18的并接点，一路经电容C9、电容C19接地，还有一路经电容C10接地，再一路经电容C11接地，电容C7和电容C18的并接点和射频收发芯片U1的8脚相连，电容C9和电容C19的并接点和射频收发芯片U1的9脚相连；电阻R18和电阻R10的并接点和电阻R5、电阻R7的一端相连，电阻R5和电阻R4的串联电路与电阻R7并联，电阻R7的另一端经电容C4及电容C6的并联电路和天线ANT的一端相连，天线ANT的另一端接地，电阻R9、电容C12及电容C13分别和天线ANT并联。

指示单元4包括发光二极管D1、发光二极管D2和发光二极管D3，发光二极管D1经电阻R25和单片机U3的30脚相连，发光二极管D2经电阻R26和单片机U3的29脚相连，发光二极管D3经电阻R27和单片机U3的28脚相连。USB接口单元5包括驱动芯片U4、瞬态抑制器U5和USB接口J5，驱动芯片U4采用CP2102驱动芯片，瞬态抑制器U5采用SN75240瞬态抑制器，单片机U3的23脚经电阻R22和驱动芯片U4的26脚相连，单片机U3的22脚经电阻R24和驱动芯片U4的25脚相连，驱动芯片U4的7脚和8脚相连，并经电容C41和电容C42的并联电路接地，同时和电阻R28的一端相连，电阻R28的另一端经跳线J4和USB接口J5的1脚相连，驱动芯片U4的5脚经电阻R29和USB接口J5的2脚相连，驱动芯片U4的4脚经电阻R30和USB接口J5的3脚相连，USB接口J5的1脚、2脚、3脚分别和瞬态抑制器U5的3脚、5脚、7脚相连，USB接口J5的5脚及瞬态抑制器U5的2脚、4脚、6脚、8脚均接地，USB接口J5的6脚、7脚、8脚及9脚并接，并接后经电阻R31接地，驱动芯片U4的3脚接地，驱动芯片U4的11脚经电阻R20接地，驱动芯片U4的9脚经电阻R23和驱动芯片U4的6脚相连，驱动芯片U4的6脚经电容C39和电容C40的并联电路接地。

射频卡检测过程：

由单片机U3控制射频收发芯片U1的开启发射时间；当单片机U3控制射频收发芯片U1开启发射信号时，射频收发芯片U1会有一个交流信号输出，这个信号经检波电路3中的二极管D给电容C21充电，电容C21充满电时，单片机U3的内置比较器输出低电平；经过一段设定的时间，本实施例中，这个设定时间为20us，由单片机U3控制射频收发芯片U1关闭发射信号时，单片机U3同时开启内部定时器进行计时，此时电容C21的电量通过电阻R16放电，当放电致使电容C21的电压降低到单片机U3的内置比较器的参考电压Vref之下时，比较器输出高电平，当单片机U3检测到这个电平反转信号时立即停止定时器计时，则获得一个时间值T，由单片机U3计算△T=T-Threshold的值，Threshold为事先确定的没有射频卡靠近时的一个时间值，当△T超过一个设定的阈值OFFSET(阈值OFFSET是个常数)时，则单片机U3认为有射频卡临近，开启射频卡读取过程，反之则认为无射频卡临近，不开启射频卡读取过程。

本实用新型结构简单，所用元器件较少，成本较低，而且大大降低检测卡片是否临近所需要消耗的功耗，同时减少干扰，避免由于环境因素影响造成的误触发，提高可靠性，满足低功耗手持设备以及功耗敏感行业的非接触卡的应用需要。

Claims (5)

1.一种射频卡检测装置，其特征在于包括单片机单元(1)、射频收发单元(2)和检波电路(3)，单片机单元(1)有内置比较器，单片机单元(1)和射频收发单元(2)相连，射频收发单元(2)的输出端和检波电路(3)的输入端相连，检波电路(3)的输出端和单片机单元(1)的内置比较器的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种射频卡检测装置，其特征在于所述的检波电路(3)包括电容C20、电容C21、电阻R15、电阻R16、电阻R17和二极管D，所述的射频收发单元(2)的输出端和二极管D的正极相连，电容C20和电阻R17连成的并联电路的一端接二极管D的正极，另一端接地，二极管D的负极和电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端，一路接所述的单片机单元(1)的内置比较器的反相输入端，另一路经电容C21和电阻R16连成的并联电路接地，单片机单元(1)的内置比较器的同相输入端接参考电压Vref。

3.根据权利要求1或2所述的一种射频卡检测装置，其特征在于包括指示单元(4)和USB接口单元(5)，指示单元(4)及USB接口单元(5)分别和所述的单片机单元(1)相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种射频卡检测装置，其特征在于所述的单片机单元(1)包括单片机U3，单片机U3采用MSP430单片机；所述的射频收发单元(2)包括射频收发芯片U1、晶振XT和天线ANT，射频收发芯片U1采用TRF79XX射频收发芯片；单片机U3的1脚经电容C37和电容C38的并联电路接地，单片机U3的2脚和射频收发芯片U1的27脚相连，单片机U3的6脚经电阻R21和射频收发芯片U1的13脚相连，单片机U3的12脚、13脚、18脚、19脚、20脚及21脚分别和射频收发芯片U1的28脚、25脚、21脚、24脚、23脚及26脚相连，单片机U3的16脚和所述的检波电路(3)的输出端相连，射频收发芯片U1的28脚经电阻R2接地，射频收发芯片U1的25脚，一路经电阻R3接地，另一路经电阻R1接电压VIN，射频收发芯片U1的14脚经电阻R32和单片机U3的26脚相连，射频收发芯片U1的12脚经电阻R33和单片机U3的27脚相连，射频收发芯片U1的30脚、31脚分别和晶振XT的3脚、1脚相连，晶振XT的3脚经电容C1接地，晶振XT的1脚经电容C2接地，晶振XT的2脚及4脚均接地；射频收发芯片U1的5脚经电容C5和电容C15连成的并联电路和电感L1的一端相连，电感L1的另一端和电感L2的一端相连，电感L2的另一端经电阻R18和电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端和所述的检波电路(3)的输入端相连，电感L1和电感L2的并接点，一路经电容C7、电容C18接地，还有一路经电容C16接地，再一路经电容C8接地，电感L2上并联有电容C3，电感L2和电阻R18的并接点，一路经电容C9、电容C19接地，还有一路经电容C10接地，再一路经电容C11接地，电容C7和电容C18的并接点和射频收发芯片U1的8脚相连，电容C9和电容C19的并接点和射频收发芯片U1的9脚相连；电阻R18和电阻R10的并接点和电阻R5、电阻R7的一端相连，电阻R5和电阻R4的串联电路与电阻R7并联，电阻R7的另一端经电容C4及电容C6的并联电路和天线ANT的一端相连，天线ANT的另一端接地，电阻R9、电容C12及电容C13分别和天线ANT并联。

5.根据权利要求4所述的一种射频卡检测装置，其特征在于包括指示单元(4)和USB接口单元(5)，指示单元(4)及USB接口单元(5)分别和所述的单片机单元(1)相连；所述的指示单元(4)包括发光二极管D1、发光二极管D2和发光二极管D3，发光二极管D1经电阻R25和单片机U3的30脚相连，发光二极管D2经电阻R26和单片机U3的29脚相连，发光二极管D3经电阻R27和单片机U3的28脚相连；所述的USB接口单元(5)包括驱动芯片U4、瞬态抑制器U5和USB接口J5，驱动芯片U4采用CP2102驱动芯片，瞬态抑制器U5采用SN75240瞬态抑制器，单片机U3的23脚经电阻R22和驱动芯片U4的26脚相连，单片机U3的22脚经电阻R24和驱动芯片U4的25脚相连，驱动芯片U4的7脚和8脚相连，并经电容C41和电容C42的并联电路接地，同时和电阻R28的一端相连，电阻R28的另一端经跳线J4和USB接口J5的1脚相连，驱动芯片U4的5脚经电阻R29和USB接口J5的2脚相连，驱动芯片U4的4脚经电阻R30和USB接口J5的3脚相连，USB接口J5的1脚、2脚、3脚分别和瞬态抑制器U5的3脚、5脚、7脚相连，USB接口J5的5脚及瞬态抑制器U5的2脚、4脚、6脚、8脚均接地，USB接口J5的6脚、7脚、8脚及9脚并接，并接后经电阻R31接地，驱动芯片U4的3脚接地，驱动芯片U4的11脚经电阻R20接地，驱动芯片U4的9脚经电阻R23和驱动芯片U4的6脚相连，驱动芯片U4的6脚经电容C39和电容C40的并联电路接地。

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