CN203706244U - 一种场时钟自动同步的有源非接触式ic卡 - Google Patents

Abstract

一种场时钟自动同步的有源非接触式IC卡，涉及非接触式IC卡技术领域。本实用新型包括发射通路、接收通路、锁相环、主控单元和天线网络。其结构特点是，它还包括控制单元、整形单元一和相位补偿单元。所述整形单元二的输出端依次经锁相环和相位补偿单元连接到调制单元，整形单元二的输出端还连接到控制单元。主控单元和整形单元一都分别连接到控制单元，控制单元和相位补偿单元相互连接，功率放大单元的输出端连接到整形单元一。本实用新型能克服有源非接触式IC卡存在的发射信号与外部场信号之间的相位差，使通信顺畅，保证IC卡的正常工作。

Description

一种场时钟自动同步的有源非接触式IC卡

技术领域

 本实用新型涉及非接触式IC卡技术领域，特别是场时钟自动同步的有源非接触式IC卡。

背景技术

感应式无线射频识别RFID系统被广泛使用于信用卡支付、票务系统、公共交通系统以及访问控制（如门禁卡）和身份认证（电子通行证、身份证）等应用中。这类系统以ISO/IEC 14443、15693、18000-3、18092协议为标准，其中主要支持协议为ISO/IEC 14443。工作频段为13.56MHz，支持非接触式IC卡在近场，特别是距离小于10cm的场区内通信。

   现有技术中，非接触式IC卡的工作特点是卡片通过感应方式为自身供电，以负载调制方式将数据返回给读卡器。优点是卡片不需独立电源，结构简单，成本低。缺点是读卡器与卡片天线之间耦合系数小，通信距离受限制；对天线尺寸需要足够大（ID1）才能为自身供电和数据交换。随着移动智能终端技术的发展，将上述各项应用集成到手机/SD卡等设备当中成为趋势，这要求非接触式IC卡的天线尺寸足够小才能够集成到手机内部/SD卡内部。

   有源非接触式IC卡可以解决上述问题，有源非接触式IC卡由外部电源单独供电，可以采用电路相对复杂、灵敏度高的接收通路和辐射功率高的发送通路，保证卡片天线尺寸即使成倍缩小也可以有效接收和发送数据。参看图1，现有技术中的有源非接触式IC卡的结构包括天线网络9、接收通路4、锁相环7和发射通路2。

   与无源非接触式IC卡相比，上述有源非接触式IC卡系统结构和功能模块设计更为复杂。并且卡片向读卡器返回数据时，不再是负载调制的方式，而是由卡片内部产生一个13.56M的载波信号，数据与载波信号经调制单元调制后由功率放大单元发送给读卡器。

   上述有源非接触式IC卡接收灵敏度高，即使卡天线面积为几个cm²也能在有效距离（10cm）内接收到场信号；发送采用功率放大器大功率驱动天线，即使外部应用环境（金属板遮挡，屏蔽，干扰等）恶劣，在有效距离内读卡器端也能接收到IC卡返回的数据。解决了移动终端设备对IC卡天线小尺寸的要求；若保持天线尺寸与无源非接触式IC卡天线尺寸相同，有源非接触IC卡能在更远的距离外与读卡器建立通信。

   但是，上述有源非接触式IC卡存在的发射信号之间以及与场时钟信号之间存在的相位差异会导致下面两个问题：

1、IC卡发射信号与外部场信号间的相位偏差在某个特定相差范围内，IC卡发射信号几乎被全部抵消，无法被读卡器解调，造成通信失败。

2、在执行抗冲突流程阶段，若场内有UID部分相同的多张IC卡，则卡片发射信号间的相位差异会导致读卡器天线端接收到的不同卡片应答信号UID相同部分互相抵消，造成抗冲突流程执行失败。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种场时钟自动同步的有源非接触式IC卡。它能克服有源非接触式IC卡存在的发射信号与外部场信号之间的相位差，使通信顺畅，保证IC卡的正常工作。

   为达到上述发明目的，本实用新型的技术方案以如下方式实现：

一种场时钟自动同步的有源非接触式IC卡，它包括发射通路、接收通路、锁相环、主控单元和天线网络。所述发射通路包括调制单元和功率放大单元。所述接收通路包括放大单元、整形单元二和解调单元。天线网络依次经放大单元、整形单元二、解调单元、主控单元、调制单元和功率放大单元形成回路，主控单元和锁相环相互连接。其结构特点是，它还包括控制单元、整形单元一和相位补偿单元。所述整形单元二的输出端依次经锁相环和相位补偿单元连接到调制单元，整形单元二的输出端还连接到控制单元。主控单元和整形单元一都分别连接到控制单元，控制单元和相位补偿单元相互连接，功率放大单元的输出端连接到整形单元一。

在上述有源非接触式IC卡中，所述控制单元包括依次连接的相位比较单元、相位转换单元、模数转换器和逻辑单元。

本实用新型由于采用了上述结构，它能够自动测量卡片发射信号与外部场时钟之间的相位差，并通过相位补偿方式：

1）将发射信号与外部场时钟相差控制在指定的误差范围内，使二者相位差接近特定相位区域，避免通信失败。

2）将不同卡片的发射信号相位差控制在指定的误差范围内，保证不同卡片所发射信号不因相位差问题出现信号相抵消现象，保证读卡器抗冲突流程能够正确执行。

   本实用新型能够解决工艺制程、环境变化所造成卡片电路延时差异，以及卡片内部模拟场信号与外部场时钟相位差，提高有源非接触IC卡产品合格率和兼容率。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中有源非接触IC卡的结构示意图；

图 2 为本实用新型有源非接触IC卡的结构示意图；

图 3 为本实用新型中控制单元的结构示意图；

图 4 为本实用新型有源非接触IC卡内部单元相位延迟示意图；

图 5 为实施例中本实用新型方法的工作流程图。

具体实施方式

参看图2和图3，本实用新型场时钟自动同步的有源非接触式IC卡包括发射通路2、接收通路4、锁相环7、主控单元8、天线网络9、控制单元1、整形单元一3和相位补偿单元5。发射通路2包括调制单元2.2和功率放大单元2.1，接收通路4包括放大单元4.1、整形单元二4.2和解调单元4.3。控制单元1包括依次连接的相位比较单元1.1、相位转换单元1.2、模数转换器1.3和逻辑单元1.4。天线网络9依次经放大单元4.1、整形单元二4.2、解调单元4.3、主控单元8、调制单元2.2和功率放大单元2.1形成回路。主控单元8和锁相环7相互连接。整形单元二4.2的输出端依次经锁相环7和相位补偿单元5连接到调制单元2.2，整形单元二4.2的输出端还连接到控制单元1，主控单元8和整形单元一3都分别连接到控制单元1，控制单元1和相位补偿单元5相互连接，功率放大单元2.1的输出端连接到整形单元一3。

本实用新型中的相位补偿单元5可以在0～360°之间对锁相环7输出的信号进行补偿，补偿目的是使得经天线网络9发射出去的信号与外部场信号同步。因为发射通路2和接收通路4对信号有延时和相移，同步的概念是使二者相位差为360°，即天线网络9发射信号比外部场信号延迟一个场时钟周期。

图3中的相位比较单元1.1是将两个输入信号做逻辑与操作。其中相位转换单元1.2是一个线性变换模块，能够将相位差按比例关系转为电压或者电流信号。其中模数转换器1.3的有效bit位数根据相位补偿的最小步长而定，对相位的等效量化误差应小于相位补偿的最小步长。其中逻辑单元1.4具体为实现相位补偿算法的数字电路，输出用于控制相位补偿单元5。

本实用新型工作时，自动测量有源非接触式IC卡发射信号与外部场时钟之间的相位差，并通过相位补偿方式将发射信号与外部场时钟相差控制在指定的误差范围内。本实用新型有源非接触式IC卡结构中，构成通路总相位延迟的路径包括以下单元：天线网络9、放大单元4.1、整形单元二4.2、调制单元2.2、功率放大单元2.1。整形单元一3和整形单元二4.2采用相同的电路结构，且输入信号幅度相当，频率相同，假设

pd_shp1= pd_shp2                          （1）

首先可以对通路中造成相位延迟的路径进行划分和分析。

参看图4，为本实用新型中有源非接触IC卡内部单元相位延迟示意图。将总相位延迟划分为两条路径进行测量：

路径1：相位补偿单元5输出至整形单元一3输出；相位比较参考信号来自相位补偿单元5的输出，该路径相位差为

pd_path1= pd_mod+pd_pa+pd_shp1            （2）

路径2：功率放大单元2.1输出至整形单元二2输出；相位比较参考信号来自功率放大单元2.1的输出，该路径相位差为：

pd_path2= pd_ant+pd_amp+pd_shp2-pd_shp1   （3）

其次，计算通路总相位延迟表达为：

pd_total= pd_ant+pd_amp+pd_shp2+pd_pll+pd_cal+pd_mod+pd_pa

       = pd_path2+pd_pll+pd_cal+pd_path1        （4）

其中pd_cal为相位补偿单元5当前相位补偿量；pd_pll为锁相环7锁定时与输入基准频率相位差。锁相环7锁定是残余的相位差与因电路相位延迟相比较小，此处忽略不计。

pd_total=  pd_path2+ pd_cal+pd_path1            （5）

要满足发射信号与外部场时钟同步的条件，计入通路各单元相位延迟后，总通路相移最小为360°。变量为pd_cal，根据式（13），有

pd_cal= 360°-pd_path1-pd_path2               （6）

其中相位补偿单元5相位补偿范围为0～360°。若预设一个起始相位延时量，记为pd_cal0，则其补偿范围变为-pd_cal0～360°-pd_cal0。另记相位补偿变量为pd_calc，则

pd_calc= pd_cal-pd_cal0

      = 360°-pd_cal0-pd_path1-pd_path2        （7）

参看图5，本实用新型有源非接触式IC卡的场时钟自动同步使用方法步骤为：

1）上电初始化，使能场时钟自动同步流程； 

2）测量第1条子路径的相位延迟并量化存储；

3）若有其它子路径，直至测完所有子路径相位延迟并量化存储；

4）所有子路径相位延迟量化值累加作为通路总相位延迟数据；

5）开始相位补偿，其中：INC=0表示减小一个相位补偿步长；INC=1表示增加一个相位补偿步长；起始时默认INC=1；

6）测量当前相位补偿配置下通路总相位延迟数据；

7）判断当前相位补偿配置还是前一配置得到的测量数据大，较大的数据对应的相位补偿配置保留；

8）判断应增加相位补偿还是减小相位补偿，并按此设置：INC=1，当前相位补偿配置加1；INC=0，当前相位补偿配置减1；

9）判断相位补偿是否到达极大值/极小值，若是，跳至第10步；若否，返回第6）步；

10）终止流程，流程终止时第7）步保存的相位补偿配置作为相位补偿单元的最终相位补偿配置。

本实用新型的场时钟自动同步方法中，包括：

1）将场信号经过的所有延迟单元划分为几个独立的子相位延迟通路；

2）产生模拟场信号，即内部产生一个与外部场信号相同频率的时钟信号，幅度信息根据具体应用环境确定，占空比50%，对该信号相位无要求。

3）选择其中一条子相位延迟通路；

4）模拟场信号经选中的子相位延迟通路后整形，即内部产生的模拟场时钟信号通过指定的相位延迟通路，将输出波形整形为方波。

5）比较待测节点整形信号与参考信号相位差，即整形信号与参考场信号做逻辑与操作获得相位差信号。

6）将相位差转换为可存储数字形式包括：将相位差信号转变为可被量化编码的电压/电流形式；采用模数转换器将与相位差信息相关的电压/电流信号量化编码为数字逻辑信号；采用逻辑寄存器存储上述数字化后的相位差数据。

7）遍历外部场信号需通过的所有相位延迟子单元，存储对应相位延迟信息。

8）计算外部场信号相位延迟路径的总相位延迟，若划分的子单元通路有模块重叠，需保证重叠模块相位延迟远小于（<=1/5）待测量子单元通路相位延时；若划分的子单元通路没有模块重叠，则累加各子单元相位延迟作为总相位延迟。

9）按相位补偿算法对输出的模拟场信号进行相位补偿包括：按最小步长补偿相位，执行相位差检测和量化编码步骤并存储；本次相位差测量结果与上一次测量结果比较，保存二者中较大的结果,保存对应的相位补偿配置状态；重复执行测量，量化编码，调整，比较步骤，直至在所有相位补偿配置状态中，当前状态所获得的相位差量化编码结果最大；保留该相位补偿配置状态作为最终相位补偿配置。

10）经相位补偿后的模拟场信号作为与外部场通信的时钟信号包括：接收外部场信号，以外部场信号作为基准时钟，使内部产生的模拟场信号与外部场信号保持频率和相位锁定；暂停接收外部场信号时，内部产生的模拟场信号经过相位补偿单元，以相位补偿方式预补偿通路相位延时，保证内部信号与外部场信号相位差最大不超过360°±1个相位调整步长。

Claims (2)

1.一种场时钟自动同步的有源非接触式IC卡，它包括发射通路（2）、接收通路（4）、锁相环（7）、主控单元（8）和天线网络（9），所述发射通路（2）包括调制单元（2.2）和功率放大单元（2.1），所述接收通路（4）包括放大单元（4.1）、整形单元二（4.2）和解调单元（4.3）；天线网络（9）依次经放大单元（4.1）、整形单元二（4.2）、解调单元（4.3）、主控单元（8）、调制单元（2.2）和功率放大单元（2.1）形成回路，主控单元（8）和锁相环（7）相互连接；其特征在于，它还包括控制单元（1）、整形单元一（3）和相位补偿单元（5），所述整形单元二（4.2）的输出端依次经锁相环（7）和相位补偿单元（5）连接到调制单元（2.2），整形单元二（4.2）的输出端还连接到控制单元（1），主控单元（8）和整形单元一（3）都分别连接到控制单元（1），控制单元（1）和相位补偿单元（5）相互连接，功率放大单元（2.1）的输出端连接到整形单元一（3）。

2.根据权利要求1所述的场时钟自动同步的有源非接触式IC卡，其特征在于，所述控制单元（1）包括依次连接的相位比较单元（1.1）、相位转换单元（1.2）、模数转换器（1.3）和逻辑单元（1.4）。