如何利用EM4094構建一個通用的13.56MHz讀卡器

在當前的許多RFID應用中，設備制造商不一定能決定客戶采用什么收發器，特別是收發器芯片。因此，為了最大程度地提高自己在某個特定項目中中標的機會，設備制造商必須提供這樣的讀卡器，要么它能支持市場上盡可能多的收發器芯片，要么它本身至少是比較容易定制的。  

除了要求其能支持一系列協議、標準和收發器外，客戶對讀卡器可能還有其它功能性方面的要求，如高性能、防沖突、遠/近感應距離、移動性及功耗。但在單個讀卡器中很難同時滿足如此之多的要求。為了滿足所有這些要求，制造商可能需要提供一系列可滿足不同要求的讀卡器。  

本文舉例說明了怎樣利用EM Microelectronic公司的EM4094 RFID讀卡器芯片構建支持多種協議的13.56MHz通用型或能滿足上述特定要求的特殊RFID讀卡器。  

EM4094是一個集成的收發器芯片，它可用于構建RFID讀卡器的模擬前端模塊。該芯片的數據傳輸及接收鏈路允許傳送和解碼任何通信協議，因此EM4094支持所有EM公司的13.56MHz收發器芯片、ISO15693、ISO14443 A&B、以及Sony Felica協議。通過適當設定，EM4094甚至還可以與NFC設備通訊。本文將通過一系列的步驟說明一個硬件工程師應該怎樣集成和利用EM4094 RFID讀卡器電路。  

  
圖1：典型的應用電路配置。  

讀卡器結構  

基本上，模擬前端模塊為RFID讀卡器組成部分之一，它負責對數據進行編碼/譯碼，并以適當功率驅動RFID讀卡器天線。模擬前端模塊本身由微控制器驅動。該微控制器負責管理不同協議的幀譯碼任務，以及與PC或其它后臺控制設備的通信接口(串行接口、USB接口或以太網接口)。一些IC供應商提供集成了模擬前端和微控制器的芯片。在很多情況下，微控制器或集成的存儲器空間不是超出需求就是不夠用，而獨立的模塊允許制造商選擇最適合其設計要求的微控制器和存儲器容量。  

當然，制造商將依據期望的功能水平、讀取范圍和功率要求等因素做出決定。由于現在已有像EM4094這樣的可提供完整靈活性的芯片，因此下面我們將討論如何在一個實際的讀卡器中集成這一讀卡器芯片。圖1所示為典型的應用電路配置。  

電源設計  

首先，我們簡要討論一下EM4094的電源設計。該芯片有三個不同的電源引腳，其中的VDDA1和VDDA2用于給內部的天線驅動器ANT1和ANT2供電。每個驅動器可獨立受電。由于這兩個驅動器可能產生或同步較大的電流，因此建議在VDDA1和VDDA2兩引腳之間接入一個3.3μF的電容以給天線提供足夠的能量。另外，我們還建議在該電容邊上并聯兩個電容值分別為1nF和100nF的電容，以對電源進行去耦和濾波。  

第三個電源引腳VDD用于給所有其它的內部模塊供電。在這條電源線上，工程師將不得不為了上面提到的同樣原因接入兩個電容值分別為1nF和100nF的濾波電容，它們最好采用由COG和X7R等介電材料制成的陶瓷電容，因此類電容的容差小和溫度穩定性較高。這里很重要的一點是，應對這三條電源線施加相同的電壓(3.3V或5V)。這些電源線還應當與模擬地相連。  

振蕩器輸入  

連接在OSCIN和OSCOUT兩個引腳上的外部晶體提供13.56MHz的信號，這一信號將被送至天線驅動器的輸出端。跨接于晶振兩端的兩個NPO電容用于確保晶振的起振和穩定性。NPO電容值由EM4094的可選跨導(通過一個寄存器標識選擇)和晶體參數決定。  

帶隙參考輸出(AGD)  

帶隙參考電壓被不同的內部模塊用作模擬參考電壓。為了確保讀卡器芯片的穩定性和可靠性，用一個1nF和 100nF的電容對AGD電壓進行適當去耦是非常重要的。如同在前文所說的那樣，我們推薦使用采用COG或X7R電介質材料制造的陶瓷電容。  

天線驅動器輸出  

ANT1和ANT2為天線驅動器的兩個輸出端，它們可同相或反相驅動，這使得有可能用不同的方式連接讀卡器天線，以及依據所選擇結構的不同產生四個不同功率等級的天線。EM4094還可與一個遠端天線一起使用，此時EM4094的輸出阻抗(見圖3)必須與通信線路阻抗相匹配。  

  
圖3：阻抗匹配電路。  

若采用同軸電纜，那么在只使用一個天線驅動器的情況下，EM4094的輸出阻抗將必須在10歐姆(ANT1可選)和50歐姆之間進行調整；當兩個天線并聯使用時，EM4094的輸出阻抗將必須在5歐姆(ANT1可遷)到50歐姆之間進行調整。為了實現一個良好的阻抗匹配，開發人員可借助Smith圖表選擇使用一個LC PI網絡和選擇合適的元件參數值。  

如果讀卡器天線能夠與EM4094集成在同一塊PCB板上，那么你可使用直接天線相連方法(見圖2)。在這種情況下，天線和串聯電容形成LC串聯回路。這一回路的諧振頻率為讀卡器的頻率。串聯電阻用于抑制品質因數并將天線的電流設定在EM4094的額定值以下。當天線工作在其諧振頻率時，直接連接天線可獲得較高的功率。有關IC天線的不同連接方式可參見EM4094應用指南。  

圖2：直接天線連接。  

收發器信號接收  

RFIN1和RFIN2是該IC接收鏈上的兩個輸入引腳，它們被EM4094用來解調收發器送過來的數據流，其引腳 上的電壓必須設定在GND和VDD之間，這兩個解調輸入必須具有相同的性能和呈現出相同的靈敏度。配合一個外部匹配阻抗電路，這兩個輸入端可用于解調輸入的相位或幅度調制信號。未使用的輸入腳應當通過一個10nF的電容接至模擬地。輸入引腳的高靈敏度使得讀卡器即便在電子標簽的最小電源級別上仍能有較遠的讀取距離。  

關閉讀卡器芯片  

EN引腳用于使能或關閉讀卡器IC。該輸入引腳可由一個外部微控制器進行控制。當EN引腳為高電平時，EM4094進入激活模式，其輸出在天線上產生13.56MHz信號；當EN引腳為低電平時，讀卡器芯片進入睡眠模式，這樣可大大降低讀卡器芯片的功耗。在設計手提式讀卡器時，EM4094的這一性能特別有用，它可提高電池的使用壽命。  

數據輸入與輸出  

在SPI模式下，DIN引腳用于輸入數據，DOUT引腳用于輸出數據，DCLK用作SPI的時鐘信號。一個SPI接口可用來設置讀卡器芯片的內部位寄存器及設定不同模塊的參數。在正常模式下，通過施加在DIN引腳上的邏輯電平來打開或關閉天線驅動器，DIN可用?淼髦聘杏Φ绱懦　５繾穎昵┧?發出的應答信息可直接在DOUT腳上讀取。  

微控制器的選擇  

EM4094勝出其它RFID讀卡器芯片一籌的地方是它允許讀卡器制造商自行選擇最適合其處理與功率需求的微控制器。一個工作頻率為16MHz的帶8 kB程序存儲器的8位微控制器看起來是實現一個讀卡器的最合理選擇，因位它可以實現所有相關的標準和事實標準協議。對于要求更高的RFID讀卡器應用，16 kB存儲器將可提供更好的編程自由度。  

除了BPSK協議，EM4094沒有集成其它幀解碼器。一個集成的848kHz BPSK解碼器可使微控制器不再需要執行這一苛求的ISO14443 Type B特殊操作,從而允許讀卡器制造商選擇一個成本效益比更好的微控制器。  

安全功能  

當前的許多RFID應用都采用加密算法對數據進行加密或對身份進行證明。有些加密算法是公開的，有些則不對外公開。有些供應商在源代碼或目標代碼、或其它獨立的安全元件(如SIM卡)中提供他們獨特的加密算法。當然，多種可選方案使得設計可十分靈活。你可以在一個傳統的微控制器或一個安全的控制器中實現一個或多個算法，另外一個選擇是用一個負責安全操作的獨立元件來構建一個接口。將這兩種方案混合運用當然也是可以的。EM通過SIM卡提供其專有加密算法。  

深入探討  

通過以上解說可知構建一個定制RFID讀卡器并非難事。為了進一步簡化RFID讀卡器的開發，EM Microelectronic公司現已基于EM4094設計和實現了一個演示版的RFID讀卡器。這一設備的主要目的是用作參考設計和演示工具。該演示版讀卡器及相應的固件支持ISO14443 Type A和B、Sony Felica及ISO15693標準的全部強制命令，并支持EM 13.56MHz收發器IC的全部指令集。讀卡器固件的完整源代碼可從EM公司的網站下載，它們可告訴你如何實現不同的通信協議和防沖突協議。由于用戶與電子標簽之間的通信硬件已在源代碼中實現，因此開發商可直接在現有的基礎上開發其應用層，這將使讀卡器的開發時間降到最小。  

作者：Jose Luis Geijo Perez，EM Microelectronic