无源RFID芯片MCRF250及其防冲突读写器设计
摘要：介绍Microchip公司生产的无源RFID芯片MCRF250的主要特点及其工作原理，详细讨论了MCRF250防冲突问题。并在此基础上给出了一种FSK防冲突读写器的设计方法。
关键词：RFID；MCRF250；FSK；防冲突；读写器
１ MCRF250简介
MCRF250 是MICROCHIP公司生产的非接触可编程无源RFID器件，工作频率（载波）为125KHZ。该器件有两种工作模式：初始模式（NATIVE）和读模式。所谓初始模式是指MCRF250具有一个未被编程的存储阵列，而且能够在非接触编程时提供一个缺损状态（其波特率为载波频率的128分频，调制方式为 FSK，数据码为NRZ码）；而读模式是指在接触和非接触方式编程后的永久工作模式，在该模式下， MCRF250芯片中的配置寄存器（详见后述）的锁存位CB12置1，芯片上电后，进入防冲突数据传送状态。
MCRF250的主要性能如下：
●只读数据传送，片内带有一次性可编程（OTP）的96位或128位用户存储器（支持48位或64位协议）。
●具有片上整流和稳压电路。
●低功耗。
●编码方式：NRZ，曼彻斯特码及差分曼彻斯特码。
●调制方式：FSK，PSK，直接调制。
●封装方式：PDIP，SOIC。
２ 工作原理
２．１ 芯片内部电路组成
MCRF250 芯片内部电路框图及与读写器构成的应用系统如图１所示。芯片的引脚ＶＡ和ＶＢ外接电感Ｌ１和电容Ｃ１构成的谐振电路（谐振频率为125KHZ， L1参考值为４．05MH，C1参考值为390PF）。读写器（READER）侧的电路谐振于125KHZ以用于输出射频能量，同时也用于接收 MCRF250芯片以负载调制方式传来的数字信号。MCRF250芯片内部电路由射频前端、防冲突电路及存储器三部分组成。
２．２ 射频前端电路
射频前端电路用于完成芯片所有的模拟信号处理和变换功能，包括电源（工作电压VDD和编程电压VPP）、时钟、载波中断检测、上电复位、负载调制等电路。此外，它还用来实现编码调制方式的逻辑控制。
２．３ 配置寄存器
配置寄存器用于确定芯片的工作参数。配置寄存器也能以非接触方式编程，它由制造商在生产中进行编程。配置寄存器共有12位，其功能如图２所示。其中位11 （CB11）总是为１。位10（CB10）用于设置PSK速率，置１时速率为FC/4，置０时速率为FC/2。当CB12为０时，表示存储阵列未被锁定；为１时表示成功地完成了接触编程或非接触编程，此时芯片工作于防冲突只读模式下。
２．４ 防冲突电路
片内有防冲突电路，当发生冲突时，MCRF250可停止数据发送，并在防冲突电路的控制下，可再一次在适当的时候传送数据。这种功能保证了当读写器射频场中有多个RFID卡时，可以逐一读取。该防冲突措施要求读写器能提供载波信号中断的时隙（GAP）能力。
３ ＦＳＫ防冲突读写器的电路设计
３．１ 防冲突技术
ISO/IEC14444-3标准给出了TYPE A和TYPE B两种初始化和防冲突规范1:TYPE A 采用面向比特的防冲突帧，支持比特冲突检测协议；TYPE B 通过一组命令来管理防冲突过程，防冲突方案以时隙为基础。
存储卡的防冲突技术目前尚未形成统一的标准，很多厂家都拥有自己的专利。对于MCRF250芯片的读写器设计来说，其主要特点是具有防冲突能力，即读写器应具有提供GAP和冲突检测的能力。因为读写器提供GAP可保证时间上的同步，冲突检测可采用比特（位）冲突检测方法。
位冲突检测可以采用幅度变化、非法编码出现、位宽变化等检测技术。但在RFID中，很难确定判断幅度迭加的门限值（阈值），因此，非法编码判断和位宽检测是比较简便的方法。
非法编码判断和编码方式的相关资料可参见参考文献。下面主要介绍NRZ码和曼彻斯特码在发生冲突时合成波形的变化情况。从图３中可见，NRZ 码无法判断位０和位１的冲突，因为冲突后的结果可认为正常的数位１。而曼彻斯特编码的数位１，如果以速率高一倍的NRZ码10来表示，其数位０则可表示为 01，其数位１和数位０冲突的结果则可表示为11，而曼彻斯特码中，11是非法编码，故而极易判断位冲突出现。TYPE A中就是采用了曼彻斯特编码。当然，图３所示情况是基于位时间同步和放大限幅的环境，在RFID中，这些都是可以做到的。
而位宽的变化则与调制方式有关。当采用NRZ码FSK调制时，发现位０和位１碰撞时，其合成波形的位宽有了比较明显的变化，图４所示是其碰撞情况时序图，图中数位０为FC/8，数位１为FC*10。
从图４可以看到，经过滤波放大整形电路后，若数位１和数位０产生碰撞，则碰撞冲突后的波形将出现7TC和12TC宽的脉冲，而正常情况下０的FSK脉宽为 4TC，１的FSK脉宽为5TC，因此用计数器进行位宽检测，判别是否出现大于5TC的脉宽，就可以判断是否出现了冲突。
３．２ FSK防冲突读写器设计
读写器组成框图如图５所示。它由晶体振荡器（4MHZ）、分频器、功率放大器、GAP产生电路、包络检波、放大滤波整形电路、FSK解调电路、冲突检测电路和微控制器组成。下面主要介绍防冲突流程及冲突检测电路。
MCRF250的防冲突流程图如图６所示。读写器开始送出GAP，其时间间隔（载波缺损时间）为60μｓ（误差不大于20%）。然后等待５个位宽时间，检测有无调制信号出现，若有调制信号出现，再判断是否发生冲突。如果无冲突出现，则读完该MCRF250芯片数据后，再按规定形成一个新的GAP，以进行下一次读取。
流程中的主要工作由微控制器程序实现。对于功率放大器电路，特别是Ｄ类功率放大器，由微控制器程序产生GAP，是很容易实现的。
根据图４所示的时序图，设计的冲突检测电路如图７所示。
放大滤波整形电路输出的FSK信号首先加至触发器D1（74HC74），触发器D1将于FSK信号的上升沿在Ｑ端产生一个上跳变，但因Ｑ端和ＣＬ端连接，它会很快又回至低电平，即在Ｑ端形成一个窄脉冲来触发一个单稳电路，该单稳电路的输出作为“有调制出现”信号加至微控制器（MCU）。此外，该脉冲同时还可加至FSK解调器使FSK解调器工作同时，输出ＮＲＺ码数据。
冲突检测电路由十进制计数器4017和单稳电路组成。4017的 RESET端接至触发器D1的Ｑ端，触发器D1的Ｑ端输出用于复位4017并使其开始计数。从图４可知，如果产生位碰撞，就会出现7TC和12TC的脉宽，因此将FSK信号加至4017的CLKEN端，该端为低时，对125KHZ时钟计数，当计数到７时，Q7端由低变高，触发单稳电路，单稳电路产生跳变（此即冲突出现信号），并告知MCU发生了冲突。在正常FSK信号情况下，FSK脉宽为4TC和5TC，因此Q7脚不会变高，即无位碰撞出现。该电路可实现位冲突检测。MCU输出的控制信号用于设置图７电路的初始状态。
４ 结束语
防冲突技术是RFID中的一项重要技术，不同的芯片所采用的措施和方法会有所差异，因而需要仔细地进行分析和研究。
