摘 要: 實(shí)現(xiàn)了一種基于MP300讀卡器電路的射頻前端電路仿真模型。通過(guò)對(duì)讀卡器的發(fā)射線圈及場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈等進(jìn)行分析和建模,,結(jié)合ISO14443對(duì)RFID模擬前端電路的要求,,搭建了與測(cè)試條件高度吻合的仿真電路模型。模型中射頻發(fā)射線圈,、場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈及標(biāo)簽線圈之間的電磁耦合用耦合系數(shù)k表示,。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,該仿真模型在1.5 A/m~7.5 A/m場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)待測(cè)卡片電源獲取,、時(shí)鐘獲取,、信號(hào)解調(diào)、信號(hào)調(diào)制及信號(hào)串?dāng)_等方面的仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的一致性較好,,能幫助模擬前端芯片設(shè)計(jì)快速收斂至設(shè)計(jì)目標(biāo),。
關(guān)鍵詞: 13.56 MHz標(biāo)簽; 仿真模型; 場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定; 串?dāng)_仿真
隨著IC卡安全技術(shù)的不斷進(jìn)步,13.56 MHz的IC卡應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加,。近年來(lái)銀行卡等金融領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始試點(diǎn)13.56 MHz非接觸IC卡的使用,。13.56 MHz非接觸IC卡為無(wú)源卡,卡片不但需要從讀卡器的磁場(chǎng)中獲取電源,、時(shí)鐘,,還需要在磁場(chǎng)中完成較高速率的數(shù)據(jù)通信(最大848 kb/s)[1]。由于卡片電路功耗,、卡片解調(diào)電路,、卡片調(diào)制電路及時(shí)鐘電路的信號(hào)和能量均通過(guò)天線傳輸,電路間串?dāng)_很難通過(guò)理論推導(dǎo)得出,。利用傳統(tǒng)的仿真電路模型很難將協(xié)議量化為設(shè)計(jì)指標(biāo),,也很難仿真不同線圈之間的互感和串?dāng)_。本文提出了一種基于MP300讀卡器中發(fā)射天線的電路仿真模型,,結(jié)合場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈的電感模型,。將ISO14443協(xié)議要求量化為具體的設(shè)計(jì)指標(biāo),,可對(duì)芯片的調(diào)制、解調(diào),、時(shí)鐘及電源獲取等方面性能進(jìn)行精準(zhǔn)的仿真[2],。該仿真模型還可仿真芯片功耗變化和調(diào)制解調(diào)信號(hào)的相互干擾,在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證芯片的讀寫(xiě)距離等性能并保證芯片的可靠性,。
1 測(cè)試平臺(tái)分析
在卡片評(píng)估中采用基于MP300讀卡器的13.56 MHz非接觸卡片測(cè)試驗(yàn)證套件,,套件包含閱讀器MP300、發(fā)射天線和示波器,。MP300主要功能是產(chǎn)生符合ISO14443協(xié)議的調(diào)制信號(hào)并接收卡片返回的負(fù)載調(diào)制信號(hào),;發(fā)射天線的主要功能是與卡片進(jìn)行電磁交互,場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈的作用是對(duì)發(fā)射線圈發(fā)射的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行標(biāo)定,。
為使卡片設(shè)計(jì)達(dá)到協(xié)議所規(guī)定的性能指標(biāo),,在設(shè)計(jì)之前需要搭建與測(cè)試平臺(tái)一致的仿真驗(yàn)證模型,以模擬電路測(cè)試中的能量傳遞,、時(shí)鐘傳遞和數(shù)據(jù)傳輸?shù)染o密耦合的電磁關(guān)系[3],。
1.1 信號(hào)源模型
對(duì)于MP300讀卡器,模型中可以通過(guò)port源實(shí)現(xiàn),。用示波器抓取MP300輸出信號(hào),將其存為spectre所需格式,并將spectre中port源輸出阻抗設(shè)為50 ?贅,。利用vpwl功能讀取上述保存波形結(jié)果即可實(shí)現(xiàn)與MP300功能一致的讀卡器信號(hào)源。
1.2發(fā)射天線模型
發(fā)射天線是13.56 MHz射頻信號(hào)發(fā)射和接收的主要部分,。發(fā)射天線將信號(hào)源信號(hào)通過(guò)線圈發(fā)射到空間中,,在線圈中部形成均勻的磁場(chǎng);場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈耦合空間磁場(chǎng)產(chǎn)生電壓,,通過(guò)示波器讀出電壓值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,,確定線圈所處位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度;完成場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定和校準(zhǔn)后,,將卡片放置在場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈處即可在標(biāo)定場(chǎng)強(qiáng)下完成卡片在指定場(chǎng)強(qiáng)下的功能和性能測(cè)試,。
1.3 場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈模型
場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈由單圈長(zhǎng)方形線圈構(gòu)成,輸出端接高輸入阻抗示波器探頭,。校準(zhǔn)線圈放置在待測(cè)卡片將要放置的位置,,輸出端連接示波器。通過(guò)電壓的峰值可以對(duì)測(cè)量待測(cè)卡片處的場(chǎng)強(qiáng)值進(jìn)行標(biāo)定,,還可對(duì)讀卡器發(fā)射的信號(hào)調(diào)制深度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,。場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈如圖1所示。
2 仿真平臺(tái)模型
在卡片測(cè)試中,讀卡器與卡片的數(shù)據(jù)通信流程是:射頻發(fā)射線圈發(fā)射恒定磁場(chǎng),,場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈耦合電壓并校準(zhǔn)磁場(chǎng),;待測(cè)卡片通過(guò)卡內(nèi)線圈耦合磁場(chǎng)中能量及調(diào)制信號(hào);卡片內(nèi)數(shù)字電路響應(yīng)磁場(chǎng)中指令返回相應(yīng)的負(fù)載調(diào)制信號(hào)、讀卡器耦合卡片的負(fù)載調(diào)制信號(hào)并解析返回?cái)?shù)據(jù),。
通過(guò)對(duì)上述通信過(guò)程的分析,,為搭建符合測(cè)試套件的仿真模型,需要對(duì)射頻發(fā)射線圈與場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈間的互感、射頻發(fā)射線圈與待測(cè)卡片間的互感進(jìn)行分析計(jì)算,。使用各線圈間的耦合系數(shù)即可建立線圈間的電磁場(chǎng)連接關(guān)系,,實(shí)現(xiàn)測(cè)試電路中不同電感的互聯(lián)。
根據(jù)電磁場(chǎng)特性,,平行線圈的電流流向相同磁場(chǎng)相互增強(qiáng)時(shí)耦合系數(shù)為正,,電流流向相反磁場(chǎng)相互削弱時(shí)耦合系數(shù)為負(fù)。場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈和待測(cè)卡片的電流方向與射頻發(fā)射線圈的電流方向均相反,,耦合系數(shù)都為負(fù)值,。將MP300測(cè)試套件中各部分的電感值、幾何尺寸及磁導(dǎo)率等參數(shù)代入式(9)中可得到各線圈間的互感,,如表1所示,。
3 仿真及測(cè)試結(jié)果
在芯片測(cè)試中,從能量傳輸,、信號(hào)傳輸,、時(shí)鐘傳輸及能量、信號(hào)與時(shí)鐘之間的串?dāng)_等方面對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,,以驗(yàn)證文中電路仿真模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性,。
圖3顯示了在卡片進(jìn)場(chǎng)階段天線電壓和電源獲取情況,圖3(a)是仿真結(jié)果,,圖3(b)為測(cè)試結(jié)果,。通過(guò)仿真平臺(tái)在設(shè)計(jì)階段即發(fā)現(xiàn)由于低壓差線性穩(wěn)壓器輸出端的大濾波電容導(dǎo)致天線電壓下降的現(xiàn)象。測(cè)試結(jié)果中,芯片天線電壓和整流電路的波動(dòng)情況與仿真結(jié)果基本一致,。
圖4展示了待測(cè)卡片在場(chǎng)內(nèi)的時(shí)鐘和解調(diào)信號(hào)獲取情況,。在接收解調(diào)信號(hào)階段,卡片與天線間的互感會(huì)使卡片天線端的信號(hào)下降較為緩慢,,時(shí)鐘輸出則是天線信號(hào)降低到時(shí)鐘電路翻轉(zhuǎn)電壓點(diǎn)后停止,。圖4(a)和圖4(b)在天線電壓下降較慢和時(shí)鐘持續(xù)時(shí)間等方面相似。仿真模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)見(jiàn)天線端電壓變化情況,。
圖5列出了卡片天線端電壓波形隨負(fù)載調(diào)制信號(hào)變化情況和調(diào)制對(duì)解調(diào)電路的干擾,。在調(diào)制階段天線電壓變化較大,由于電路的環(huán)路增益有限,,在調(diào)制信號(hào)翻轉(zhuǎn)處天線的波形出現(xiàn)了一定的過(guò)沖,,電路設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)沫h(huán)路增益控制即可抑制電壓過(guò)沖到合理的范圍。利用該電路仿真平臺(tái)還可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)調(diào)制電路對(duì)解調(diào)電路的干擾,。測(cè)試結(jié)果顯示,,仿真模型在調(diào)制信號(hào)變化對(duì)天線電壓的干擾和解調(diào)電路的干擾情況與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。仿真平臺(tái)能準(zhǔn)確仿真調(diào)制、解調(diào)及天線電壓之間的串?dāng)_,。
本文實(shí)現(xiàn)了基于MP300讀卡器測(cè)試電路的13.56 MHz射頻卡片射頻前端仿真模型,。通過(guò)對(duì)線圈幾何外形和電磁特性的分析,得到了線圈的電感及互感等參數(shù),,將電磁關(guān)系較為復(fù)雜的測(cè)試電路抽象為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的仿真模型,。通過(guò)該仿真模型能量化及考核芯片的各項(xiàng)性能指標(biāo),加快了射頻前端電路設(shè)計(jì)向設(shè)計(jì)指標(biāo)收斂的過(guò)程,。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,,該仿真模型在電源獲取、時(shí)鐘獲取,、信號(hào)解調(diào),、信號(hào)調(diào)制及電源、解調(diào),、調(diào)制的相互干擾等方面的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致,。
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