如何利用EM4094构建一个通用的13.56MHz读卡器

在当前的许多RFID应用中，设备制造商不一定能决定客户采用什么收发器，特别是收发器芯片。因此，为了最大程度地提高自己在某个特定项目中中标的机会，设备制造商必须提供这样的读卡器，要么它能支持市场上尽可能多的收发器芯片，要么它本身至少是比较容易定制的。  

除了要求其能支持一系列协议、标准和收发器外，客户对读卡器可能还有其它功能性方面的要求，如高性能、防冲突、远/近感应距离、移动性及功耗。但在单个读卡器中很难同时满足如此之多的要求。为了满足所有这些要求，制造商可能需要提供一系列可满足不同要求的读卡器。  

本文举例说明了怎样利用EM Microelectronic公司的EM4094 RFID读卡器芯片构建支持多种协议的13.56MHz通用型或能满足上述特定要求的特殊RFID读卡器。  

EM4094是一个集成的收发器芯片，它可用于构建RFID读卡器的模拟前端模块。该芯片的数据传输及接收链路允许传送和解码任何通信协议，因此EM4094支持所有EM公司的13.56MHz收发器芯片、ISO15693、ISO14443 A&B、以及Sony Felica协议。通过适当设定，EM4094甚至还可以与NFC设备通讯。本文将通过一系列的步骤说明一个硬件工程师应该怎样集成和利用EM4094 RFID读卡器电路。  

  
图1：典型的应用电路配置。  

读卡器结构  

基本上，模拟前端模块为RFID读卡器组成部分之一，它负责对数据进行编码/译码，并以适当功率驱动RFID读卡器天线。模拟前端模块本身由微控制器驱动。该微控制器负责管理不同协议的帧译码任务，以及与PC或其它后台控制设备的通信接口(串行接口、USB接口或以太网接口)。一些IC供应商提供集成了模拟前端和微控制器的芯片。在很多情况下，微控制器或集成的存储器空间不是超出需求就是不够用，而独立的模块允许制造商选择最适合其设计要求的微控制器和存储器容量。  

当然，制造商将依据期望的功能水平、读取范围和功率要求等因素做出决定。由于现在已有像EM4094这样的可提供完整灵活性的芯片，因此下面我们将讨论如何在一个实际的读卡器中集成这一读卡器芯片。图1所示为典型的应用电路配置。  

电源设计  

首先，我们简要讨论一下EM4094的电源设计。该芯片有三个不同的电源引脚，其中的VDDA1和VDDA2用于给内部的天线驱动器ANT1和ANT2供电。每个驱动器可独立受电。由于这两个驱动器可能产生或同步较大的电流，因此建议在VDDA1和VDDA2两引脚之间接入一个3.3μF的电容以给天线提供足够的能量。另外，我们还建议在该电容边上并联两个电容值分别为1nF和100nF的电容，以对电源进行去耦和滤波。  

第三个电源引脚VDD用于给所有其它的内部模块供电。在这条电源线上，工程师将不得不为了上面提到的同样原因接入两个电容值分别为1nF和100nF的滤波电容，它们最好采用由COG和X7R等介电材料制成的陶瓷电容，因此类电容的容差小和温度稳定性较高。这里很重要的一点是，应对这三条电源线施加相同的电压(3.3V或5V)。这些电源线还应当与模拟地相连。  

振荡器输入  

连接在OSCIN和OSCOUT两个引脚上的外部晶体提供13.56MHz的信号，这一信号将被送至天线驱动器的输出端。跨接于晶振两端的两个NPO电容用于确保晶振的起振和稳定性。NPO电容值由EM4094的可选跨导(通过一个寄存器标识选择)和晶体参数决定。  

带隙参考输出(AGD)  

带隙参考电压被不同的内部模块用作模拟参考电压。为了确保读卡器芯片的稳定性和可靠性，用一个1nF和 100nF的电容对AGD电压进行适当去耦是非常重要的。如同在前文所说的那样，我们推荐使用采用COG或X7R电介质材料制造的陶瓷电容。  

天线驱动器输出  

ANT1和ANT2为天线驱动器的两个输出端，它们可同相或反相驱动，这使得有可能用不同的方式连接读卡器天线，以及依据所选择结构的不同产生四个不同功率等级的天线。EM4094还可与一个远端天线一起使用，此时EM4094的输出阻抗(见图3)必须与通信线路阻抗相匹配。  

  
图3：阻抗匹配电路。  

若采用同轴电缆，那么在只使用一个天线驱动器的情况下，EM4094的输出阻抗将必须在10欧姆(ANT1可选)和50欧姆之间进行调整；当两个天线并联使用时，EM4094的输出阻抗将必须在5欧姆(ANT1可迁)到50欧姆之间进行调整。为了实现一个良好的阻抗匹配，开发人员可借助Smith图表选择使用一个LC PI网络和选择合适的元件参数值。  

如果读卡器天线能够与EM4094集成在同一块PCB板上，那么你可使用直接天线相连方法(见图2)。在这种情况下，天线和串联电容形成LC串联回路。这一回路的谐振频率为读卡器的频率。串联电阻用于抑制品质因数并将天线的电流设定在EM4094的额定值以下。当天线工作在其谐振频率时，直接连接天线可获得较高的功率。有关IC天线的不同连接方式可参见EM4094应用指南。  

图2：直接天线连接。  

收发器信号接收  

RFIN1和RFIN2是该IC接收链上的两个输入引脚，它们被EM4094用来解调收发器送过来的数据流，其引脚 上的电压必须设定在GND和VDD之间，这两个解调输入必须具有相同的性能和呈现出相同的灵敏度。配合一个外部匹配阻抗电路，这两个输入端可用于解调输入的相位或幅度调制信号。未使用的输入脚应当通过一个10nF的电容接至模拟地。输入引脚的高灵敏度使得读卡器即便在电子标签的最小电源级别上仍能有较远的读取距离。  

关闭读卡器芯片  

EN引脚用于使能或关闭读卡器IC。该输入引脚可由一个外部微控制器进行控制。当EN引脚为高电平时，EM4094进入激活模式，其输出在天线上产生13.56MHz信号；当EN引脚为低电平时，读卡器芯片进入睡眠模式，这样可大大降低读卡器芯片的功耗。在设计手提式读卡器时，EM4094的这一性能特别有用，它可提高电池的使用寿命。  

数据输入与输出  

在SPI模式下，DIN引脚用于输入数据，DOUT引脚用于输出数据，DCLK用作SPI的时钟信号。一个SPI接口可用来设置读卡器芯片的内部位寄存器及设定不同模块的参数。在正常模式下，通过施加在DIN引脚上的逻辑电平来打开或关闭天线驱动器，DIN可用?淼髦聘杏Φ绱懦　５缱颖昵┧?发出的应答信息可直接在DOUT脚上读取。  

微控制器的选择  

EM4094胜出其它RFID读卡器芯片一筹的地方是它允许读卡器制造商自行选择最适合其处理与功率需求的微控制器。一个工作频率为16MHz的带8 kB程序存储器的8位微控制器看起来是实现一个读卡器的最合理选择，因位它可以实现所有相关的标准和事实标准协议。对于要求更高的RFID读卡器应用，16 kB存储器将可提供更好的编程自由度。  

除了BPSK协议，EM4094没有集成其它帧解码器。一个集成的848kHz BPSK解码器可使微控制器不再需要执行这一苛求的ISO14443 Type B特殊操作,从而允许读卡器制造商选择一个成本效益比更好的微控制器。  

安全功能  

当前的许多RFID应用都采用加密算法对数据进行加密或对身份进行证明。有些加密算法是公开的，有些则不对外公开。有些供应商在源代码或目标代码、或其它独立的安全元件(如SIM卡)中提供他们独特的加密算法。当然，多种可选方案使得设计可十分灵活。你可以在一个传统的微控制器或一个安全的控制器中实现一个或多个算法，另外一个选择是用一个负责安全操作的独立元件来构建一个接口。将这两种方案混合运用当然也是可以的。EM通过SIM卡提供其专有加密算法。  

深入探讨  

通过以上解说可知构建一个定制RFID读卡器并非难事。为了进一步简化RFID读卡器的开发，EM Microelectronic公司现已基于EM4094设计和实现了一个演示版的RFID读卡器。这一设备的主要目的是用作参考设计和演示工具。该演示版读卡器及相应的固件支持ISO14443 Type A和B、Sony Felica及ISO15693标准的全部强制命令，并支持EM 13.56MHz收发器IC的全部指令集。读卡器固件的完整源代码可从EM公司的网站下载，它们可告诉你如何实现不同的通信协议和防冲突协议。由于用户与电子标签之间的通信硬件已在源代码中实现，因此开发商可直接在现有的基础上开发其应用层，这将使读卡器的开发时间降到最小。  

作者：Jose Luis Geijo Perez，EM Microelectronic