個人感覺使用RC系列射頻芯片開發卡片讀寫器,主要的關鍵點有兩個,分別涉及硬件和軟件。軟件上的關鍵是如何正確設置RC系列射頻芯片內部的64個寄存器,硬件上的關鍵則是RC系列射頻芯片的天線設計。天線提供了卡片和讀寫器交換數據的物理通道,直接決定了讀寫器的讀寫性能和讀寫距離,在此基礎上加上對64個寄存器的正確操作,讀寫器才能正常高效的工作。
在數字電路中設計模擬信號的天線還是比較復雜的,因為天線設計牽扯到好多因素,諸如電磁感應、場強、共振、干擾、Q值等等。好在芯片的制造商為了推銷產品,多數都提供了參考的電路設計,芯片的使用者在參考電路的基礎上設計自己的電路,則要容易的多,RC系列芯片的天線設計也提供了參考電路,如下圖所示。
天線結構上可以分為四部分:EMC濾波、匹配電路、天線線圈和接收電路。
EMC濾波電路是一個低通濾波,L0為1uH,C01和C02都是68pF,這些都是典型值,實際電路中可以圍繞典型值上下調節以滿足設計要求;
天線電路中的天線線圈直接布線在PCB板上,采用中間抽頭接地的對稱方式,一般的應用中天線直徑4-6公分,天線直徑直接影響讀卡距離,直徑小讀卡距離近,但也并不是直徑越大越好。天線的圈數一般2-6圈,也就是說對稱接地的情況下每一邊1-3圈。
匹配電路用來連接天線電路和EMC濾波電路,匹配電路中的電容與天線電感組成諧振電路。C1a和C1b可取16pF或27pF,對讀寫距離影響不大,C2a和C2b是諧振電容,這兩個電容值非常關鍵,它們直接影響諧振程度,進而影響天線電壓的振蕩幅度,最終影響讀寫距離。通常天線電壓的峰峰值大于10伏就可以讀到卡片,也并不是峰峰值越大越好,還要看卡片或標簽上天線的大小、天線周圍的干擾,尤其是金屬干擾等因素。C2a和C2b通常可在82pF-220pF的范圍內調節。
接收電路中的C3容量為1nF,C4為100nF,R1與R2組成分壓電路,R2固定為820Ω,R1根據天線的震蕩幅度在470Ω-10KΩ的范圍內調節,典型值為2.2KΩ。
電路中的電阻和電容一般使用0402、0603或0805的貼片封裝。穩定性要好,誤差不能太大。
以上的參考電路可以說是懶漢設計法,更好的設計應該使用精密儀器,嚴格測量天線的電感值,等效的電容值,然后用公式計算,并對天線的Q值進行校核。不過估計大部分開發人員的測量工具也就僅限于萬用表和示波器,在此情況下,使用參考電路基本上能滿足要求。
設計讀寫器天線的時候,通常我們最關心的指標是讀寫距離,影響天線讀寫距離的因素主要有以下幾方面:
(1)讀寫器和卡片的天線尺寸
(2)天線本身的匹配程度
(3)天線和匹配電路的品質因數
(4)讀寫器的功率
(5)環境影響
卡片上天線的尺寸我們沒辦法改變,我們只能設計天線的大小。好像有個理論說最大設計的讀寫距離應該等于天線的半徑,而RC系列芯片的最大操作距離都是10公分,我們總不能做個直徑20厘米的天線吧,除非特殊要求,這樣的巨無霸很難有市場。
天線的匹配程度、品質因數和功率通過調整參考電路的元件參數是可以調節的。周圍環境影響因素中金屬干擾最為嚴重,金屬干擾將導致操作距離減小,數據傳輸出錯。金屬與讀寫器天線之間的距離應大于有效的操作距離,為減小金屬的影響,應使用鐵氧體進行屏蔽。最好金屬與天線的距離大于10cm,最小也要3cm,而且使用緊貼的鐵氧體屏蔽。
另外,設計天線時為天線增加屏蔽可以有效抑制干擾,比如天線設計使用4層板,在兩個中間層布天線線圈,在頂層和底層對應中間層線圈的地方布上一圈屏蔽地,當然這一圈屏蔽地本身不能閉合。
調整天線的最好方法還是直接用卡片或標簽試驗,邊調節元件參數邊測試讀寫距離,直到滿足設計要求為止,時間長了,對天線電路的習性就心中有數了。
審核編輯 黃宇
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