專利名稱：中頻射頻識(shí)別卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于中頻射頻識(shí)別卡的遠(yuǎn)距離讀取設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于ISO 14443Type B標(biāo)準(zhǔn)IC卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
它的收、發(fā)可以共用一個(gè)平面天線(感應(yīng)線圈)，或者將收、發(fā)天線分別安裝于人員必經(jīng)通道兩側(cè)，就能自動(dòng)讀取過往人員攜帶的IC卡信息。
背景技術(shù)：
對(duì)于應(yīng)用越來越廣泛的被動(dòng)式射頻識(shí)別卡，可以做到不需自帶能源，不需直接接觸，就可在一定距離之外讀取它的信息。讀取距離在一米以上的射頻IC卡，一般使用超高頻(400兆赫以上)頻段，以便功率的定向傳送，系統(tǒng)成本較高。對(duì)于13.56兆赫的中頻工作頻率，ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的中頻射頻識(shí)別卡可以實(shí)現(xiàn)一米左右距離的讀取。但它的數(shù)據(jù)傳輸速率低，只用在一般門禁系統(tǒng)中。
目前，中國第二代身份證使用ISO 14443 Type B標(biāo)準(zhǔn)的中頻射頻識(shí)別卡，工作在13.56兆赫的射頻頻率。該標(biāo)準(zhǔn)的中頻射頻識(shí)別卡(以下簡稱射頻IC卡或IC卡)主要針對(duì)近距離(10公分左右)、大信息量的應(yīng)用場合。但是，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀取身份證信息具有越來越重要的意義在日益嚴(yán)峻的反恐戰(zhàn)爭形勢下，如果在立法規(guī)定必須攜帶身份證的場合，例如公共交通樞紐的旅客必經(jīng)通道，使用的讀卡頭能遠(yuǎn)距離地公開或隱蔽自動(dòng)讀取人員身份信息，將可節(jié)約大批警力。對(duì)于那些隨身沒有攜帶身份證的可疑人員，可通過監(jiān)控探頭輔之以人工檢查。
基于ISO 14443 Type B標(biāo)準(zhǔn)的射頻IC卡工作原理是IC卡在射頻電場中通過電磁感應(yīng)取得工作所需的能量，并從電場幅度變化(10％的幅度調(diào)制)中獲取讀卡頭發(fā)出的信息。IC卡用打開/關(guān)閉一個(gè)內(nèi)部的能量吸收電阻的辦法，產(chǎn)生對(duì)周邊電磁場的幅度調(diào)制，以向讀卡頭回送信息。IC卡固定以載頻的1/16的頻率，即847.5千赫的副載頻調(diào)制電磁場，但它的相位則取決于需傳送的信息。
所以，一般的基于ISO 14443 Type B標(biāo)準(zhǔn)的讀卡頭，可以劃分為天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字處理模塊和管理模塊等幾部分。其中天線模塊主體是一個(gè)尺寸與IC卡相近的方框形感應(yīng)線圈，它作為向IC卡提供能量并與卡交換信息的天線，與其配合的有相應(yīng)的諧振回路和天線接口。
發(fā)送模塊用于產(chǎn)生13.56兆赫的射頻功率信號(hào)以激勵(lì)天線。該功率信號(hào)可以受發(fā)送數(shù)據(jù)流的調(diào)制，形成10％的調(diào)幅，以向IC卡傳遞信息。
接收模塊用于從天線信號(hào)幅度變化中解調(diào)出IC卡發(fā)出的847.5千赫副載頻，加以放大和整形；
數(shù)字處理模塊用于對(duì)整形后的接收副載頻相位進(jìn)行鑒別，從而取出調(diào)制在它相位上的接收碼流。
管理模塊用于根據(jù)外部傳來的操作命令，控制讀卡頭的收發(fā)狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的發(fā)送碼流，并把由接收碼流得到的IC卡信息傳送到外部設(shè)備。
上述的發(fā)送、接收和數(shù)字處理三個(gè)模塊已經(jīng)可以集成在一個(gè)專用芯片中，例如STMicroelectronics公司的CRX14芯片。
但這種現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的讀卡頭的收、發(fā)模塊直接在天線接口上相連，相互沒有有效的隔離措施。致使讀卡距離局限于10公分左右。加大距離將遇到的困難是1、IC卡本身是無源的，它必須在讀卡頭發(fā)出的射頻電磁場中，通過感應(yīng)取得能量才能工作。對(duì)于13.56兆赫的頻段，難以實(shí)現(xiàn)能量的定向傳送。因此，距離加大將要求讀卡頭發(fā)出的射頻功率平方地加大，也就是說，發(fā)送模塊竄入接收模塊的竄擾將平方地加大；同時(shí)距離加大將使讀卡頭接收到的IC卡信息平方地減小。結(jié)果要求接收模塊在噪聲中的接收靈敏度應(yīng)按距離的四次方升高。
2、發(fā)送模塊竄入接收模塊的竄擾將從兩個(gè)方面影響接收模塊一是天線上強(qiáng)大的發(fā)送信號(hào)本身可以占據(jù)前級(jí)接收放大器的全部動(dòng)態(tài)范圍，造成它的阻塞(所以現(xiàn)有該標(biāo)準(zhǔn)的讀卡頭都不設(shè)置前級(jí)放大，而用動(dòng)態(tài)范圍極大但靈敏度極低的二極管幅度檢波器，直接由天線信號(hào)解出副載頻)；二是發(fā)送模塊產(chǎn)生的、與發(fā)送功率成比例的、處于接收頻帶內(nèi)的邊帶噪聲一旦進(jìn)入天線，就再也不可能把它與接收信號(hào)分開，足以淹沒微弱的接收信號(hào)。
射頻IC卡向讀卡頭發(fā)回的信息用847.5千赫的副載頻調(diào)制在13.56兆赫的載頻上，因此接收到的有用信息集中在(13.56±0.8475)兆赫，即12.71兆赫和14.41兆赫頻率附近。如果能阻止發(fā)送模塊產(chǎn)生的、相同頻率范圍的邊帶噪聲進(jìn)入天線，免至淹沒接收信號(hào)，并阻止天線上的功率信號(hào)進(jìn)入接收模塊，免至造成阻塞，就可能把微弱的有用信息單獨(dú)加以放大后再進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的接收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需求，提出一種遠(yuǎn)距離讀卡頭，可遠(yuǎn)距離自動(dòng)地讀取持卡人的信息。在一些特定場合可節(jié)約大批人力和時(shí)間。
本發(fā)明提出的一種中頻射頻識(shí)別卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭，它包括天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字模塊和管理模塊五個(gè)部分；其連接關(guān)系為天線模塊的輸入端與輸出端分別與發(fā)送模塊的輸出端和接收模塊的輸入端相連，發(fā)送模塊的輸入端與數(shù)字模塊的輸出端相連，接收模塊的輸出端與數(shù)字模塊的輸入端相連；數(shù)字模塊與管理模塊之間進(jìn)行雙向相連；其特征在于，該天線模塊包括一框式諧振天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的收發(fā)雙工器；還包括一前置放大器，該前置放大器的輸入端與該模塊的收發(fā)雙工器的輸出端相連，其輸出端與所述的接收模塊的輸入端相連，且發(fā)送模塊的另一輸出端與接收模塊的另一輸入端相連。
本發(fā)明提出的另一種中頻射頻識(shí)別卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭，它包括天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字模塊和管理模塊五個(gè)部分；其連接關(guān)系為天線模塊的輸入端與輸出端分別與發(fā)送模塊的輸出端和接收模塊的輸入端相連；發(fā)送模塊的輸入端與數(shù)字模塊的輸出端相連，接收模塊的輸出端與數(shù)字模塊的輸入端相連；數(shù)字模塊與管理模塊之間進(jìn)行雙向相連；其特征在于，該天線模塊包括一框式諧振接收天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的接收帶通或帶阻濾波器；一框式諧振發(fā)送天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的發(fā)送帶通或帶阻濾波器；還包括一前置放大器，該前置放大器的輸入端與該模塊的接收帶通濾波器的輸出端相連，其輸出端與所述的接收模塊的輸入端相連，且發(fā)送模塊的另一輸出端與接收模塊的另一輸入端相連。
本發(fā)明的特點(diǎn)及技術(shù)效果和一般對(duì)講機(jī)不同，人們常用的手機(jī)可以和幾千米外的蜂窩臺(tái)通信，邊講邊聽。其關(guān)鍵在于手機(jī)內(nèi)部有一個(gè)收發(fā)雙工器，用以將收、發(fā)信號(hào)加以分離。它實(shí)際上是收、發(fā)兩個(gè)帶通(或帶阻)濾波器發(fā)送通道的濾波器只讓發(fā)送頻帶內(nèi)的信號(hào)通過它進(jìn)入天線，其中混雜的、處于接收頻帶內(nèi)的、將大大降低接收靈敏度的邊帶噪聲被濾除；而接收通道的濾波器只讓接收頻帶內(nèi)的天線信號(hào)通過它進(jìn)入接收機(jī)，功率強(qiáng)大、可能造成接收機(jī)阻塞的發(fā)送信號(hào)不能進(jìn)入。
參照手機(jī)等一般收發(fā)同時(shí)工作的雙工無線電臺(tái)的方法，本發(fā)明對(duì)普通收、發(fā)共用天線(感應(yīng)線圈)的讀卡頭的天線模塊進(jìn)行了以下改進(jìn)第一、增加一套由兩個(gè)帶通(或帶阻)濾波器構(gòu)成的雙工器?；蛘咴诜謩e使用發(fā)送、接收兩套天線的系統(tǒng)中，給發(fā)送、接收通道增加兩個(gè)相應(yīng)的帶通(或帶阻)濾波器。處于發(fā)送通道中的濾波器只允許13.56兆赫發(fā)送功率信號(hào)通過，阻止發(fā)送模塊產(chǎn)生的、與接收頻率范圍相同的邊帶噪聲進(jìn)入天線；處于接收通道的濾波器只允許接收信號(hào)的下邊帶12.71兆赫(也可選用上邊帶14.41兆赫)通過，阻止天線上的功率信號(hào)進(jìn)入接收模塊。
第二、根據(jù)讀卡距離相應(yīng)加大天線尺寸和發(fā)出的射頻功率，以便能激發(fā)遠(yuǎn)距離的射頻IC卡進(jìn)入工作狀態(tài)。必要時(shí)可采取間歇工作，或根據(jù)目標(biāo)距離自動(dòng)調(diào)整功率。
第三、在接收模塊前增加足夠的前級(jí)放大裝置，并改用三極管解調(diào)或集成電路進(jìn)行副載頻解調(diào)。
第四、由于副載頻解調(diào)時(shí)除了12.71兆赫的一個(gè)邊帶外，還必需有一定分量的13.56兆赫載頻成分。在上述放大過程中，載頻成分已被極大地抑制。因此在副載頻解調(diào)器具有兩個(gè)輸入端，在通過前置放大器輸入接收信號(hào)的同時(shí)，還通過發(fā)送模塊輸入一定量的13.56兆赫信號(hào)，以恢復(fù)載頻成分。
第五、本發(fā)明的獨(dú)特之處還在于采用了單邊帶接收技術(shù)；為了節(jié)約發(fā)送功率和占用頻帶，單邊帶發(fā)送技術(shù)只將調(diào)幅信號(hào)中有用信息的一個(gè)邊帶加以發(fā)送，載頻分量并不傳送，而在接收機(jī)中自行對(duì)載頻進(jìn)行恢復(fù)，然后解調(diào)出調(diào)制信號(hào)。本發(fā)明中，由于接收對(duì)象的調(diào)幅度極小，故接收過程中只分離出有用信息的一個(gè)邊帶，而將載頻抑制，以便通常動(dòng)態(tài)范圍的放大器能正常工作。實(shí)行的是單邊帶的接收。
采用以上手段，可實(shí)現(xiàn)一米以遠(yuǎn)的距離讀取ISO 1444 3 Type B標(biāo)準(zhǔn)的射頻卡信息。


圖1為本發(fā)明的遠(yuǎn)距離讀卡頭實(shí)施例1總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為實(shí)施例1的天線模塊結(jié)構(gòu)圖，其中，(A)為框式諧振天線及天線匹配轉(zhuǎn)換器的組成結(jié)構(gòu)，(B)為收發(fā)雙工器的組成結(jié)構(gòu)，(C)前置放大器的組成結(jié)構(gòu)。
圖3為實(shí)施例1的發(fā)送模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖4為實(shí)施例1的接收模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖5為實(shí)施例1的數(shù)字處理模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖6為實(shí)施例1的管理模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖7為本發(fā)明的遠(yuǎn)距離讀卡頭實(shí)施例2總體結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的IC卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下本發(fā)明提出的IC卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭，它包括天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字模塊和管理模塊五個(gè)部分；其連接關(guān)系為天線模塊的輸入端與輸出端分別與發(fā)送模塊的輸出端和接收模塊的輸入端相連，發(fā)送模塊的輸入端與數(shù)字模塊的輸出端相連，接收模塊的輸出端與數(shù)字模塊的輸入端相連；數(shù)字模塊與管理模塊之間進(jìn)行雙向相連；其特征在于，該天線模塊包括一框式諧振天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的收發(fā)雙工器；還包括一前置放大器，該前置放大器的輸入端與該模塊的收發(fā)雙工器的輸出端相連，其輸出端與所述的接收模塊的輸入端相連，且發(fā)送模塊的另一輸出端與接收模塊的另一輸入端相連。
本發(fā)明還提出另一種IC卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭，它包括天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字模塊和管理模塊五個(gè)部分；其連接關(guān)系為天線模塊的輸入端與輸出端分別與發(fā)送模塊的輸出端和接收模塊的輸入端相連；發(fā)送模塊的輸入端與數(shù)字模塊的輸出端相連，接收模塊的輸出端與數(shù)字模塊的輸入端相連；數(shù)字模塊與管理模塊之間進(jìn)行雙向相連；其特征在于，該天線模塊包括一框式諧振接收天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的接收帶通濾波器；一框式諧振發(fā)送天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的發(fā)送帶通濾波器；還包括一前置放大器，該前置放大器的輸入端與該模塊的接收帶通濾波器的輸出端相連，其輸出端與所述的接收模塊的輸入端相連，且發(fā)送模塊的另一輸出端與接收模塊的另一輸入端相連。
本發(fā)明上述兩種天線模塊中的收發(fā)雙工器由兩個(gè)帶通或帶阻濾波器構(gòu)成。
上述帶通或帶阻濾波器可以用螺旋濾波器實(shí)現(xiàn)。螺旋濾波器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)制造工藝比較成熟，缺點(diǎn)是體積大、用銅量大因而重量大。可采用陶瓷濾波器或聲表面波濾波器代之。
本發(fā)明上述兩種天線模塊中的框式諧振天線、天線匹配轉(zhuǎn)換器和前置放大器均可采用常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造，框式諧振天線的尺寸與所需的讀卡距離成比例，例如，要求讀卡距離為1米，則天線的尺寸至少為80公分×80公分。
本發(fā)明的發(fā)送模塊基本結(jié)構(gòu)與已有的IC卡讀卡頭的發(fā)送模塊相同。
本發(fā)明的接收模塊與已有的IC卡的讀卡頭的接收模塊也基本相同，由副載頻解調(diào)器和與其相連的副載頻放大整形器構(gòu)成，不同處只在于副載頻解調(diào)器不使用二極管解調(diào)器，改用三極管解調(diào)器，以提高靈敏度。
本發(fā)明的數(shù)字處理模塊和管理模塊的具體構(gòu)成及采用的元器件，均可與已有的IC卡讀卡頭的相應(yīng)模塊相同。
本發(fā)明各模塊基本工作原理與前述一般讀卡頭工作原理相同，不同之處在于在天線模塊中使用收發(fā)雙工器或帶通(或帶阻)濾波器對(duì)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行了分隔，從而可以在接收模塊對(duì)副載頻解調(diào)前，先把微弱的接收信號(hào)進(jìn)行前置放大；副載頻解調(diào)改用了三極管解調(diào)器或集成電路。
本發(fā)明的遠(yuǎn)距離讀卡頭實(shí)施例1總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本實(shí)施例為收發(fā)共用一個(gè)平面天線(感應(yīng)線圈)的單天線方案的讀卡頭，它包括天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字模塊和管理模塊五個(gè)部分；各部分的結(jié)構(gòu)詳細(xì)說明如下一)天線模塊本實(shí)施例的天線模塊由天線、天線匹配轉(zhuǎn)換器、收發(fā)雙工器和前置放大器構(gòu)成，如圖2所示，其中，天線用直徑2公分的紫銅管，彎成80公分×80公分不閉合的方框構(gòu)成框式諧振天線；該天線的底部基座上，安裝有天線匹配轉(zhuǎn)換器、收發(fā)雙工器和前置放大器三個(gè)部件；天線匹配轉(zhuǎn)換器與框式諧振天線的開口處兩端相連，收發(fā)雙工器分別寫天線匹配轉(zhuǎn)換器和前置放大器相連。
本實(shí)施例的天線匹配轉(zhuǎn)換器如圖2(A)所示，由電容C1、電阻R1、高頻變壓器T1、對(duì)稱/不對(duì)稱轉(zhuǎn)換器T2組成。
本實(shí)施例的天線匹配轉(zhuǎn)換器用于把對(duì)稱的框式天線和不對(duì)稱的50歐姆阻抗的收發(fā)雙工器天線通道相配接。其中電容C1用來和框式天線組成13.2兆赫的諧振回路，電阻R1用來增加天線的帶寬，以兼顧發(fā)送與接收兩個(gè)頻率。高頻變壓器T1，用以將諧振天線的阻抗轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆。對(duì)稱/不對(duì)稱轉(zhuǎn)換器T2，用以把對(duì)稱的天線和不對(duì)稱的同軸電纜相連。T1和T2均用膠質(zhì)導(dǎo)線在高頻鐵氧體磁環(huán)上繞制。T2為三線并繞。天線匹配轉(zhuǎn)換器的電纜插座CN1經(jīng)高頻功率電纜連接到收發(fā)雙工器的天線通道插座CN2。
本實(shí)施例的收發(fā)雙工器如圖2(B)所示，由13.56兆赫帶通螺旋濾波器和12.71兆赫帶通螺旋濾波器組合而成，等效于將雙向的天線通道插座CN2分離為兩個(gè)獨(dú)立的、互不干擾的發(fā)送通道CN3插座和接收通道CN4插座。
本實(shí)施例的收發(fā)雙工器指標(biāo)(實(shí)測)1)發(fā)送通道螺旋濾波器中心頻率13.56MHz，3dB帶寬222KHz，插損2.88dB，帶外抑制12.71MHz處87.7dB，端口阻抗50Ω，通過功率≥25W，外形尺寸450mm×240mm×200mm。
2)接收通道螺旋濾波器中心頻率12.71MHz，3dB帶寬190KHz，插損2.73dB，帶外抑制13.56MHz處84.1dB，端口阻抗50Ω，外形尺寸450mm×240mm×200mm。
也就是說，它能將收發(fā)兩個(gè)通道(分別為12.71兆赫和13.56兆赫兩個(gè)頻率)的隔離比做到80分貝以上。按四次方關(guān)系，與當(dāng)前未加任何措施的10公分讀卡頭相比，約略相當(dāng)于作用距離增加到10(80/4/10)＝100倍以上(這里沒有考慮天線的尺寸和射頻場強(qiáng)受到的環(huán)境限制)。因此可在一米以上的的遠(yuǎn)距離內(nèi)讀取第二代身份證(ISO 14443 Type B標(biāo)準(zhǔn))卡。
本實(shí)施例的前置放大器如圖2(C)所示，它是由兩個(gè)高頻低噪聲三極管Q1、Q2(2SC3355)組成的級(jí)聯(lián)放大器。R2、R3、R4、R5為放大器的偏置和直流工作點(diǎn)穩(wěn)定電阻。電容C3、C7為它們的旁路電容。高頻變壓器T3、T4分別與C8、C4構(gòu)成12.71兆赫諧振回路。電容C2、C6和電感L1構(gòu)成電源去耦濾波電路。
本實(shí)施例的前置放大器用以對(duì)接收到的微弱的12.71兆赫信號(hào)進(jìn)行放大，以便經(jīng)過較長的電纜傳送接收信號(hào)。經(jīng)雙工器分離后的天線信號(hào)由CN5插座輸入，經(jīng)過兩個(gè)高頻低噪聲三極管Q1、Q2(2SC3355)組成的級(jí)聯(lián)諧振放大器，可獲得較高的穩(wěn)定增益，并進(jìn)一步保證對(duì)干擾信號(hào)的抑制。電纜插座CN6既是放大后的接收信號(hào)輸出端，同時(shí)也是前置放大器的供電端。
二)發(fā)送模塊本實(shí)施例的發(fā)送模塊由三級(jí)射頻功率放大器和發(fā)送幅度調(diào)制器構(gòu)成，如圖3所示，本實(shí)施例的三極管Q3(2SC2086)、Q4(2SC2166)和Q5(2SC1969)組成典型的三級(jí)射頻功率放大器。數(shù)字模塊產(chǎn)生的13.56兆赫射頻信號(hào)TRF經(jīng)電容C9輸入。電容C9和二極管D1作為Q3的基極電路，能在有信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生一定的正偏置以提高增益。Q3的收集極負(fù)載是高頻變壓器T5和電容C11組成的13.56兆赫諧振回路。T3除了通過電容C12和電阻R7向Q4的基極輸送激勵(lì)信號(hào)外，還在次級(jí)經(jīng)過電纜向接收模塊傳送一個(gè)載頻恢復(fù)信號(hào)CF。
Q4由電感L2取得直流供電，通過電容C14、C15和電感L3、L5組成的Q5基極匹配網(wǎng)絡(luò)，激勵(lì)功率輸出管Q5。L6是Q5的直流供電電感，電容C20-C23和電感L7、L8組成輸出功率匹配網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)三級(jí)放大后，Q5可以產(chǎn)生10瓦的射頻功率，經(jīng)電纜插座CN7輸出到天線模塊的收發(fā)雙工器發(fā)送通道，由于雙工器的插入損耗將近3dB，再加上匹配轉(zhuǎn)換的損耗，激勵(lì)天線的功率約為5瓦。
Q7(SS8050)和達(dá)林頓管Q6(TIP120)組成發(fā)送幅度調(diào)制器，數(shù)字處理模塊送來的、反相后的發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制輸入TAM由電阻R11、R12分壓后，加到Q7的基極。造成Q7收集極通斷狀態(tài)的改變，使電阻R9、R10分壓端產(chǎn)生的Q6基極電壓產(chǎn)生改變，從而改變由Q6發(fā)射極輸出的、經(jīng)電感L6給功率輸出管Q5的供電電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻功率信號(hào)的10％幅度調(diào)制。二極管D2是為了防止Q6基極反向擊穿。電阻R6、R8、電容C10、C13、C16-C19和電感L4為電源去耦濾波電路。
三)接收模塊本實(shí)施例的接收模塊如圖4所示，它包括由Q8組成的副載頻解調(diào)器，和一片CMOS集成電路U1構(gòu)成廉價(jià)的副載頻放大整形器。
Q8(2SC3355)是副載頻解調(diào)器，電阻R13-R15為它的偏置和直流工作點(diǎn)穩(wěn)定電路，C27為發(fā)射極旁路電容。高頻變壓器T6和電容C28組成847.5千赫的諧振回路，作為Q8的收集極負(fù)載。來自天線模塊的、經(jīng)前置放大后的12.71兆赫接收信號(hào)，由電纜插座CN8輸入，經(jīng)電容C24加到Q8的基極。與CN8相連的電感L8用來給天線模塊的前置放大器進(jìn)行直流饋電。另一路來自發(fā)送模塊的載頻恢復(fù)信號(hào)CF經(jīng)電容C25同時(shí)加到Q8的基極。兩路信號(hào)在Q8的基極混合產(chǎn)生差拍。經(jīng)Q8解調(diào)后，由諧振回路T6、C28選出847.5千赫副載頻，經(jīng)T6的次級(jí)向副載頻放大整形器U1輸出。電感L10、L11和電容C26、C29、C31是Q8的電源去耦濾波電路。解調(diào)器的工作過程與一般超外差接收設(shè)備中的混頻器完全相同。為提高性能，可改用集成電路模擬乘法器實(shí)現(xiàn)解調(diào)。
U1(CMOS集成反相放大器CD4069)構(gòu)成廉價(jià)的副載頻放大整形器。電容C30、C34和C35分別是U1A、U1B、和U1C三級(jí)放大器的輸入隔直耦合電容。電阻R16和R18、R17和R19、R21和R20分別組成三極放大器的并聯(lián)負(fù)反饋電路，以穩(wěn)定它們的直流工作點(diǎn)和交流增益。U1D是副載頻整形器，電阻R22把它的直流輸出正反饋到U1C的輸入端，使得U1D只有高低兩個(gè)電平輸出狀態(tài)，從而將由U1C輸入的副載頻正弦信號(hào)整形為方波。U1E將U1D整形后的方波再進(jìn)行一次放大，成為副載頻方波AFI信號(hào)，送往數(shù)字模塊解碼。
四)數(shù)字處理模塊本實(shí)施例的數(shù)字處理模塊如圖5所示，它使用了一片XILINX公司的可編程邏輯芯片(CPLD)XC9536。可編程邏輯芯片的特點(diǎn)是，它可以根據(jù)用戶的需要，像編寫計(jì)算機(jī)軟件一樣，用編程的方法實(shí)現(xiàn)所需要的硬件功能。在本實(shí)施方案中，它被編寫為13.56兆赫石英振蕩器、射頻產(chǎn)生器、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器和相位解碼器四個(gè)部件。
U2(XC9536)的第39腿和43腿外接13.56兆赫石英晶體X1，電阻R23和電容C37、C38，構(gòu)成石英振蕩器，作為模塊內(nèi)的射頻產(chǎn)生器和解碼器的13.56兆赫頻率基準(zhǔn)，并由29腿輸出CLK信號(hào)給管理模塊，作為單片微計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)。
U2的第13腿是射頻產(chǎn)生器的輸出端，向發(fā)送模塊輸出13.56兆赫的射頻信號(hào)TRF。U2的16腿是管理模塊送來的射頻開關(guān)控制信號(hào)RFEN。它控制射頻信號(hào)TRF的有無，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的工作或關(guān)閉。
U2的20腿和12腿構(gòu)成發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器。由管理模塊輸入到20腿的發(fā)送碼流TDI反相后，成為幅度調(diào)制信號(hào)TAM，經(jīng)12腿輸出到發(fā)送模塊。
U2的第19腿、22腿和27腿為片內(nèi)相位解碼器的輸入、輸出端。解碼器內(nèi)部有一個(gè)由13.56兆赫頻率分頻產(chǎn)生的847.5千赫參考頻率。管理模塊送來的收發(fā)狀態(tài)控制信號(hào)T/R加到19腿上。當(dāng)該信號(hào)命令模塊進(jìn)入接收狀態(tài)后，如果22腿收到射頻卡IC發(fā)出的、經(jīng)接收模塊解調(diào)整形后的副載頻信號(hào)AFI，解碼器將迅速調(diào)整其內(nèi)部的參考頻率相位，與副載頻鎖定。然后以此參考頻率相位為基準(zhǔn)，當(dāng)以后輸入的副載頻信號(hào)AFI與它一致時(shí)，27腿解碼輸出RDO為‘1’，否則為‘0’。從而解出接收碼流送往管理模塊。
連接到U2的9腿、10腿、11腿和23腿的插頭J1是用來接到外部設(shè)備，給U2的功能進(jìn)行編程。其過程可參閱XILINX公司的使用說明。
五)管理模塊本實(shí)施例的管理模塊如圖6所示，由一片AVR單片微計(jì)算機(jī)U4(ATMEL公司的AT90S2313)，和與其相連的RS232串行接口電平轉(zhuǎn)換器U3(MAXIM公司的MAX202)組成。J2是讀卡頭對(duì)外通信用的、標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口9針插座。
管理模塊的主體U4是一片ATMEL公司的AVR單片微計(jì)算機(jī)AT90S2313，為該讀卡頭的的智能控制中心。電阻R24和電容C43為它的開機(jī)復(fù)位電路，連接到它的復(fù)位端第1腿。來自數(shù)據(jù)處理模塊的時(shí)鐘信號(hào)CLK由它的第5腿輸入。高層的主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的命令經(jīng)U3電平轉(zhuǎn)換后成為RXD信號(hào)，串行輸入它的第2腿。它可以根據(jù)這些命令，由11腿輸出射頻開關(guān)控制信號(hào)RFEN，使讀卡頭工作或停止；可以由第8腿產(chǎn)生發(fā)送碼流TDI向射頻IC卡發(fā)送數(shù)據(jù)；也可以用第9腿的收發(fā)狀態(tài)控制信號(hào)T/R，使系統(tǒng)由發(fā)送轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，并把由第6腿輸入的接收碼流RDO進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，成為第3腿的TXD信號(hào)，由U3進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)發(fā)到高層主計(jì)算機(jī)。
U3是RS232串行接口電平轉(zhuǎn)換器，功能是在外部高層計(jì)算機(jī)與單片微計(jì)算機(jī)U4的串行接口之間進(jìn)行邏輯電平的轉(zhuǎn)換。它的11腿輸入U(xiǎn)4需要向高層計(jì)算機(jī)傳送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后由第14腿經(jīng)插座J2第2腿輸出。由J2第4腿傳來的高層計(jì)算機(jī)的命令進(jìn)入U(xiǎn)3的第13腿，經(jīng)轉(zhuǎn)換后成為RXD信號(hào)，由U3的第12腿輸出到U4。為了把5V電源轉(zhuǎn)換為RS232串行接口所需的正負(fù)電源，U3需外接四個(gè)儲(chǔ)能電容C39-C42。電阻R25、R28用來防止外接電纜意外短路造成U3的損壞。
本實(shí)施例向射頻IC卡發(fā)送信息的過程是1.由石英振蕩器產(chǎn)生的13.56兆赫載頻信號(hào)，經(jīng)射頻功率放大器形成射頻功率激勵(lì)信號(hào)，沿收發(fā)雙工器的發(fā)送通道進(jìn)入天線匹配轉(zhuǎn)換器，激勵(lì)框式諧振天線(感應(yīng)線圈)。
2.當(dāng)需要向射頻IC卡發(fā)送信息時(shí)，單片微計(jì)算機(jī)產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)流，通過發(fā)送幅度調(diào)制器對(duì)射頻功率放大器進(jìn)行10％的幅度調(diào)制。
3.當(dāng)需要該讀卡頭間歇工作時(shí)，單片微計(jì)算機(jī)可通過射頻開關(guān)控制信號(hào)打開或關(guān)閉射頻功率產(chǎn)生器。
在以上過程中，由于雙工器發(fā)送通道帶寬約為200千赫，因此調(diào)制在射頻上的發(fā)送數(shù)據(jù)(碼率106千比/秒)可以順利通過，而在接收頻率12.71兆赫附近的發(fā)射邊帶噪聲將被衰減80分貝以上，不能進(jìn)入天線干擾接收。
本實(shí)施例接收射頻IC卡信息的過程是1.根據(jù)收到的讀卡頭的命令，處于射頻電磁場中的射頻IC卡以847.5千赫的副載頻頻率，通過自身的能量吸收功能，對(duì)射頻電磁場進(jìn)行調(diào)幅。射頻IC卡需要傳送的數(shù)據(jù)(碼率106千比/秒)反映在副載頻的相位上。因此，所需傳送的信息能量集中在12.71兆赫和14.41兆赫附近的106千赫帶寬內(nèi)，它將在框式諧振天線上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)。
2.諧振天線上感應(yīng)出的12.71兆赫的微弱的接收信號(hào)經(jīng)天線匹配轉(zhuǎn)換器進(jìn)入收發(fā)雙工器的天線通道，然后通過它的接收通道(帶寬為190千赫)進(jìn)入前置放大器。該接收通道對(duì)發(fā)送的13.56兆赫的射頻信號(hào)有80分貝以上的衰減，這就把微弱的12.71兆赫的接收信號(hào)從天線中分離了出來，經(jīng)放大后用電纜傳送到副載頻解調(diào)器。
3.射頻IC卡發(fā)出的信息是用副載頻調(diào)制在13.56兆赫射頻上。為保證接收機(jī)前端的正常工作，經(jīng)過雙工器的接收通道后，其中的13.56兆赫載頻已被濾除，只留下載有信息的12.71兆赫下邊帶。副載頻解調(diào)器先恢復(fù)接收信號(hào)中的13.56兆赫載頻成分，然后由它和接收信號(hào)的差拍解調(diào)出847.5千赫副載頻。
4.至此，解調(diào)出的847.5千赫副載頻就可和普通讀卡頭一樣，由副載頻放大整形器和相位解碼器進(jìn)行放大、整形和解碼。解出接收數(shù)據(jù)碼流交給單片微計(jì)算機(jī)處理。
5.為了區(qū)分作用范圍內(nèi)可能存在的的多個(gè)射頻IC卡，信息處理系統(tǒng)可采用“防沖突”技術(shù)。這已經(jīng)是相當(dāng)成熟的技術(shù)，不必贅述。
本發(fā)明的遠(yuǎn)距離讀卡頭實(shí)施例2總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。本實(shí)施例為收發(fā)分開使用兩個(gè)平面天線(感應(yīng)線圈)、構(gòu)成一個(gè)檢測通道的雙天線方案的讀卡頭。本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處只是把天線模塊中的的收發(fā)雙工器分裂為兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)送和接收帶通(或帶阻)濾波器，分開使用了發(fā)送和接收兩套天線系統(tǒng)，其它各部分的組成結(jié)構(gòu)及工作原理與實(shí)施例1并無差別。但由于它的收發(fā)天線系統(tǒng)完全分開，可以調(diào)諧在各自的最佳頻率。而且由于分立通道兩側(cè)(或者將發(fā)送天線置于通道中間，兩側(cè)放置兩個(gè)接收天線，兩路接收信號(hào)經(jīng)前置放大后以適當(dāng)方式混合)，相互干擾更小，可作到更遠(yuǎn)的檢測距離。
權(quán)利要求
1.一種中頻射頻識(shí)別卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭，它包括天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字模塊和管理模塊五個(gè)部分；其連接關(guān)系為天線模塊的輸入端與輸出端分別與發(fā)送模塊的輸出端和接收模塊的輸入端相連，發(fā)送模塊的輸入端與數(shù)字模塊的輸出端相連，接收模塊的輸出端與數(shù)字模塊的輸入端相連；數(shù)字模塊與管理模塊之間進(jìn)行雙向相連；其特征在于，該天線模塊包括一框式諧振天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的收發(fā)雙工器；還包括一前置放大器，該前置放大器的輸入端與該模塊的收發(fā)雙工器的輸出端相連，其輸出端與所述的接收模塊的輸入端相連，且發(fā)送模塊的另一輸出端與接收模塊的另一輸入端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)距離讀卡頭，其特征在于，所述的收發(fā)雙工器由兩個(gè)帶通或帶阻濾波器構(gòu)成。
3.一種中頻射頻識(shí)別卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭，它包括天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字模塊和管理模塊五個(gè)部分；其連接關(guān)系為天線模塊的輸入端與輸出端分別與發(fā)送模塊的輸出端和接收模塊的輸入端相連；發(fā)送模塊的輸入端與數(shù)字模塊的輸出端相連，接收模塊的輸出端與數(shù)字模塊的輸入端相連；數(shù)字模塊與管理模塊之間進(jìn)行雙向相連；其特征在于，該天線模塊包括一框式諧振接收天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的接收帶通或帶阻濾波器；一框式諧振發(fā)送天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的發(fā)送帶通或帶阻濾波器；還包括一前置放大器，該前置放大器的輸入端與該模塊的接收帶通濾波器的輸出端相連，其輸出端與所述的接收模塊的輸入端相連，且發(fā)送模塊的另一輸出端與接收模塊的另一輸入端相連。
4.如權(quán)利要求3所述的遠(yuǎn)距離讀卡頭，其特征在于，所述的發(fā)送帶通或帶阻濾波器和接收帶通或帶阻濾波器采用螺旋濾波器、陶瓷濾波器或聲表面波濾波器之一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及中頻射頻識(shí)別卡的遠(yuǎn)距離讀卡頭，屬于中頻射頻識(shí)別卡的遠(yuǎn)距離讀取設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括天線模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)字模塊和管理模塊五個(gè)部分；其特征在于，該天線模塊包括一框式諧振天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的收發(fā)雙工器；或包括一框式諧振接收天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的接收帶通或帶阻濾波器；一框式諧振發(fā)送天線和與其相連的天線匹配轉(zhuǎn)換器，以及與該天線匹配轉(zhuǎn)換器相連的發(fā)送帶通或帶阻濾波器；還包括與收發(fā)雙工器或接收帶通濾波器相連的前置放大器。本發(fā)明可遠(yuǎn)距離自動(dòng)地讀取持卡人的信息。在一些特定場合可節(jié)約大批人力和時(shí)間。
文檔編號(hào)G06K7/00GK1959697SQ20061011459
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者蔣南峰 申請(qǐng)人:蔣南峰