一種非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)中自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)中自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法，由非接觸式IC卡中增加的自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)電路完成。自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)電路根據(jù)零個數(shù)計數(shù)器中零的個數(shù)來判斷閾值是否合適。在上電模擬前端電路穩(wěn)定以后，從最高閾值開始往下調(diào)節(jié)，零的個數(shù)多說明閾值太高產(chǎn)生毛刺，從當(dāng)前閾值中減去固定的閾值步長，并等待模擬電路切換閾值完成后繼續(xù)進(jìn)行下一輪判斷，直到判斷零的個數(shù)達(dá)到規(guī)定范圍，使閾值達(dá)到最佳，或者調(diào)解到最小的閾值。本發(fā)明在1.5A/m～7.5A/m的場強(qiáng)范圍內(nèi)，對于ISO/IEC14443Type?A協(xié)議規(guī)定的多種的天線波形，能自動地選擇比較器閾值，輸出pause寬度接近3μs的解調(diào)數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)中自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及符合IS0/IEC14443Type A協(xié)議的非接觸式IC卡的解調(diào)系統(tǒng)中自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法。針對不同場強(qiáng)不同天線波形，自適應(yīng)地選擇最佳比較閾值，使解調(diào)系統(tǒng)得到規(guī)范的解調(diào)數(shù)據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]IC卡的概念是20世紀(jì)70年代初提出來的，法國布爾(BULL)公司于1976年首先創(chuàng)造出智能卡樣品，并將這項技術(shù)應(yīng)用于金融、交通、醫(yī)療和身份證明等多個行業(yè)。根據(jù)卡與外界數(shù)據(jù)傳送的形式，IC卡可以分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡。根據(jù)ISO/IEC14443-2A協(xié)議規(guī)定，智能卡讀卡器產(chǎn)生耦合到IC卡的RF電磁場，用以傳送能量和雙向通信。RF場的場強(qiáng)范圍是1.5A/m~7.5A/m，載波頻率f。為13.56MHz ±7kHz。數(shù)據(jù)傳輸率=13.56MHz/128=106Kb/s, 一位數(shù)據(jù)所占的時間周期為9.4us。調(diào)制方式采用100%的ASK(幅度鍵控調(diào)制)，在RF場中創(chuàng)造一個“間隙(pause)”來傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)。IS0/IEC14443TypeA協(xié)議規(guī)定的Pause波形如圖1所示。100%ASK調(diào)制信號經(jīng)如圖2所示的解調(diào)電路后，輸出波形如圖3所示，VA為包絡(luò)檢波器在A點(diǎn)輸出的輸出的RF包絡(luò)信號，其直流由電壓跟隨放大器固定在600mV，DIN為VA與閾值電壓Vref在比較器中比較后得到解調(diào)數(shù)據(jù)。
[0003]國際規(guī)范規(guī)定了如圖4所示的三種典型的天線波形:一種正常情況U1=Sys,t2=l.4 μ s)和兩種極端情況(極端情況1:t1=3 μ s, t2=0.5 μ s ;極端情況2 -.X1=1 μ s,t2=0.7 μ S)。每種情況在不同的場強(qiáng)下天線波形都會有不同的變化，圖5給出了極端情況I下包絡(luò)波形隨場強(qiáng)增大的大致變化趨勢。
[0004]2012年4月發(fā)表在《中國集成電路》中的論文“雙界面智能卡芯片中盲區(qū)問題的分析與解決”對盲區(qū)問題進(jìn)行了研究:由于場強(qiáng)變化范圍大，在3A/m~6A/m的場強(qiáng)下天線波形下降速度慢，并且下降過程有一個過渡區(qū)，包絡(luò)波形與固定閾值比較得到的解調(diào)數(shù)據(jù)pause寬度很窄，只有0.5 μ S，與規(guī)范的3 μ s寬度相差很大。后來即使改進(jìn)模擬電路，最終得到的pause寬度仍然只有1.8 μ S。
[0005]由此可以看出，非接觸式智能卡天線波形的變化非常大，由模擬電路得到的包絡(luò)波形變化也是很大的。如果比較器的比較閾值是固定值，不同情況下得到的Pause的寬度變化會很大。以閾值選在300mV (滿幅電壓定在600mV)為例，最小的時候?qū)挾瓤梢缘?.5 μ s,而標(biāo)準(zhǔn)的pause寬度是3 μ S。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)比較器固定閾值不能很好地適應(yīng)不同場強(qiáng)和天線波形變化大的問題，本發(fā)明提供了一種解調(diào)系統(tǒng)中比較器閾值自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方法，閾值隨著包絡(luò)波形的變化自動調(diào)節(jié)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
[0008]對非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)電路。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，包括模擬前端和數(shù)字電路兩部分，數(shù)字電路又包括數(shù)字解調(diào)電路和自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)電路(圖6中的虛線標(biāo)注部分)。
[0009]模擬前端將RF信號進(jìn)行包絡(luò)檢波，A點(diǎn)輸出的包絡(luò)信號的直流電壓由跟隨放大器固定在Vbuf，包絡(luò)信號在比較器中與閾值進(jìn)行比較得到解調(diào)數(shù)據(jù)。比較器的閾值有固定的多種選擇，閾值選擇由數(shù)字電路返回的Vref_config信號來控制。
[0010]自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)電路完成閾值的自動調(diào)節(jié)，主要由閾值調(diào)節(jié)控制模塊、采樣模塊、采樣次數(shù)計數(shù)器、零個數(shù)計數(shù)器、判斷模塊、調(diào)節(jié)模塊和延時模塊等組成。
[0011]閾值調(diào)節(jié)控制模塊，負(fù)責(zé)配置調(diào)節(jié)參數(shù)并輸出調(diào)節(jié)使能信號tune_en。在智能卡上電初始化配置結(jié)束以及每次發(fā)數(shù)結(jié)束之后并等待一段時間，tune_en有效；在收到判斷模塊輸出的調(diào)節(jié)結(jié)束信號turnover以后，tUne_en無效，本次調(diào)節(jié)結(jié)束。配置的參數(shù)主要有閾值調(diào)節(jié)的最高閾值Vmax、最低閾值Vmin、閾值步長、采樣Λ V、次數(shù)上限值CNTJIMES、零個數(shù)上限值NUMO、初始化延時等待時間PREJIME以及切換延時等待時間WAITJIME。
[0012]采樣模塊的功能是用13.56MHZ的時鐘對模擬前端比較器的輸出信號進(jìn)行采樣。
[0013]采樣次數(shù)計數(shù)用于記錄采樣過程中采樣的次數(shù)。
[0014]零個數(shù)計數(shù)用于記錄采集到的零電平的個數(shù)。根據(jù)零的個數(shù)可以判斷閾值的高低，零的個數(shù)與閾值的關(guān)系如圖7所示。閾值調(diào)節(jié)過程在有效通信數(shù)據(jù)到達(dá)之前(即Pause之前)進(jìn)行，理想情況下采樣電路采集到的信號應(yīng)為高電平，但由于實(shí)際的包絡(luò)檢波器輸出波形上疊加了無數(shù)的小波紋，當(dāng)閾值電壓為Vrefl時，由于Vrefl過高，疊加的小波紋來回多次穿越Vrefl電平，使比較器的輸出波形中出現(xiàn)了不少的“毛刺”。“毛刺”的出現(xiàn)，使采樣電路采集到零電平，如果零的個數(shù)過多，說明“毛刺”太多，閾值電壓過高。如果將閾值電壓下調(diào)到Vref2，由于小波紋的波谷均位于Vrefl電平之上，比較器的輸出波形中不再有“毛刺”出現(xiàn)，零的個數(shù)為O或降低到設(shè)定的上限以下，說明閾值正常。
[0015]判斷模塊的功能是對采樣次數(shù)和零的個數(shù)與各自配置的上限值進(jìn)行比較，并比較現(xiàn)在的閾值與最小閾值。
[0016]延時模塊的功能是在智能卡進(jìn)場進(jìn)行上電初始化結(jié)束及每次發(fā)數(shù)結(jié)束后開始進(jìn)行閾值調(diào)節(jié)時，等待一段時間PRE_TIME使模擬前端電路穩(wěn)定；模擬前端電路每次接收到更新的vref_COnfig后進(jìn)行閾值切換，需等待一段時間WAITJIME確保模擬前端完成切換并且穩(wěn)定。
[0017]調(diào)節(jié)模塊用于輸出閾值調(diào)節(jié)控制信號Vref_config至模擬前端,完成閾值切換。
[0018]—種非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)中自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法，在非接觸式IC卡中依次按以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0019]步驟1，模擬前端通過整流穩(wěn)壓電路和時鐘恢復(fù)電路由天線接收的RF載波信號中獲取非接觸式智能卡工作需要的直流電壓和時鐘；
[0020]步驟2，智能卡進(jìn)場進(jìn)行上電初始化配置；
[0021]步驟3，等待一段時間確認(rèn)模擬前端電路穩(wěn)定以后，由時鐘脈沖采樣模擬前端比較器的輸出，記錄采樣次數(shù)和采樣得到的零的個數(shù)；
[0022]步驟4，根據(jù)采樣結(jié)果進(jìn)行判斷，如果采樣次數(shù)沒有達(dá)到上限時零的個數(shù)已達(dá)到設(shè)定的上限值，說明現(xiàn)有的閾值太高，從當(dāng)前閾值中減去固定的閾值電壓步長，得到新的閾值；如果采樣次數(shù)達(dá)到上限但是零的個數(shù)沒有達(dá)到上限值，說明當(dāng)前閾值合適，不進(jìn)行閾值調(diào)節(jié)；
[0023]步驟5，等待一段時間，使模擬前端電路完成閾值切換，然后繼續(xù)采樣包絡(luò)檢波的輸出與新的閾值比較的結(jié)果；并進(jìn)行下一輪步驟4所述的判斷；
[0024]步驟6，如果閾值達(dá)到最小閾值，或者已經(jīng)得到合適的閾值，則停止調(diào)節(jié)，本次調(diào)節(jié)結(jié)束，智能卡等待讀卡器發(fā)送的的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)；
[0025]步驟7，智能卡回復(fù)讀卡器的數(shù)據(jù)之后，初始化閾值，重新開始閾值調(diào)節(jié)，重復(fù)步驟3?6,直到智能卡與讀卡器通信結(jié)束離開磁場。
[0026]所述閾值調(diào)節(jié)過程在有效通信數(shù)據(jù)到達(dá)之前完成。
[0027]所述智能卡進(jìn)場上電初始化配置將閾值初始化為最高值，閾值調(diào)節(jié)由高向低進(jìn)行。
[0028]本發(fā)明的有益效果是，在1.5A/m?7.5A/m的場強(qiáng)范圍內(nèi)，對于IS0/IEC14443TypeA協(xié)議規(guī)定的多種的天線波形，能自動地選擇比較器閾值，輸出pause寬度接近3 μ s的解調(diào)數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1 為 IS0/IEC14443Type A 協(xié)議 100%ASK 調(diào)制的 pause 波形圖；
[0030]圖2為為非接觸式智能卡模擬前端解調(diào)電路；
[0031]圖3為模擬前端解調(diào)電路主要節(jié)點(diǎn)的電壓波形:RF為射頻信號，VA為A點(diǎn)電壓，Vref為閾值電壓，DIN為解調(diào)數(shù)據(jù)；
[0032]圖4為國際規(guī)范規(guī)定的三種天線波形的包絡(luò)；
[0033]圖5為圖4極端情況I下天線波形的包絡(luò)隨場強(qiáng)的變化情況；
[0034]圖6為非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0035]圖7為比較器輸出波形中產(chǎn)生毛刺的原理示意圖；
[0036]圖8為本發(fā)明所涉及的自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0038]本發(fā)明非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，本發(fā)明所涉及的自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法流程圖如圖8所示。閾值自動調(diào)節(jié)包括以下步驟:
[0039]步驟1，模擬前端通過整流穩(wěn)壓電路和時鐘恢復(fù)電路由天線接收的RF載波信號中獲取非接觸式智能卡工作需要的直流電壓和時鐘；
[0040]步驟2，智能卡進(jìn)場進(jìn)行上電初始化配置:設(shè)定判斷計數(shù)次數(shù)上限CNTJIMES為100次，允許出現(xiàn)的零個數(shù)上限NUMO為3。閾值調(diào)節(jié)的最高閾值Vmax=550mV，最低閾值Vmin=300mV，閾值調(diào)節(jié)步長Λ V=25mV，從最高閾值到最低閾值共11個閾值檔，對應(yīng)Vref_config4比特數(shù)據(jù)A?O。初始化延時等待時間PREJIME為50*(l/f。)，閾值切換等待時間WAIT_TIME為10*(l/f。)，其中fe=13.56MHZ。配置完成后調(diào)節(jié)使能信號有效tune_en為1，閾值初始化為最高閾值；
[0041]步驟3，由延時模塊延時PRE_TIME的時間，確認(rèn)模擬前端電路穩(wěn)定以后，采樣模塊用13.56MHZ的時鐘脈沖采樣模擬前端比較器的輸出，采樣次數(shù)計數(shù)器記錄采樣次數(shù)，零個數(shù)計數(shù)器記錄采集到的零電平的個數(shù)；
[0042]步驟4，判斷模塊根據(jù)兩個計數(shù)器的值與各自的上限值進(jìn)行比較判斷。如果在采樣次數(shù)沒有達(dá)到上限時零的個數(shù)已達(dá)到設(shè)定的上限值，說明現(xiàn)有的閾值太高，調(diào)節(jié)模塊將當(dāng)前閾值減去固定閾值電壓步長得到新的閾值調(diào)節(jié)控制信號Vref_config輸出至模擬前端，由模擬前端完成閾值切換；如果采樣次數(shù)達(dá)到上限但是零的個數(shù)沒有達(dá)到上限值，說明現(xiàn)在的閾值合適；
[0043]步驟5，由延時模塊延時WAITJIME的時間，等待模擬前端電路完成閾值切換，然后繼續(xù)采樣包絡(luò)檢波的輸出與新的閾值比較的結(jié)果；并進(jìn)行下一輪步驟4所述的判斷；
[0044]步驟6，如果閾值達(dá)到最小閾值，或者已經(jīng)得到合適的閾值，則停止調(diào)節(jié)，由判斷模塊輸出tune_over為I,調(diào)節(jié)控制模塊檢測到tune_over信號有效以后使調(diào)節(jié)使能信號tune_en恢復(fù)為0，智能卡等待讀卡器發(fā)送的的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)；
[0045]步驟7,智能卡回復(fù)讀卡器的數(shù)據(jù)之后,重新開始閾值調(diào)節(jié),使能信號tune_en=l,初始閾值仍然是最高閾值，重復(fù)步驟3?6，直到智能卡與讀卡器通信結(jié)束離開磁場。
[0046]本實(shí)施例的硬件電路在中芯國際集成電路制造有限公司ISOnm工藝下進(jìn)行設(shè)計，最終芯片測試可知，針對1.2A/m?8A/m的場強(qiáng)范圍和國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三種天線波形情況，都能選擇最佳的閾值比較得到接近標(biāo)準(zhǔn)的pause寬度的解調(diào)數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)中自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法，由改進(jìn)的非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)完成，其特征在于，根據(jù)不同的場強(qiáng)和天線波形自動調(diào)節(jié)比較器閾值的大小，包括以下步驟: 步驟1，所述解調(diào)系統(tǒng)模擬前端通過整流穩(wěn)壓電路和時鐘恢復(fù)電路由天線接收的RF載波信號中獲取非接觸式智能卡工作需要的直流電壓和時鐘； 步驟2，智能卡進(jìn)場進(jìn)行上電初始化配置； 步驟3，等待一段時間確認(rèn)模擬前端電路穩(wěn)定以后，由時鐘脈沖采樣模擬前端比較器的輸出，記錄采樣次數(shù)和采樣得到的零的個數(shù)； 步驟4，根據(jù)采樣結(jié)果進(jìn)行判斷，如果采樣次數(shù)沒有達(dá)到上限時零的個數(shù)已達(dá)到設(shè)定的上限值，說明現(xiàn)有的閾值太高，從當(dāng)前閾值中減去固定的閾值電壓步長，得到新的閾值；如果采樣次數(shù)達(dá)到上限但是零的個數(shù)沒有達(dá)到上限值，說明當(dāng)前閾值合適，不進(jìn)行閾值調(diào)節(jié); 步驟5，等待一段時間，使模擬前端電路完成閾值切換，然后繼續(xù)采樣包絡(luò)檢波的輸出與新的閾值比較的結(jié)果；并進(jìn)行下一輪步驟4所述的判斷； 步驟6，如果閾值達(dá)到最小閾值，或者已經(jīng)得到合適的閾值，則停止調(diào)節(jié)，本次調(diào)節(jié)結(jié)束，智能卡等待讀卡器發(fā)送的的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)； 步驟7，智能卡回復(fù)讀卡器的數(shù)據(jù)之后，初始化閾值，重新開始閾值調(diào)節(jié)，重復(fù)步驟3~6,直到智能卡與讀卡器 通信結(jié)束離開磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)中自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述閾值調(diào)節(jié)過程在有效通信數(shù)據(jù)到達(dá)之前完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式智能卡解調(diào)系統(tǒng)中自適應(yīng)閾值調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述智能卡進(jìn)場上電初始化配置將閾值初始化為最高值，閾值調(diào)節(jié)由高向低進(jìn)行。
【文檔編號】G06K19/077GK103606001SQ201310586002
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】莊曉青, 林平分, 吳旭文, 胡杰, 裘武龍, 黃廷昭 申請人:北京工業(yè)大學(xué)