射频卡基站芯片U2270B的原理及应用

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⊕新特器件应用《国外电子元器件》2004年第1期2004年1月

射频卡基站芯片U2270B的原理及应用*

贾振国，许琳，谷春苗

(长春工程学院，吉林长春130012)

摘要：发射频率为125kHz的射频卡基站芯片。文中详细介绍U2270B是由美国TEMIC公司生产的、

了U2270B的内部结构、引脚描述和基本功能，给出了U2270B的典型应用电路，同时结合工程实践探讨了使用该芯片时应注意的问题。

关键词：射频卡；基站；U2270B

分类号：文献标识码：TP333.5B文章编号：（2004）1006-697701-0066-03

ThePrincipleandApplicationofRFBaseStationICU2270B

JIAZhen-guo,XULin，GUChun-miao

Abstract:U2270BisaRFbasestationICat125kHzfrequency,anditisproducedbyTEMICsemiconduc-tors.TheinternalstructureandpinfunctionofU2270Baredescribedinthispaper.Atthesametime,theapplica-tionofU2270Bandtheprobleminpracticaldesignareintroduced.

Keywords:RF;basestation;U2270B1引言

近年来，射频卡（即非接触IC卡）技术得到了快及数据的解调任务。在众多的射频卡基站芯片中，先由美国TEMIC公司生产,后转由ATMEL公司生产的U2270B是一种低成本、性能完善的低频（100～

射频卡基站芯片，其主要特点如下：150kHz）

⊕载波振荡器能产生100kHz～150kHz的振荡

频率，并可通过外接电阻进行精确调整，其典型应用

频率为125kHz。

（125kHz时）。⊕典型数据传输速率为5kbps

⊕适用于曼彻斯特编码和双相位编码。

可与单片机直接连接。⊕带有微处理器接口，

⊕供电方式灵活，可以采用+5V直流供电，也

可以采用汽车用+12V供电，同时具有电压输出功

能，可以给微处理器或其它外围电路供电。

⊕具有低功耗待机模式，可以极大地降低基站

的耗电量。

⊕125kHz时的典型读写距离为15mm。

⊕适用于对TEMIC的e5530/e5550/e5560射频

卡进行读写操作。速发展，并在电子商务、智能小区、公交管理、身份识别、安全保卫等诸多领域得到了广泛的应用。在吉林省教育厅项目“高等学校学生公寓水电监控管理系统”中，笔者成功地将射频卡与水表和智能电能计量装置相结合，从而实现了学校用水、用电的定量监控管理，收到了良好的效果。由于射频卡在使用中的非接触特点，卡本身工作所需要的能量需要读写器非接触供给。因此，射频卡应用系统由射频卡和射频卡读写器两部分构成，图1所示是该应用系统的组成框图。

图1射频卡应用系统的组成2引脚说明与内部结构

射频卡读写器的关键芯片是射频卡基站芯片，

它主要用于完成数据的调制、发射和射频的接收以

*吉林省教育厅基金资助项目2.1引脚功能引脚定U2270B采用16脚SO16贴片封装形式，

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图2U2270B的引脚定义

义如图2所示，各引脚功能见表1所列。

2.2U2270B的内部结构

U2270B内部由振荡器、天线驱动器、

电源供给电路、频率调节电路、低通滤波

电路、高通滤波电路、输出控制电路等部分组成，其内部结构框图如图3所示。

2.3数据的读写过程

通过调整U2270B的RF引脚所接电阻的大小，可以将内部振荡频率固定在125kHz，然后通过天线驱动器的放大作用，在天线附近形成125kHz的射频场

（参见图

1

），当射频卡进入该射频场内时，由于电磁感应的作用，在射频卡的天线端会产生感应电势，该感应电势也是射频卡的能量来源。

数据写入射频卡采用场间隙方式，即由数据的“0”和“1”控制振荡器的启振和停振，并由天线产生带有窄间歇的射频场，不同的场宽度分别代表数据“0”和“1”,这样完成将基站发射的数据写入射频卡

表1

引脚号

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16U2270B引脚功能描述功能符号功能描述GNDOutputInputMSCFEDGNDCOIL2COIL1VEXTDVsVBattStandbyVsRFHIPASS模拟地数据输出数据输出使能数据输入共模/差分模式选择载波使能数字地天线驱动2天线驱动1外部电源供给驱动电压电池供电待机模式控制内部电源供给射频频率调整高通滤波电容图4由射频场产生的数据流示意图图3U2270B的内部结构框图的过程，对场的控制可通过控制芯片的第6脚（CFE端）来实现，由射频场产生的数据流如图4所示。由射频卡返回的数据流可采用对射频卡天线的负载调制方式来实现。射频卡的负载调制会在基站天线上产生微弱的调幅，这样，通过二极管对基站天线电压的解调即可回收射频卡调制数据流。应当说明，与U2270B配套的射频卡（e5550等）返回的数据流采用的是曼彻斯特编码形式。由于U2270B不能完成曼彻斯特编码的解调，因此解调工作必须由微处理器来完成，这也是U2270B的不足之处。3典型应用电路图5是采用U2270B的短距离紧密耦合型应用电路，其中微处理器AT89C4051用来承担数据的发射以及回收数据的曼彻斯特解码任务，发射数据由AT89C4051控制CFE端来实现，接收的曼彻斯特编码数据则通过基站的Output引脚输出给必须AT89C4051。在编制发射和接收数据的程序时，严格按照相应射频卡的通信规约来进行。4使用注意事项4.1天线的选择与连接假定基站天线采用铜制漆包线绕制，天线回路

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图5U2270B的典型应用电路

的直径D远大于漆包线的直径（d一般在1000倍以上），此时可以采用下面公式来进行天线参数的设计：

L=N2u0Rln(2R/d)

其中：L为天线回路的电感量。

N为天线线圈的匝数。

u0为磁场常数，其值为1.257×10-6Vs/Am。R为天线回路的半径。

d是漆包线的直径。

按照图5电路，如取L=1.3mH，R=5cm，d=0.21mm，则所需绕制的天线匝数为116匝。

将U2270B的天线驱动端COIL1、COIL2与电阻、天线和电容构成的串联谐振回路相连，可以在天线已经确定的前提下，通过下式来选择适当的电容C，以使得谐振频率与基站的工作频率相同。

f0=1/[2π(LC)1/2]

其中：L为天线线圈的电感量。

C是与天线串联的电容。

f0为谐振频率。

当L取为1.35mH，f0为125kHz时，电容C应为1.2nF。

4.2品质因数Q对天线传输带宽的影响

在使用U2270B作基站的射频卡应用系统时，如果选择较高品质因数（即Q值）的天线，虽然会增大天线线圈中的电流强度，提高向射频卡传送功率的效率。但是，由于天线的传输带宽与天线的品质因数Q成反比，而过高的Q值会明显的缩小天线的传输带宽，从而导致射频卡的解调困难。因此，使用U2270射频卡基站芯片设计射频卡应用系统时应综合考虑天线的品质因数。4.3调试过程中的常见问题和解决方法在调试过程中，经常遇到的问题是从射频卡接收回来的曼彻斯特编码数据不稳定。理论上，在射频场范围内无射频卡存在时，从基站天线回收的信号经过芯片内部的低通滤波和高通滤波回路时，在Output端不应该有脉冲信号输出，但在实际使用时，经示波器观察发现：Output引脚总是有100Hz左右的不稳定信号输出。当射频卡进入射频场区域时，用逻辑分析仪捕捉到的是极不稳定的编码信号，有时甚至无法从中解调出数据。为此，可对HIPASS端的电容进行调整，同时在该端对地接一个3MΩ左右的电阻，这样，就可以接收到稳定的曼彻斯特编码并解调出稳定的数据。对于图5所示的应用电路，射频卡与基站的距离在15mm左右时是比较有效的。若想增大读写距离，可通过增加桥式二极管反馈电路来实现，限于篇幅，在此不再赘述。参考文献[1]TEMICSemiconductors,Read/WriteBaseStationICU2270BDataSheet,2002.[2]陈大才.射频识别（RFID）技术[M].北京：电子工业出版社，2001，6.[3]黎连业.智能小区九大系统设计与实现[M].北京：科学出版社，2003，3.收稿日期：2003-06-18咨询编号：040124"====================="=《国外电子元器件》杂志社==补订及更址启

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