用異步收發(fā)器HT6720設(shè)計(jì)RFID系統(tǒng)

   摘要：HT6720是可在射頻識(shí)別系統(tǒng)中制作電子標(biāo)簽的專用集成電路，工作頻率為13.56MHz，屬于中頻識(shí)別芯片。該芯片內(nèi)置96bit OPT存儲(chǔ)器，且為只讀型。由于HT6720所需要的數(shù)據(jù)載體結(jié)構(gòu)簡單，因此，通過HT6720可用極低的成本生產(chǎn)只讀標(biāo)簽和設(shè)計(jì)射頻識(shí)別系統(tǒng)。

    關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；閱讀器；電子標(biāo)簽；收發(fā)器；HT6720

１　主要技術(shù)特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

異步收發(fā)器ＨＴ６７２０具有非常低的工作電流。該器件在ＶＤＤ為３Ｖ時(shí)的工作電流僅為４μＡ，而且工作電壓范圍很寬，其數(shù)據(jù)傳輸僅工作在只讀方式。用戶可編程數(shù)據(jù)最多為６４ｂｉｔ?ＣＲＣ糾錯(cuò)檢測碼為１６ｂｉｔ，并帶有ＯＴＰ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，載波信號(hào)頻率為１３．５６ＭＨｚ，典型輸出數(shù)據(jù)波特率?在ＶＤＤ為３Ｖ時(shí)?為４ｋｂｐｓ。ＨＴ６７２０的調(diào)制方式為ＰＷＭ／ＡＳＫ?同時(shí)內(nèi)置電壓限制器。ＨＴ６７２０特別適用于貨物跟蹤、動(dòng)物管理、工作人員工作時(shí)間記錄、停車場監(jiān)控系統(tǒng)、門禁控制保安系統(tǒng)、防偽設(shè)計(jì)等識(shí)別卡的應(yīng)用方面。

    ＨＴ６７２０是一種內(nèi)置１３．５６ＭＨｓ ＲＦ載波的ＲＦ異步收發(fā)集成電路，在其外部連接一個(gè)電感就可以提供一個(gè)低成本無電池異步收發(fā)器解決方案，ＨＴ６７２０的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示。ＨＴ６７２０芯片的內(nèi)部由ＶＣＣ限制和ＲＦ電平限制、移位寄存器、ＥＰＲＯＭ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、測試和ＥＰＲＯＭ編程電路、系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路、數(shù)據(jù)處理電路、通用復(fù)位電路和ＰＷＭ／ＡＳＫ調(diào)制等功能電路組成。外部電路中的電感和內(nèi)部的電容組成了一個(gè)ＬＣ振蕩電路。工作時(shí)，由閱讀器天線發(fā)射的１３．５６ＭＨｚ載波信號(hào)在ＬＣ振蕩回路上將感應(yīng)出一個(gè)電壓，如果感應(yīng)的載波場強(qiáng)足夠高，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)工作電流以使ＨＴ６７２０中的內(nèi)置ＬＣ振蕩器激活，同時(shí)應(yīng)答信號(hào)?ＯＰＴ存儲(chǔ)器中預(yù)置的程序?就會(huì)被串行送出，從而發(fā)送出使用ＰＷＭ／ＡＳＫ調(diào)制的應(yīng)答數(shù)據(jù)，最后通過ＬＣ振蕩回路的衰減獲得固定波特率的１３．５６ＭＨｚ載波。

被發(fā)送的信息通常會(huì)存儲(chǔ)在一個(gè)９６ｂｉｔ的一次性可編程存儲(chǔ)器ＯＰＴ中，該ＯＰＴ帶有１６ｂｉｔ的ＣＲＣ代碼，為客戶預(yù)留的代碼可以達(dá)到６４ｂｉｔ。對(duì)于一個(gè)小型天線來說，其有效的檢測距離是２～１０ｃｍ?檢測距離取決于天線的外形尺寸和閱讀器的設(shè)計(jì)，天線回路越大，匝數(shù)越多，檢測的距離就越遠(yuǎn)，要獲得１５ｃｍ的檢測距離，就要用更長的天線。ＨＴ６７２０集成電路為ＲＦ檢測系統(tǒng)提供了低成本且非常有效的解決方案，而且它還為客戶提供了６４ｂｉｔ寬的代碼區(qū)域，從而可由指定的程序員非常方便地編寫程序。ＨＴ６７２０芯片的外形尺寸和管腳排列如圖２所示，各管腳的功能說明如表１所列。

表1 管腳功能說明

管腳號(hào)	管腳名	接  口	內(nèi)部連接	功 能 說 明
1	HF2	I/O	CMOS	通常工作情況與天線線圈相連，打開數(shù)據(jù)程序
2	HF1	I/O	CMOS	通常工作情況與天線線圈相連，為程序的數(shù)據(jù)I/O
3	VSS	-	-	電源的負(fù)極，接地
4	CLK	I	CMOS	編程器的時(shí)鐘輸入端，通常情況開路
5	VAP	I	-	為編程器提供的高壓電源輸入端，通常情況開路
6	VDD	-	-	為編程器提供的+5V電源輸入端，通常情況開路

２　由ＨＴ６７２０組成的ＲＦＩＤ系統(tǒng)

由ＨＴ６７２０組成的ＲＦＩＤ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖３所示，其中異步收發(fā)芯片是射頻識(shí)別系統(tǒng)的真正數(shù)據(jù)載體。通常，這種電子標(biāo)簽沒有自己的供電電源?電池?，只是在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)應(yīng)答器才是有源的，應(yīng)答器工作所需的能量是通過非接觸的耦合元件傳輸給應(yīng)答器的。閱讀器先從天線發(fā)射１３．５６ＭＨｚ的載波信號(hào)，以便在異步收發(fā)器上的ＬＣ振蕩電路中把載波信號(hào)的能量轉(zhuǎn)變成電壓形式，從而為內(nèi)部帶泵電路的異步收發(fā)器芯片提供電源。如果感應(yīng)的電壓足夠高，當(dāng)泵電壓達(dá)到內(nèi)部ＬＣ振蕩電路的接入電壓時(shí)，被激活的異步收發(fā)器連續(xù)發(fā)送它內(nèi)部的數(shù)據(jù)。閱讀器用檢測天線上能量變化的方式來接收異步收發(fā)器的數(shù)據(jù)，然后通過單片機(jī)來識(shí)別信息。ＨＴ６７２０內(nèi)部帶有一個(gè)電壓限制器，可用來防止ＬＣ振蕩器的感應(yīng)電壓以及ＲＦ電平超過允許值而造成的芯片損壞或功能不正常。

ＨＴ６７２０芯片上的ＯＰＴ存儲(chǔ)空間共有９６ｂｉｔ，ＯＰＴ存儲(chǔ)空間編碼包的格式如圖４所示。

在ＨＴ６７２０所提供的９６ｂｉｔ ＯＰＴ存儲(chǔ)空間中，有６４ｂｉｔ編碼區(qū)域是留給客戶編程用的，這部分可由客戶自己決定，其中有８ｂｉｔ是分類地址編碼，可用來儲(chǔ)存應(yīng)用程序，另有５６ｂｉｔ是產(chǎn)品地址編碼，主要用來存儲(chǔ)客戶號(hào)碼和數(shù)據(jù)內(nèi)容；此外，還有８ｂｉｔ是代理人的地址碼，該碼通常已在芯片生產(chǎn)廠家將注冊號(hào)與數(shù)據(jù)一起寫入，還有８ｂｉｔ客戶地址碼可用來儲(chǔ)存客戶當(dāng)前的號(hào)碼，６ｂｉｔ ＣＲＣ循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼用于在無線接口識(shí)別傳輸錯(cuò)誤，但它不能糾正錯(cuò)誤，只能由寫裝置自動(dòng)產(chǎn)生。電子標(biāo)簽主要由異步收發(fā)器芯片和天線線圈組成，最簡單的閱讀器是由ＲＦ振蕩器、接收器和控制器加天線組成。電子標(biāo)簽是無源裝置，工作時(shí)所需的電能可由閱讀器經(jīng)天線發(fā)射１３．５６ＭＨｚ載波信號(hào)來提供。

３　典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

３．１ 制作電子標(biāo)簽

ＨＴ６７２０異步收發(fā)器的主要用途之一是制作射頻識(shí)別系統(tǒng)的電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽一般由一個(gè)帶有印刷的天線線圈、芯片ＨＴ６７２０和一個(gè)殼體的ＰＣＢ板組成。這個(gè)殼體根據(jù)需要可以做成各種形狀，電子標(biāo)簽殼體的常用形狀如圖５所示。天線線圈的兩端分別和芯片的管腳ＨＦ１、ＨＦ２相連，電感值為１１μＨ，但在芯片制作過程中，由于工藝上的原因，內(nèi)部諧振電容參數(shù)?典型值１０ｐＦ?會(huì)稍微發(fā)生變化，因此線圈電感量的最佳值也要跟著改變。通常對(duì)電子標(biāo)簽天線的構(gòu)造有兩個(gè)基本要求：

    (１)閱讀器發(fā)射的電磁波通過標(biāo)簽天線時(shí)應(yīng)能使標(biāo)簽天線中感應(yīng)出最大的電流，且功率要匹配，以最大程度地利用接收到的能量。

(２)要有足夠的頻帶寬度，能夠無失真的接收能量和發(fā)送芯片內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

通常電子標(biāo)簽屬于只讀型，一旦標(biāo)簽進(jìn)入了閱讀器的作用范圍，就開始輸出它自己的特征標(biāo)記，這個(gè)特征標(biāo)記通常就是個(gè)簡單的序列號(hào)。這種序列號(hào)由９６ｂｉｔ組成，芯片生產(chǎn)廠家保證對(duì)每個(gè)序列號(hào)只賦予唯一的值，但有時(shí)對(duì)特殊功能也可以進(jìn)行復(fù)雜的編碼。標(biāo)簽自己的特征標(biāo)記在芯片生產(chǎn)過程中已經(jīng)置入了，用戶不能改變這個(gè)序列號(hào)，也不能改變芯片上的任何數(shù)據(jù)。只讀型電子標(biāo)簽與閱讀器的通信只能單方向進(jìn)行，即標(biāo)簽不斷地將自己的特征標(biāo)記發(fā)送給閱讀器，而從閱讀器到應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸是不可能的。由于所需要的數(shù)據(jù)載體結(jié)構(gòu)簡單，所以可以用極低的成本生產(chǎn)只讀標(biāo)簽。

３．２ 與ＨＴ６７２０標(biāo)簽配套的閱讀器設(shè)計(jì)

一個(gè)與ＨＴ６７２０制作的標(biāo)簽相配套的典型閱讀器一般都含有高頻模塊?發(fā)射器和接收器組成?、控制單元以及與標(biāo)簽電磁耦合元件。此外，許多閱讀器還具有附加的接口（如ＲＳ－２３２和ＲＳ－４８５等），以便將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸給另外的系統(tǒng)?如個(gè)人計(jì)算機(jī)、顯示裝置、機(jī)器人控制裝置等?。與用ＨＴ６７２０制作的標(biāo)簽配套使用的閱讀器一般都是只讀型的，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的響應(yīng)范圍時(shí)，首先經(jīng)電磁耦合電路向標(biāo)簽提供電能，以激活標(biāo)簽，然后接收標(biāo)簽發(fā)出的串行數(shù)據(jù)。與用ＨＴ６７２０制作的標(biāo)簽相配套的閱讀器設(shè)計(jì)方案主要有如下兩種：

ａ．二芯片設(shè)計(jì)方案

閱讀器的二芯片設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖６所示，在這種設(shè)計(jì)方案中，閱讀器都使用二片控制器芯片，其中一片是低成本的數(shù)據(jù)解碼和系統(tǒng)控制ＭＣＵ芯片，其型號(hào)是ＨＴ４８Ｒ０５或ＨＴ４８Ｒ０６Ａ，其中ＨＴ４８Ｒ０５Ａ／ＨＴ４８Ｃ０６是８位高性能精簡指令集單片機(jī)，是專門為需要多輸入輸出接口的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)。這些器件均適用于遙控，它們都有一個(gè)暫停功能來降低功耗，另一個(gè)控制器芯片用來完成閱讀器特殊功能的控制，設(shè)計(jì)時(shí)可依據(jù)特殊功能要求選用。

ｂ．單芯片ＭＣＵ設(shè)計(jì)方案

    在單芯片ＭＣＵ設(shè)計(jì)方案中，閱讀器的控制器使用的是單芯片ＭＣＵ控制器，根據(jù)射頻識(shí)別系統(tǒng)對(duì)閱讀器輸出信息的要求，單芯片ＭＣＵ設(shè)計(jì)方案一般也可以有二種選擇：

（１）當(dāng)閱讀器需要輸出高質(zhì)量聲音和顯示數(shù)據(jù)信息時(shí)，可選用圖７(ａ)的方法。該方法中的閱讀器控制器使用的芯片系列型號(hào)為ＨＴ２１×××、ＨＴ８４×××或ＨＴ８６×××嵌入式ＭＣＵ。該方法采用一個(gè)ＭＣＵ控制器就可以完成數(shù)據(jù)解碼和控制功能，同時(shí)也可以完成閱讀器控制功能及數(shù)據(jù)、語音和ＬＣＤ顯示處理功能。ＨＴ８６×××系列ＭＣＵ是帶有語音合成和雙音頻產(chǎn)生器的高性能８位單片機(jī)，是為有音響效果的多Ｉ／Ｏ接口裝置而設(shè)計(jì)的，它可以提供多種取樣頻率和語音電平、語音合成和悅耳的旋律節(jié)奏。它有一個(gè)既可用下降沿也可用上升沿觸發(fā)的外部中斷源和一個(gè)高精度的Ｄ／Ａ輸出端。該閱讀器設(shè)計(jì)方案適用于需要高質(zhì)量語音輸出和顯示的射頻識(shí)別系統(tǒng)。

    （２）當(dāng)閱讀器不需要高質(zhì)量語音輸出和驅(qū)動(dòng)復(fù)雜顯示時(shí)，可選擇圖７(ｂ)所示方案。該方案中的閱讀器使用的ＭＣＵ為ＨＴ４８×××或ＨＴ４９×××系列單片機(jī)控制器，其中ＨＴ４９×××系列帶有多Ｉ／Ｏ接口，是帶ＬＣＤ顯示的多功能單片機(jī)，同時(shí)也是一款高效率、精簡指令集的八位高性能單片機(jī)，可選的具體型號(hào)有ＨＴ４９Ｒ３０Ａ－Ａ或ＨＴ４９Ｃ３０Ａ－Ａ的ＯＴＰ版本。它采用單周期指令和二級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，因而更適合于高速應(yīng)用，同時(shí)也適用于多種ＬＣＤ低功耗驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。