用異步收發(fā)器HT6720設(shè)計RFID系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：射頻識別；閱讀器；電子標簽；收發(fā)器；HT6720
１ 主要技術(shù)特點和內(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糾錯檢測碼為１６ｂｉｔ，并帶有ＯＴＰ數(shù)據(jù)存儲器，載波信號頻率為１３．５６ＭＨｚ，典型輸出數(shù)據(jù)波特率?在ＶＤＤ為３Ｖ時?為４ｋｂｐｓ。ＨＴ６７２０的調(diào)制方式為ＰＷＭ／ＡＳＫ?同時內(nèi)置電壓限制器。ＨＴ６７２０特別適用于貨物跟蹤、動物管理、工作人員工作時間記錄、停車場監(jiān)控系統(tǒng)、門禁控制保安系統(tǒng)、防偽設(shè)計等識別卡的應(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，在其外部連接一個電感就可以提供一個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)存儲器、測試和ＥＰＲＯＭ編程電路、系統(tǒng)時鐘產(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ＬＣ振蕩電路。工作時，由閱讀器天線發(fā)射的１３．５６ＭＨｚ載波信號在ＬＣ振蕩回路上將感應(yīng)出一個電壓，如果感應(yīng)的載波場強足夠高，就會產(chǎn)生一個工作電流以使ＨＴ６７２０中的內(nèi)置ＬＣ振蕩器激活，同時應(yīng)答信號?ＯＰＴ存儲器中預(yù)置的程序?就會被串行送出，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)送的信息通常會存儲在一個９６ｂｉｔ的一次性可編程存儲器ＯＰＴ中，該ＯＰＴ帶有１６ｂｉｔ的ＣＲＣ代碼，為客戶預(yù)留的代碼可以達到６４ｂｉｔ。對于一個小型天線來說，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，天線回路越大，匝數(shù)越多，檢測的距離就越遠，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 | 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 | - | - | 電源的負極，接地 |
| 4 | CLK | I | CMOS | 編程器的時鐘輸入端，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)芯片是射頻識別系統(tǒng)的真正數(shù)據(jù)載體。通常，這種電子標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，以便在異步收發(fā)器上的ＬＣ振蕩電路中把載波信號的能量轉(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，當泵電壓達到內(nèi)部ＬＣ振蕩電路的接入電壓時，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)，然后通過單片機來識別信息。ＨＴ６７２０內(nèi)部帶有一個電壓限制器，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存儲空間共有９６ｂｉｔ，ＯＰＴ存儲空間編碼包的格式如圖４所示。
在ＨＴ６７２０所提供的９６ｂｉｔ ＯＰＴ存儲空間中，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，可用來儲存應(yīng)用程序，另有５６ｂｉｔ是產(chǎn)品地址編碼，主要用來存儲客戶號碼和數(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)廠家將注冊號與數(shù)據(jù)一起寫入，還有８ｂｉｔ客戶地址碼可用來儲存客戶當前的號碼，６ｂｉｔ ＣＲＣ循環(huán)冗余檢驗碼用于在無線接口識別傳輸錯誤，但它不能糾正錯誤，只能由寫裝置自動產(chǎn)生。電子標簽主要由異步收發(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。電子標簽是無源裝置，工作時所需的電能可由閱讀器經(jīng)天線發(fā)射１３．５６ＭＨｚ載波信號來提供。
３ 典型應(yīng)用電路設(shè)計
３．１ 制作電子標簽
ＨＴ６７２０異步收發(fā)器的主要用途之一是制作射頻識別系統(tǒng)的電子標簽，電子標簽一般由一個帶有印刷的天線線圈、芯片ＨＴ６７２０和一個殼體的ＰＣＢ板組成。這個殼體根據(jù)需要可以做成各種形狀，電子標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。通常對電子標簽天線的構(gòu)造有兩個基本要求：
(１)閱讀器發(fā)射的電磁波通過標簽天線時應(yīng)能使標簽天線中感應(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)存儲的數(shù)據(jù)。
通常電子標簽屬于只讀型，一旦標簽進入了閱讀器的作用范圍，就開始輸出它自己的特征標記，這個特征標記通常就是個簡單的序列號。這種序列號由９６ｂｉｔ組成，芯片生產(chǎn)廠家保證對每個序列號只賦予唯一的值，但有時對特殊功能也可以進行復(fù)雜的編碼。標簽自己的特征標記在芯片生產(chǎn)過程中已經(jīng)置入了，用戶不能改變這個序列號，也不能改變芯片上的任何數(shù)據(jù)。只讀型電子標簽與閱讀器的通信只能單方向進行，即標簽不斷地將自己的特征標記發(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)只讀標簽。
３．２ 與ＨＴ６７２０標簽配套的閱讀器設(shè)計
一個與ＨＴ６７２０制作的標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)進一步傳輸給另外的系統(tǒng)?如個人計算機、顯示裝置、機器人控制裝置等?。與用ＨＴ６７２０制作的標簽配套使用的閱讀器一般都是只讀型的，當標簽進入閱讀器的響應(yīng)范圍時，首先經(jīng)電磁耦合電路向標簽提供電能，以激活標簽，然后接收標簽發(fā)出的串行數(shù)據(jù)。與用ＨＴ６７２０制作的標簽相配套的閱讀器設(shè)計方案主要有如下兩種：
ａ．二芯片設(shè)計方案
閱讀器的二芯片設(shè)計方案原理框圖如圖６所示，在這種設(shè)計方案中，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，其型號是ＨＴ４８Ｒ０５或ＨＴ４８Ｒ０６Ａ，其中ＨＴ４８Ｒ０５Ａ／ＨＴ４８Ｃ０６是８位高性能精簡指令集單片機，是專門為需要多輸入輸出接口的產(chǎn)品而設(shè)計。這些器件均適用于遙控，它們都有一個暫停功能來降低功耗，另一個控制器芯片用來完成閱讀器特殊功能的控制，設(shè)計時可依據(jù)特殊功能要求選用。
ｂ．單芯片ＭＣＵ設(shè)計方案
在單芯片ＭＣＵ設(shè)計方案中，閱讀器的控制器使用的是單芯片ＭＣＵ控制器，根據(jù)射頻識別系統(tǒng)對閱讀器輸出信息的要求，單芯片ＭＣＵ設(shè)計方案一般也可以有二種選擇：
（１）當閱讀器需要輸出高質(zhì)量聲音和顯示數(shù)據(jù)信息時，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為ＨＴ２１×××、ＨＴ８４×××或ＨＴ８６×××嵌入式ＭＣＵ。該方法采用一個ＭＣＵ控制器就可以完成數(shù)據(jù)解碼和控制功能，同時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，是為有音響效果的多Ｉ／Ｏ接口裝置而設(shè)計的，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。它有一個既可用下降沿也可用上升沿觸發(fā)的外部中斷源和一個高精度的Ｄ／Ａ輸出端。該閱讀器設(shè)計方案適用于需要高質(zhì)量語音輸出和顯示的射頻識別系統(tǒng)。
（２）當閱讀器不需要高質(zhì)量語音輸出和驅(qū)動復(fù)雜顯示時，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，同時也是一款高效率、精簡指令集的八位高性能單片機，可選的具體型號有ＨＴ４９Ｒ３０Ａ－Ａ或ＨＴ４９Ｃ３０Ａ－Ａ的ＯＴＰ版本。它采用單周期指令和二級流水線結(jié)構(gòu)，因而更適合于高速應(yīng)用，同時也適用于多種ＬＣＤ低功耗驅(qū)動應(yīng)用。
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