用異步收發(fā)器HT6720設計RFID系統(tǒng)

關鍵詞：射頻識別；閱讀器；電子標簽；收發(fā)器；HT6720

１　主要技術特點和內部結構

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的調制方式為ＰＷＭ／ＡＳＫ?同時內置電壓限制器。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)、防偽設計等識別卡的應用方面。

ＨＴ６７２０是一種內置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的內部結構如圖１所示。ＨＴ６７２０芯片的內部由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、通用復位電路和ＰＷＭ／ＡＳＫ調制等功能電路組成。外部電路中的電感和內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振蕩回路上將感應出一個電壓，如果感應的載波場強足夠高，就會產(chǎn)生一個工作電流以使ＨＴ６７２０中的內置ＬＣ振蕩器激活，同時應答信號?ＯＰＴ存儲器中預置的程序?就會被串行送出，從而發(fā)送出使用ＰＷＭ／ＡＳＫ調制的應答數(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

２　由ＨＴ６７２０組成的ＲＦＩＤ系統(tǒng)

由ＨＴ６７２０組成的ＲＦＩＤ系統(tǒng)結構如圖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范圍之內應答器才是有源的，應答器工作所需的能量是通過非接觸的耦合元件傳輸給應答器的。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變成電壓形式，從而為內部帶泵電路的異步收發(fā)器芯片提供電源。如果感應的電壓足夠高，當泵電壓達到內部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內部帶有一個電壓限制器，可用來防止ＬＣ振蕩器的感應電壓以及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　典型應用電路設計

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能使標簽天線中感應出最大的電流，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)載體結構簡單，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計方案主要有如下兩種：

ａ．二芯片設計方案

閱讀器的二芯片設計方案原理框圖如圖６所示，在這種設計方案中，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，設計時可依據(jù)特殊功能要求選用。

ｂ．單芯片ＭＣＵ設計方案

在單芯片ＭＣＵ設計方案中，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設計方案一般也可以有二種選擇：

（１）當閱讀器需要輸出高質量聲音和顯示數(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。該閱讀器設計方案適用于需要高質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量語音輸出和驅動復雜顯示時，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構，因而更適合于高速應用，同時也適用于多種ＬＣＤ低功耗驅動應用。