用异步收发器HT6720设计RFID系统

   摘要：HT6720是可在射频识别系统中制作电子标签的专用集成电路，工作频率为13.56MHz，属于中频识别芯片。该芯片内置96bit OPT存储器，且为只读型。由于HT6720所需要的数据载体结构简单，因此，通过HT6720可用极低的成本生产只读标签和设计射频识别系统。

    关键词：射频识别；阅读器；电子标签；收发器；HT6720

１　主要技术特点和内部结构

异步收发器ＨＴ６７２０具有非常低的工作电流。该器件在ＶＤＤ为３Ｖ时的工作电流仅为４μＡ，而且工作电压范围很宽，其数据传输仅工作在只读方式。用户可编程数据最多为６４ｂｉｔ?ＣＲＣ纠错检测码为１６ｂｉｔ，并带有ＯＴＰ数据存储器，载波信号频率为１３．５６ＭＨｚ，典型输出数据波特率?在ＶＤＤ为３Ｖ时?为４ｋｂｐｓ。ＨＴ６７２０的调制方式为ＰＷＭ／ＡＳＫ?同时内置电压限制器。ＨＴ６７２０特别适用于货物跟踪、动物管理、工作人员工作时间记录、停车场监控系统、门禁控制保安系统、防伪设计等识别卡的应用方面。

    ＨＴ６７２０是一种内置１３．５６ＭＨｓ ＲＦ载波的ＲＦ异步收发集成电路，在其外部连接一个电感就可以提供一个低成本无电池异步收发器解决方案，ＨＴ６７２０的内部结构如图１所示。ＨＴ６７２０芯片的内部由ＶＣＣ限制和ＲＦ电平限制、移位寄存器、ＥＰＲＯＭ数据存储器、测试和ＥＰＲＯＭ编程电路、系统时钟产生电路、数据处理电路、通用复位电路和ＰＷＭ／ＡＳＫ调制等功能电路组成。外部电路中的电感和内部的电容组成了一个ＬＣ振荡电路。工作时，由阅读器天线发射的１３．５６ＭＨｚ载波信号在ＬＣ振荡回路上将感应出一个电压，如果感应的载波场强足够高，就会产生一个工作电流以使ＨＴ６７２０中的内置ＬＣ振荡器激活，同时应答信号?ＯＰＴ存储器中预置的程序?就会被串行送出，从而发送出使用ＰＷＭ／ＡＳＫ调制的应答数据，最后通过ＬＣ振荡回路的衰减获得固定波特率的１３．５６ＭＨｚ载波。

被发送的信息通常会存储在一个９６ｂｉｔ的一次性可编程存储器ＯＰＴ中，该ＯＰＴ带有１６ｂｉｔ的ＣＲＣ代码，为客户预留的代码可以达到６４ｂｉｔ。对于一个小型天线来说，其有效的检测距离是２～１０ｃｍ?检测距离取决于天线的外形尺寸和阅读器的设计，天线回路越大，匝数越多，检测的距离就越远，要获得１５ｃｍ的检测距离，就要用更长的天线。ＨＴ６７２０集成电路为ＲＦ检测系统提供了低成本且非常有效的解决方案，而且它还为客户提供了６４ｂｉｔ宽的代码区域，从而可由指定的程序员非常方便地编写程序。ＨＴ６７２０芯片的外形尺寸和管脚排列如图２所示，各管脚的功能说明如表１所列。

表1 管脚功能说明

管脚号	管脚名	接  口	内部连接	功 能 说 明
1	HF2	I/O	CMOS	通常工作情况与天线线圈相连，打开数据程序
2	HF1	I/O	CMOS	通常工作情况与天线线圈相连，为程序的数据I/O
3	VSS	-	-	电源的负极，接地
4	CLK	I	CMOS	编程器的时钟输入端，通常情况开路
5	VAP	I	-	为编程器提供的高压电源输入端，通常情况开路
6	VDD	-	-	为编程器提供的+5V电源输入端，通常情况开路

２　由ＨＴ６７２０组成的ＲＦＩＤ系统

由ＨＴ６７２０组成的ＲＦＩＤ系统结构如图３所示，其中异步收发芯片是射频识别系统的真正数据载体。通常，这种电子标签没有自己的供电电源?电池?，只是在阅读器的响应范围之内应答器才是有源的，应答器工作所需的能量是通过非接触的耦合元件传输给应答器的。阅读器先从天线发射１３．５６ＭＨｚ的载波信号，以便在异步收发器上的ＬＣ振荡电路中把载波信号的能量转变成电压形式，从而为内部带泵电路的异步收发器芯片提供电源。如果感应的电压足够高，当泵电压达到内部ＬＣ振荡电路的接入电压时，被激活的异步收发器连续发送它内部的数据。阅读器用检测天线上能量变化的方式来接收异步收发器的数据，然后通过单片机来识别信息。ＨＴ６７２０内部带有一个电压限制器，可用来防止ＬＣ振荡器的感应电压以及ＲＦ电平超过允许值而造成的芯片损坏或功能不正常。

ＨＴ６７２０芯片上的ＯＰＴ存储空间共有９６ｂｉｔ，ＯＰＴ存储空间编码包的格式如图４所示。

在ＨＴ６７２０所提供的９６ｂｉｔ ＯＰＴ存储空间中，有６４ｂｉｔ编码区域是留给客户编程用的，这部分可由客户自己决定，其中有８ｂｉｔ是分类地址编码，可用来储存应用程序，另有５６ｂｉｔ是产品地址编码，主要用来存储客户号码和数据内容；此外，还有８ｂｉｔ是代理人的地址码，该码通常已在芯片生产厂家将注册号与数据一起写入，还有８ｂｉｔ客户地址码可用来储存客户当前的号码，６ｂｉｔ ＣＲＣ循环冗余检验码用于在无线接口识别传输错误，但它不能纠正错误，只能由写装置自动产生。电子标签主要由异步收发器芯片和天线线圈组成，最简单的阅读器是由ＲＦ振荡器、接收器和控制器加天线组成。电子标签是无源装置，工作时所需的电能可由阅读器经天线发射１３．５６ＭＨｚ载波信号来提供。

３　典型应用电路设计

３．１ 制作电子标签

ＨＴ６７２０异步收发器的主要用途之一是制作射频识别系统的电子标签，电子标签一般由一个带有印刷的天线线圈、芯片ＨＴ６７２０和一个壳体的ＰＣＢ板组成。这个壳体根据需要可以做成各种形状，电子标签壳体的常用形状如图５所示。天线线圈的两端分别和芯片的管脚ＨＦ１、ＨＦ２相连，电感值为１１μＨ，但在芯片制作过程中，由于工艺上的原因，内部谐振电容参数?典型值１０ｐＦ?会稍微发生变化，因此线圈电感量的最佳值也要跟着改变。通常对电子标签天线的构造有两个基本要求：

    (１)阅读器发射的电磁波通过标签天线时应能使标签天线中感应出最大的电流，且功率要匹配，以最大程度地利用接收到的能量。

(２)要有足够的频带宽度，能够无失真的接收能量和发送芯片内存储的数据。

通常电子标签属于只读型，一旦标签进入了阅读器的作用范围，就开始输出它自己的特征标记，这个特征标记通常就是个简单的序列号。这种序列号由９６ｂｉｔ组成，芯片生产厂家保证对每个序列号只赋予唯一的值，但有时对特殊功能也可以进行复杂的编码。标签自己的特征标记在芯片生产过程中已经置入了，用户不能改变这个序列号，也不能改变芯片上的任何数据。只读型电子标签与阅读器的通信只能单方向进行，即标签不断地将自己的特征标记发送给阅读器，而从阅读器到应答器的数据传输是不可能的。由于所需要的数据载体结构简单，所以可以用极低的成本生产只读标签。

３．２ 与ＨＴ６７２０标签配套的阅读器设计

一个与ＨＴ６７２０制作的标签相配套的典型阅读器一般都含有高频模块?发射器和接收器组成?、控制单元以及与标签电磁耦合元件。此外，许多阅读器还具有附加的接口（如ＲＳ－２３２和ＲＳ－４８５等），以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统?如个人计算机、显示装置、机器人控制装置等?。与用ＨＴ６７２０制作的标签配套使用的阅读器一般都是只读型的，当标签进入阅读器的响应范围时，首先经电磁耦合电路向标签提供电能，以激活标签，然后接收标签发出的串行数据。与用ＨＴ６７２０制作的标签相配套的阅读器设计方案主要有如下两种：

ａ．二芯片设计方案

阅读器的二芯片设计方案原理框图如图６所示，在这种设计方案中，阅读器都使用二片控制器芯片，其中一片是低成本的数据解码和系统控制ＭＣＵ芯片，其型号是ＨＴ４８Ｒ０５或ＨＴ４８Ｒ０６Ａ，其中ＨＴ４８Ｒ０５Ａ／ＨＴ４８Ｃ０６是８位高性能精简指令集单片机，是专门为需要多输入输出接口的产品而设计。这些器件均适用于遥控，它们都有一个暂停功能来降低功耗，另一个控制器芯片用来完成阅读器特殊功能的控制，设计时可依据特殊功能要求选用。

ｂ．单芯片ＭＣＵ设计方案

    在单芯片ＭＣＵ设计方案中，阅读器的控制器使用的是单芯片ＭＣＵ控制器，根据射频识别系统对阅读器输出信息的要求，单芯片ＭＣＵ设计方案一般也可以有二种选择：

（１）当阅读器需要输出高质量声音和显示数据信息时，可选用图７(ａ)的方法。该方法中的阅读器控制器使用的芯片系列型号为ＨＴ２１×××、ＨＴ８４×××或ＨＴ８６×××嵌入式ＭＣＵ。该方法采用一个ＭＣＵ控制器就可以完成数据解码和控制功能，同时也可以完成阅读器控制功能及数据、语音和ＬＣＤ显示处理功能。ＨＴ８６×××系列ＭＣＵ是带有语音合成和双音频产生器的高性能８位单片机，是为有音响效果的多Ｉ／Ｏ接口装置而设计的，它可以提供多种取样频率和语音电平、语音合成和悦耳的旋律节奏。它有一个既可用下降沿也可用上升沿触发的外部中断源和一个高精度的Ｄ／Ａ输出端。该阅读器设计方案适用于需要高质量语音输出和显示的射频识别系统。

    （２）当阅读器不需要高质量语音输出和驱动复杂显示时，可选择图７(ｂ)所示方案。该方案中的阅读器使用的ＭＣＵ为ＨＴ４８×××或ＨＴ４９×××系列单片机控制器，其中ＨＴ４９×××系列带有多Ｉ／Ｏ接口，是带ＬＣＤ显示的多功能单片机，同时也是一款高效率、精简指令集的八位高性能单片机，可选的具体型号有ＨＴ４９Ｒ３０Ａ－Ａ或ＨＴ４９Ｃ３０Ａ－Ａ的ＯＴＰ版本。它采用单周期指令和二级流水线结构，因而更适合于高速应用，同时也适用于多种ＬＣＤ低功耗驱动应用。