125k_RFID技术

125KHzRFID技术 125KHzRFID系统采用方式工作 由于应答器成本低 非金属材料和水对该频率的射频具有较低的吸收率 所以125KHzRFID系统在动物识别 工业和民用水表等领域获得广泛应用 电感耦合 一 e5551应答器芯片 1 e5551芯片的性能和电路组成 1 主要技术性能e5551芯片是Atmel公司生产的非接触式 无源 可读写 具有防碰撞能力的RFID器件 中心工作频率为 具有以下主要特性 125K 低功耗 低工作电压 非接触能量供给和读写数据 工作频率范围为100 150KHz EEPROM存储器容量为264bit 分8块 每块33位 具有7块用户数据 每块32位 共224位 具有块写保护 采用请求应答实现防碰撞 完成块写和检验的时间小于50ms 可编程选择传输速率和编码调制方式 可工作于密码方式 2 内部电路结构 e5551芯片的内部电路组成框图如下 该图给出了e5551芯片和读写器之间的耦合方式 读写器向e5551芯片传送射频能量和读写命令 同时接收e5551芯片以负载调制方式送来的数据信号 e5551芯片由模拟前端 写解码 比特率产生器 调制器 模式寄存器 控制器 测试逻辑 存储器 编程用高压产生器等部分构成 e5551芯片在射频工作时 仅使用coil1 引脚8 和coil2 引脚1 外接电感L2和电容器C2 构成谐振回路 在测试模式时 VDD和VSS引脚为外加电压正端和地 通过测试引脚实现测试功能 1 模拟前端 射频前端 模拟前端 analogfrontend AFE 电路主要完成芯片对模拟信号的处理和变换 包括电源产生 时钟提取 载波中断的检测 负载调制等部分 2 控制器控制器主要完成4种功能 A 在上电有效后及读期间 用配置存储器数据装载模式寄存器 以保证芯片设置方式工作 B 控制对存储器的访问 C 处理写命令和数据写入 D 在密码模式中 将接收操作码后的32位值与存储的密码进行比较和判别 3 比特率生成与写解码比特率生成电路可产生射频的8 16 32 40 50 64 100 128分频后的数据比特率 写解码电路在写操作期间解读有关写操作码 并对写数据流进行检验 4 高压 HV 产生器它在写入时产生对EEPROM编程时所需的高电压 5 模式寄存器模式寄存器存储来自EEPROM块0的模式数据 它在每块开始时被不断刷新 6 调制器调制器由数据编码器和调制方式两级电路组成 如下图 其输入为来自存储器的二进制NRZ码 输出用于对载波的负载调制 A 编码 曼彻斯特码 逻辑1为倍频率NRZ码的10 逻辑0为倍频率NRZ码的01 Biphase 每个位的开始电平跳变 数位0时位中间附加一跳变B 调制方式PSK调制的脉冲频率为RF 2 RF 4或RF 8 RF为载波频率fc 它的相位变化情况有以下 PSK1 数位从1变为0或从0变为1时 相位改变180 PSK2 每当数位1结束时 相位改变180 PSK3 数位从0变为1 上升沿 时 相位改变180 FSK调制有以下4种 FSK1 数位1和0的脉冲频率为RF 8和RF 5 FSK1a 数位1和0的脉冲频率为RF 5和RF 8 FSK2 数位1和0的脉冲频率为RF 8和RF 10 FSK2a 数位1和0的脉冲频率为RF 10和RF 8 C 注意问题下面的组合不可使用 当编码为曼彻斯特码或Biphase码时 调制为PSK2或比特率为RF 8且脉冲频率为RF 8的PSK调制 比特率为RF 50或者RF 100的PSK调制 PSK的脉冲频率不为比特率的整数倍 7 存储器存储器EEPROM的结构如下图 它由8块构成 每块33位 第0位为锁存位 共264位 所有33位都可被编程 编程所需电压来自片内 但若某块的锁存位被置1 则该块被锁存 不能通过射频再次编程 存储器EEPROM的结构 块0为芯片工作的模式数据 它不能作为通常数据被传送 块1至块6为用户数据 块7为用户口令 若不需要口令保护 则块7也可作为用户数据存储区 存储器的数据以串行方式送出 从块1的位1开始到最大块 MAXBLK 的位32 MAXBLK为用户设置的最大块号参数值 各块的锁存位L不能被传送 3 配置存储器EEPROM的块0用于存放配置数据 其各位的编码含义如下页表 4 初始化电源上电后 e5551芯片按配置数据进行初始化 需256个载波时钟周期 约2ms 采用所选用的编码调制方式工作 配置存储器的配置数据编码 000RF 8001RF 16010RF 32011RF 40100RF 50101RF 64110RF 100111RF 128 00直接01曼彻斯特Biphase11保留 000直接001PSK1010PSK2011PSK3100FSK1101FSK2110FSK1a111FSK2a 00RF 201RF 410RF 811保留 00000011010201131004101511061117 2 e5551芯片的读模式 1 读模式读模式是电源上电后的默认工作模式 下图为e5551芯片上电后进入读模式的情况 所示电压波形是e5551芯片所接谐振回路两端的电压波形 A 读模式时的传送数据序列读模式时 传送数据序列从块1的第一位开始至最后一块的第32位 并循环传送 最后一块的块号由配置存储器的参数MAXBLK确定 当工作于该模式时 在传送循环数据序列之前 发送的第1位为 即e5551芯片传送的是逻辑0 循环数据序列 逻辑0 B 块终止符BT和序列终止符ST终止符有两种 块终止符BT和序列终止符ST 它由配置存储器第30位和第29位分别设置 BT出现于每一个块前 而ST出现于传送数据每一个循环序列前 当既用BT也用ST时 块1前不用BT而仅用ST 如下图所示 当MAXBLK 0时 没有序列终止符ST ST BT 2 直接访问的块读模式当在直接访问命令下工作时 可以读一个单独的块 所用命令码为10后跟锁存位和地址 3位块号 但配置存储器 块0 的PWD 使用口令 位必须为0 3 e5551芯片的写模式 1 写模式和gap读写器发出的命令和写数据可由中断载波形成空隙 gap 的方法来实现 并以两个gap之间的持续时间来编码0和1 当gap时间为50 150us时 两gap之间的24Tc Tc为载波周期 时间长为0 56Tc时间长为1 当大于64Tc时间长而无gap再出现时 e5551芯片退出写模式 若在写过程中出现错误 则e5551芯片进入读模式 从块1的位开始传输数据 序列中的第一个gap称为起始gap 为了便于e5551芯片的检测 在一般情况下 起始gap应长于其后的gap 如下图 2 写数据过程读写器发出双位码 作为命令传送至e5551芯片 命令的构成如下表所示 A AOR AnswerOnRequest 模式在AOR模式 配置数据中PWD 1 AOR 1 STOP 0 当AOR 1时 e5551芯片在装载块0后并不调制 将等待来自读写器的有效AOR命令 以备唤醒 AOR命令利用口令激活匹配的e5551芯片 该命令用于防碰撞 以选择所要的e5551芯片 完成读写操作 命令的构成 B 编程写入 标准写 模式当所有写信息被e5551芯片正确接收时 可编程写入 在写序列传送结束和编程之间有一段延迟 在此期间检测编程电压Vpp 在编程过程中对Vpp不断监测 不论何时Vpp过低都会使e5551芯片进入读模式 编程写入时间为16ms 编程写入成功后 e5551芯片进入读模式 并传送刚编程写入的块 一个完整的写序列成功的过程如下图 POR C 口令模式当块0的PWD 1时 为口令模式 此时 命令码后面是32位的口令 它与存放在块7的口令从位1开始逐位比较 如果不匹配 则不能对存储器编程 在写序列完成后e5551芯片进入读模式 从块1开始 当块0的PWD 0时 e5551芯片接收到一个写序列 它对应32位口令的位置 此时e5551芯片进入编程模式 在口令模式 MAXBLK值应小于7 以防止口令被传送 e5551芯片写模式与EEPROM块0的PWD AOR STOP位的关系如下表所示 4 e5551芯片的防碰撞技术 STOP命令用于停止芯片的调制 使其进入休眠状态 不再向外发送数据 直至POR出现 5 e5551芯片的错误处理e5551芯片可检测出若干错误的出现 以保证只能是有效位才能写入EEPROM 错误的种类有两种 一种是写序列进入期间出现的错误 另一种是编程时出现的错误 A 写序列进入期间出现的错误 在两个gap之间的时间长度错误 命令码既不是10也不是11 口令模式有效 但口令不匹配 接收到的位数不正确正确的位数应该是 标准写38位口令模式70位AOR唤醒命令34位STOP命令2位 当检测到上面任何一个错误时 e5551芯片在离开写模式后立即进入读模式 从块1开始传送 B 编程期间出现的错误 寻址块的锁存位为1 编程电压Vpp过低如果写序列正确但出现上述错误 则e5551芯片立即停止编程并转至读模块 送出数据从被寻址的数据块开始 e5551芯片的工作过程如右图所示 它给出了芯片处理各类错误的流程 二 U2270B读写器芯片 U2270B是工作于125KHz的用于读写器的集成芯片 它是应答器和微控制器之间的接口 它可以实现向应答器传输能量 对应答器进行读写操作 可与e5551系列等应答器芯片配套使用 它与微控制器的关系是 在微控制器的控制下 实现收发转换并将接收到的应答器的数据传送给微控制器 1 U2270B芯片的性能和电路组成 1 主要技术性能 产生载波的频率范围为100 150KHz 在125KHz载波频率下 典型的数据传输速率为5kbps 适用于采用曼彻斯特码及Biphase码调制的应答器 电源可采用汽车蓄电池或5v直流稳压电源 具有可调谐的能力 便于和微控制器接口 可工作于低功耗模式 2 内部电路结构U2270B芯片的内部电路结构组成框图如下 它主要有电源 振荡器 频率调节电路 驱动器 低通滤波器 放大器 施密特触发器等组成 芯片的引脚及其功能如下页表 2 U2270B芯片的工作原理和外围电路设计 1 供电方式芯片有4个电源引脚 即Vs VEXT DVs VBatt 可构成3种供电方式 以支持不同场合的灵活运用 A 单电源工作方式在单电源工作方式 所有内部电路均有外接5V稳压直流电源供电 4个电源引脚都连在一起接至5V电源 B 双电源方式在采用双电源方式时 DVs和VEXT引脚加入 7 8V电源电压 以得到较高的驱动器输出幅度 获得较强的磁场强度 这种工作方式可用于扩展通信距离的情况 C 采用蓄电池供电该供电方式特别适宜于汽车中采用蓄电池的工作环境 蓄电池正端接U2270B芯片的引脚 通过芯片内部的稳压电路可产生Vs DVs和VEXT电压 VEXT可为外部电路提供电源 2 振荡器片内振荡器的频率可由馈入RF引脚的电流控制 频率调节电路如图所示 通过改变电阻Rf的大小 可以对振荡器频率进行调节 由振荡频率f0 可用下式计算出电阻Rf 当振荡频率f0为125KHz时 电阻Rf的阻值为110k 3 低通滤波器低通滤波器为4阶巴特沃斯滤波器 用于滤除解调后残留的载波信号和高频分量 其高频截止频率为f0 18 可保证数据传输速率为f0 25的曼彻斯特码和Biphase码的信号频谱宽度 外部解调器和U2270B芯片内部低通滤波器的电路连接如下图 解调器采用包络检波解调 4 放大器放大器电路如下 放大器的最大增益为30 放大器的增益G和低频截止频率fcut可由Gain引脚外接电阻RGain调节 计算式为 式中 Ri为2 5k 一般为获得大的放大倍数 取RGain 0 CGain值和数据传输速率有关 如下表 放大器电路 5 施密特触发器它用于对信号整形 以抑制噪声 当 OE引脚为低时 可以使能开路集电极输出电路 6 驱动电路U2270B驱动电路由两个独立的输出组成 这两个输出受引脚MS和CFE电平控制 3 基于U2270B芯片的读写器电路 1 电路图下图电路采用蓄电池电源供电 U2270B芯片的VEXT引脚输出电压可为微控制器提供电源 同时VEXT还接至晶体管BC639的基极 控制DVs的产生 Standby引脚电平有微控制器控制 可以方便地进入Standby模式 以节省蓄电池的能耗 采用蓄电池电源供电的读写器 2 振荡器控制环路A 基本工作原理振荡器频率fosc和读写器天线电路的谐振频率fres应尽可能保持一致 如果不能保持在一定的容限内 多应答器的使用及产品的批量化都会遇到很多困难 此外 失谐时振荡器的调频噪声会转换为解调电路能检测到的调幅噪声 从而降低了有效工作距离 因而 需要采用一些调节手段来调节振荡器的频率fosc 使其和天线电路的谐振频率fres能保持在一个误差允许范围内 这样 天线电路的设计也就变得更为容易实现 振荡器控制环路 驱动输出与天线电路电压 B 环路调节原理振荡器控制环路采用相位控制方法 振荡频率fosc的调节通过流经VD1和VD2的反馈电流控制 以保证振荡器的驱动输出和天线电路电压之间具有90相移 从而使阅读器的天线电路被激励在它的谐振频率上 在T1期间 VD3和VD4导通 而VD1和VD2被反偏 因此没有反馈电流通过电容C1 在T2a期间 VD1导通 反馈电流负向流经天线电路至R2 VD1和C1 在整个T2b期间 反馈电流正向经天线电路 R1 VD2流入电容C1 在整个T2期间 电容C1的电流是这两者的和 如果天线电路谐振频率fres高于振荡频率fosc 那么两电压信号存在相移 相应的变换是T2a减小 T2b增加 因此控制电流是正向从A点流入 经RF引脚进入U2270B芯片的电流使振荡频率升高 直至fose