О. Стариков

Микросхемы фирмы Texas Instruments для систем радиочастотной идентификации. Часть 2

В предыдущей статье (Chip News ╧ 6, 2003 г.) была рассмотрена микросхема RI-RFM-006A фирмы Texas Instruments, предназначенная для построения систем радиочастотной идентификации, работающих в низкочастотном диапазоне 134,2 кГц. В предлагаемой статье автор продолжает знакомить читателей с микросхемами фирмы Texas Instruments, предназначенными для построения RFID-систем.

ИМС TMS3705A - корпусная интегральная схема, более высокой степени интеграции по сравнению с RI-RFM-006A, предназначена для построения радиоканала низкочастотных RFID базовых станций ридеров и иммобилайзеров. Микросхема TMS3705A предназначена для формирования, передачи, приема и демодуляции частотно-манипулированных (FSK - Frequency Shift Keyed) сигналов, имеет функцию самоадаптации для работы с любыми низкочастотными TIRIS транспондерами с резонансными частотами от 129 до 140 кГц и поддерживает все функциональные особенности транспондеров этого ряда. Связь с микроконтроллером осуществляется посредством двухпроводного многофункционального последовательного интерфейса со скоростью передачи данных 15,625 кбод. Тактовый сигнал на ИМС TMS3705A и микроконтроллер может подаваться двумя способами. В первом случае, ИМС TMS3705A и микроконтроллер получают тактовый сигнал только от одного кварцевого или керамического резонатора, который подключается к микроконтроллеру. На ИМС TMS3705A тактовый сигнал поступает с цифрового тактового выхода микроконтроллера. Во втором случае, микроконтроллер и микросхема TMS3705A имеют свои собственные резонаторы. ИМС TMS3705A имеет свой внутренний тактовый генератор на 16 МГц, выполненный на основе ФАПЧ, который предназначен для внутренней синхронизации логических блоков и узлов данной микросхемы.

На рис. 1 показана внутренняя архитектура ИМС TMS3705A.

Основные узлы и блоки, входящие в состав данной микросхемы:

• входной усилитель радиочастотного сигнала (RF Amplifier) представляет собой операционный усилитель с внутренним напряжением смещения, коэффициентом усиления по напряжению до 5 и эффективной полосой пропускания на уровне 2 МГц;
• полосовой фильтр (Band Pass) с ограничителем сигнала (Limiter). Полосовой фильтр обеспечивает без внешних компонентов фильтрацию входного сигнала, поступающего с выхода операционного усилителя. Нижняя частота среза этого фильтра примерно в два раза ниже средней частоты 130 кГц, а верхняя частота среза примерно в два раза выше частоты 130 кГц. Ограничитель преобразует аналоговый синусоидальный сигнал в цифровую форму. Входной полосовой фильтр и ограничитель вместе имеют высокий коэффициент усиления, по крайней мере, до 1000;
• цифровой демодулятор (Digital Demodulator), на вход которого поступает частотно кодированный сигнал с выхода ограничителя, в соответствии с переданным транспонде ром цифровым кодом. Так как типовая частота передачи единичного и нулевого бита TIRIS-транспондера равна 123,2 и 134,2 кГц, соответственно, то определение частоты входного сигнала, то есть осуществление процесса демодуляции в ИМС TMS3705A производится путем подсчета тактовых импульсов за период времени между фронтами оцифрованного входного сигнала [6]. Демодулятор спроектирован так, чтобы отличать единичный бит от нулевого изменением (сдвигом) между этими двумя частотами, а не их абсолютным значением. Порог между частотными значениями нулевого и единичного бита должен быть определен в 6,5 ± 0,55 кГц. Значение частоты единичного бита должно быть на 6,5 кГц ниже измеренного значения частоты нулевого бита с гистерезисом ╠0,55 кГц. После демодуляции с выхода цифрового демодулятора последовательность двоичных данных поступает на вход кодирующего устройства;
• кодирующее устройство (SCI Encoder), используя 8-разрядный сдвиговый регистр, передает побайтно данные, (младший бит передается первым) микроконтроллеру со скоростью 15,625 кбод (±1,5%). Передача данных микроконтроллеру может осуществляться в асинхронном и синхронном режимах работы. Переключение этих режимов осуществляется при помощи установки или сброса соответствующего бита (SYNC) в регистре управления режимом работы микросхемы (Mode control register). Когда бит SYNC установлен, то есть имеет высокое состояние, передача данных микроконтроллеру производится в синхронном режиме;
• управляющий логический блок (Control Logic) вместе с регистром управления режимом работы (Mode Control Register) образуют базовое ядро микросхемы, управляющее внутренними процессами и режимами работы ИМС TMS3705A;
• генератор на основе ФАПЧ (PLL - Phase-Locked Loop) вырабатывает временные тактовые импульсы, необходимые для функционирования внутренних цифровых узлов микросхемы. В качестве источника опорной частоты для системы ФАПЧ может использоваться кварцевый или керамический резонатор на 4 или 2 МГц. Резонатор подключается к выводам микросхемы OSC1 и OSC2. Когда используется резонатор на частоту 4 МГц, вывод F_SEL микросхемы должен быть подключен к положительному выводу источника питания, когда же используется резонатор на частоту 2 МГц, вывод F_SEL подключается к выводу GND ("земля" источника питания). Если используется внешний тактовый сигнал частотой 4 или 2 МГц, как, в частности, поступающий с выхода микроконтроллера, то он должен быть подан на вход OSC1 микросхемы TMS3705A. Относительно невысокая частота кварцевого резонатора способствует уменьшению излучаемых электромагнитных помех. Система ФАПЧ генерирует частоту, равную значению 16 МГц. С выхода блока ФАПЧ цифровой сигнал поступает на вход управляемого делителя частоты;
• управляемый делитель частоты (Controlled Frequency Divider) предназначен для получения нужной несущей частоты цифрового сигнала. С выхода этого делителя сигнал поступает на вход предварительного усилителя мощности (Predrivers) и далее усиливается мостовым каскадом (Full Bridge), который является оконечным усилителем мощности передающего тракта микросхемы. Значение коэффициента деления управляемого делителя частоты, устанавливаемое по умолчанию, равно 119. Установка этого значения необходима для получения несущей частоты сигнала вблизи 134,7 кГц из частоты 16 МГц, генерируемой системой ФАПЧ. Изменение коэффициента деления на один шаг приводит к сдвигу несущей частоты примерно на 1,1 кГц, что соответствует разрешающей способности управляемого делителя частоты. В зависимости от резонансной частоты применяемых транспондеров, значение коэффициента деления данного делителя может находиться в диапазоне от 114 до 124;
• блок диагностики (Diagnosis), также входящий в состав данной ИМС, служит для обнаружения и устранения ошибок в процессе работы микросхемы, содержит внутренний переключаемый резистор, который в режиме передачи данных шунтирует вход усилителя радиочастотного сигнала на "землю", и вместе с внешним резистором, подключаемым к выводу SENSE микросхемы, образует делитель напряжения, тем самым, предотвращая возможную перегрузку высоким напряжением входных каскадов ИМС;
• блок измерения резонансной частоты транспондера (Transponder Resonance √ Frequency Measurement) предназначен для измерения в начальной стадии приема значения частоты нулевого бита, передаваемого транспондером, которая, по сути, является резонансной частотой транспондера. Специальный алгоритм гарантирует корректное измерение этой частоты и далее осуществление процесса демодуляции с учетом частотного порога 6,5 ± 0,55 кГц в сторону уменьшения. Путем подсчета тактовых импульсов за период времени между фронтами оцифрованного входного сигнала осуществляется двоичная дискриминация (распознавание) частотно-манипулированного сигнала, передаваемого транспондером;
• узел предустановки (Power-On Reset) генерирует по включению питания внутренний сигнал сброса, поступающий на управляющий логический блок микросхемы, а также позволяет производить перезапуск устройства в случаях понижения напряжения питания до определенного уровня. ИМС TMS3705A рассчитана на работу с источником питания в диапазоне от 4,5 до 5,5 В (типовое значение 5 В), токе потребления от 8 до 20 мА (типовое значение 8 мА) и температуре окружающей среды от -40 до +85ºС. В режиме ожидания (Sleep Mode) максимальное потребление тока составляет 0,2 мА.

Рисунок 1. Внутренняя архитектура ИМС TMS3705A

На рис. 2 показана типовая схема включения ИМС TMS3705A.

Рисунок 2. Типовая схема включения ИМС TMS3705A

Другой микросхемой, выпускаемой фирмой Texas Instruments, предназначенной для построения систем радиочастотной идентификации, является TMS37122. Данная микросхема представляет собой трехканальный низкочастотный приемопередатчик, функционирующий в полосе частот 120√140 кГц, имеет три входа для подключения трех низкочастотных антенн с независимой ориентацией, что позволяет получить достаточно высокую чувствительность на уровне 5 мВ. На базе ИМС TMS37122 можно создавать активные транспондерные системы с диапазоном чтения до нескольких метров, что намного больше, по сравнению с традиционными пассивными транспондерами. Данная микросхема поддерживает функции TIRIS совместимых транспондеров, работающих в полудуплексном (HDX - half-duplex) режиме на основной частоте запросного сигнала 134,2 кГц, имеет программируемую функцию запуска внешних устройств по специальному сигналу и содержит низкочастотный пороговый детектор.

На рис. 3 показан вариант построения системы радиочастотной идентификации с расширенным диапазоном чтения, функционирующей в двухчастотном диапазоне.

Рисунок 3. Вариант построения системы радиочастотной идентификации, работающей в двухчастотном диапазоне

Транспондерный блок, или идентификационное устройство (Identification Device) в данном случае будет активным, то есть использующим питание от батареи. Идентификационное устройство на базе ИМС TMS37122 способно принимать и детектировать амплитудно-манипулированные ASK (ASK - amplitude-shift keying) сигналы частотой 134,2 кГц от удаленного низкочастотного приемопередатчика (LF Transceiver), а также передавать назад запросившему устройству данные по тому же низкочастотному каналу, используя одну из активных антенн. При помощи программируемой функции запуска внешнего устройства, по специальному сигналу WAKE UP, формируемому ИМС TMS37122, активизируется микроконтроллер, который формирует управляющие сигналы как для данной микросхемы, так и для высокочастотного (UHF - Ultrahigh Frequency) устройства.

Высокочастотное устройство передает необходимые идентификационные данные высокочастотному приемнику (UHF Receiver) уже на более высокой частоте, например, 868,3 или 902,8 МГц с использованием частотной манипуляции. Данные, принятые высокочастотным приемным блоком, после демодуляции и двоичной дискриминации, в виде двоичной последовательности бит будут переданы управляющему модулю (Control Unit). На практике, низкочастотный приемопередатчик (LF Transceiver), высокочастотный приемный блок (UHF Receiver) и управляющий модуль (Control Unit) могут быть объединены в одно устройство и представлять собой ридер (считывающее устройство) или базовую станцию. Низкая частота запросного сигнала, равная 134,2 кГц, может гарантировать отсутствие перекрестного чтения между близко расположенными ридерами, а высокая частота ответного сигнала может обеспечить быструю и достаточно надежную передачу данных. Фирмой Texas Instruments выпускаются активные транспондеры, работающие в двух диапазонах частот по вышеуказанному принципу. Для передачи идентификационных данных от этих транспондеров выделены частоты 868,3 и 902,8 МГц - для Европы и США, соответственно.

ИМС TMS37122 имеет ультранизкое значение тока покоя (quiescent current) в так называемом "статическом режиме", равное 100 нА, и ультранизкое потребление тока в дежурном режиме (Standby), равное 5 мкА при использовании трех антенн и 2 мкА - при использовании одной антенны. Напряжение питания батареи должно находиться в диапазоне от 2 до 4 В, типовое значение - 3 В. Также осуществляется поддержка безбатарейного, резервного режима работы. Данная микросхема предназначена для работы при температуре окружающей среды от -40 до +85ºС и выполнена в малом корпусе типа TSSOP16 SMD. На рис. 4 показана типовая схема включения ИМС TMS37122.

Рисунок 4. Типовая схема включения ИМС TMS37122

ИМС TMS37122 может применяться в системах радиочастотной идентификации, предназначенных для пассивного входа (например, при приближении к автомобилю) на расстоянии до 2 м, в иммобилайзерах, когда идентификация происходит в момент запуска двигателя автомобиля, в системах удаленного контроля транспортными средствами с использованием криптозащиты. В последнем случае, с активного транспондера при нажатии кнопки передается циклический кодированный сигнал на базовый блок, расположенный на транспортном средстве. В ответ формируется и передается новый код, а затем снова базовым блоком проверяется "ответ" транспондера. Обе системы полностью независимы друг от друга и используют различные криптографические алгоритмы. Также ИМС TMS37122 может применяться в системах для бесконтактных платежных применений, в системах мониторинга объектов, на которых установлены различные датчики, в системах автоматизации цепи поставок.

Следующей микросхемой, выпускаемой фирмой Texas Instruments и используемой в системах радиочастотной идентификации, является RI-R6C-001A. Данная ИМС представляет собой многопротокольный приемопередатчик, работающий на основной частоте 13,56 МГц, и поддерживает несколько функциональных протоколов:

• Tag-It HF;
• ISO / IEC 15693-2 (например, Tag-It HF-I);
• ISO / IEC 14443-2 (режим А);
• так называемый "прозрачный" протокол или прямой режим, при котором данные, сформированные микроконтроллером, могут быть непосредственно переданы транспондеру. На рис. 5 показана упрощенная блок-схема ИМС RI-R6C-001A.

Рисунок 5. Упрощенная блок-схема ИМС RI-R6C-001A

Приемный радиочастотный тракт данной микросхемы предназначен для работы с транспондерами, использующими для передачи данных следующие виды модуляции и частоты:

• амплитудную манипуляцию на частоте 423,75 кГц;
• амплитудную манипуляцию на частоте 847 кГц;
• частотную манипуляцию на частотах 423,75 кГц / 484,29 кГц.

Такими транспондерами, например, могут быть, транспондеры, выполненные по Tag-It и Tag-It HF-I Inlay (ISO/IEC 15693) технологиям фирмы Texas Instruments, работающие на несущей частоте запросного сигнала от ридера 13,56 МГц [9].

Передающий тракт ИМС RI-R6C-001A позволяет формировать амплитудно-манипулированные выходные сигналы с глубиной модуляции 10√30% или 100%.

Переключение режимов модуляции осуществляется программно. Регулировка глубины модуляции от 10% до 30% производится изменением сопротивления резистора, подключаемого к выводу R_MOD микросхемы. ИМС RI-R6C-001A может производить передачу данных со скоростью от 5 до 120 кбод. Выходная мощность передающего тракта может достигать 200 мВт при напряжении питания 5 В. Для функционирования микросхемы может использоваться внешний тактовый сигнал требуемой частоты или использоваться встроенный генератор. В качестве внешнего может использоваться сигнал синусоидальной формы, центрированный на уровне половины напряжения питания микросхемы или использоваться КМОП логически совместимый сигнал подходящей частоты. Если задействуется встроенный генератор, то к соответствующим выводам микросхемы подключается кварцевый резонатор на частоту от 4 до 16 МГц. Устройство, построенное на базе ИМС RI-R6C-001A, может идентифицировать одновременно несколько транспондеров, находящихся в поле его действия. Связь такого устройства со схемой управления осуществляется посредством трехпроводного последовательного КМОП-совместимого интерфейса. ИМС RI-R6C-001A рассчитана на работу с источником питания в диапазоне от 3 до 5,5 В (типовое значение 5 В) при токе потребления в режиме передачи до 200 мА и температуре окружающей среды от -40 до +85ºС. В режиме Standby ток потребления при включенном встроенном генераторе - менее 15 мА, при выключенном встроенном генераторе - менее 50 мкА. Микросхема выполнена в корпусе типа SSOP 20.

Более подробную информацию о компонентах и системах радиочастотной идентификации, выпускаемых фирмой Texas Instruments, можно получить на сайте www.ti.com/tiris/default.htm и в ЗАО ╚КОМПЭЛ╩ по тел. (095) 929-9354, 929-9355; факсу 929-9356; e-mail: starikov@compel.ru.

Литература: