深入解析TRF7960與TRF7961：多功能13.56-MHz RFID前端芯片

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，RFID技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，從門禁系統(tǒng)到產(chǎn)品追溯，從公共交通到醫(yī)療設(shè)備，無處不在。德州儀器（TI）推出的TRF7960和TRF7961芯片，作為13.56-MHz RFID模擬前端和數(shù)據(jù)成幀閱讀器系統(tǒng)，為工程師們提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這兩款芯片的特點(diǎn)、應(yīng)用和技術(shù)細(xì)節(jié)。

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一、設(shè)備概述

1.1 特點(diǎn)

TRF7960和TRF7961芯片具有眾多令人矚目的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得它們?cè)赗FID應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

• 高度集成：芯片采用了完全集成的協(xié)議處理方式，為模擬、數(shù)字和功率放大器（PA）部分分別提供了獨(dú)立的內(nèi)部高電源抑制比（PSRR）電源，有效隔離噪聲，從而實(shí)現(xiàn)了出色的讀取范圍和可靠性。同時(shí)，雙接收器輸入搭配AM和PM解調(diào)功能，最大程度地減少了通信盲區(qū)。此外，高度集成還減少了總的物料清單（BOM）和電路板面積，僅需一個(gè)外部13.56-MHz晶體振蕩器，并且提供了MCU可選的時(shí)鐘頻率輸出（RF、RF/2或RF/4），還配備了可調(diào)節(jié)的20-mA高PSRR低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），用于為外部MCU供電。
• 易于使用且靈活性高：芯片為每個(gè)支持的ISO協(xié)議都提供了自動(dòng)配置的默認(rèn)模式，同時(shí)擁有12個(gè)用戶可編程寄存器，可選擇接收器增益、可編程輸出功率（100 mW或200 mW）、可調(diào)節(jié)的ASK調(diào)制范圍（8%至30%）以及內(nèi)置的接收器帶通濾波器，其拐角頻率可由用戶選擇。
• 寬工作電壓范圍和超低功耗模式：芯片的工作電壓范圍為2.7 V至5.5 V，具備超低功耗模式，如掉電模式下電流小于1 μA，待機(jī)模式下為120 μA，僅接收模式下為10 mA。
• 多種接口和小封裝：芯片支持并行8位或串行4引腳串行外設(shè)接口（SPI）與MCU通信，并使用12字節(jié)FIFO。同時(shí)，它采用了超小的32引腳QFN封裝（5 mm × 5 mm），節(jié)省了電路板空間。

1.2 應(yīng)用

TRF7960和TRF7961芯片的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括但不限于以下幾個(gè)方面：

• 安全訪問控制：用于門禁系統(tǒng)，確保只有授權(quán)人員能夠進(jìn)入特定區(qū)域。
• 產(chǎn)品認(rèn)證：幫助驗(yàn)證產(chǎn)品的真?zhèn)?，防止假冒偽劣產(chǎn)品流入市場(chǎng)。
• 醫(yī)療系統(tǒng)：在醫(yī)療設(shè)備管理、藥品追溯等方面發(fā)揮重要作用。
• 公共交通或活動(dòng)票務(wù)：實(shí)現(xiàn)便捷的票務(wù)管理和檢票功能。

1.3 描述

這兩款芯片是集成的模擬前端和數(shù)據(jù)成幀系統(tǒng)，適用于13.56-MHz RFID閱讀器系統(tǒng)，支持多種協(xié)議，如ISO/IEC 14443 A和B、FeliCa?以及ISO/IEC 15693。內(nèi)置的編程選項(xiàng)使其適用于各種近距離和遠(yuǎn)距離識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用。通過在控制寄存器中選擇所需的協(xié)議，即可對(duì)閱讀器進(jìn)行配置，并且可以直接訪問所有控制寄存器，根據(jù)需要對(duì)各種閱讀器參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

芯片支持高達(dá)848 kbps的數(shù)據(jù)速率，并且所有ISO協(xié)議的成幀和同步任務(wù)都在板上完成。此外，還可以通過使用芯片提供的直接模式來實(shí)現(xiàn)其他標(biāo)準(zhǔn)甚至自定義協(xié)議。接收器系統(tǒng)采用了雙輸入接收器架構(gòu)，以最大程度地提高通信的魯棒性，并且包括各種自動(dòng)和手動(dòng)增益控制選項(xiàng)。接收到的信號(hào)強(qiáng)度可以在RSSI寄存器中獲取。

1.4 典型應(yīng)用

典型的應(yīng)用框圖展示了TRF796x與MSP430 MCU的連接方式，包括系統(tǒng)時(shí)鐘（SYS_CLK）、電源輸入（VDD_X、VCC）、阻抗匹配電路、RF輸出（TX_OUT）、數(shù)據(jù)時(shí)鐘（DATA_CLK）、中斷請(qǐng)求（IRQ）、接收器輸入（RX_IN1、RX_IN2）以及13.56 MHz晶體振蕩器等部分。這種連接方式為工程師們提供了一個(gè)參考，方便他們進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)

2.1 電源供應(yīng)

芯片的正電源引腳VIN（引腳2）的輸入電壓范圍為2.7 V至5.5 V，為三個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器（VDD_RF、VDD_A和VDD_X）提供電源，這些穩(wěn)壓器使用外部旁路電容進(jìn)行電源噪聲濾波，為RFID閱讀器系統(tǒng)提供了增強(qiáng)的PSRR。

• VDD_RF：用于為RF輸出級(jí)供電，可配置為5 V或3 V操作。在5 V操作時(shí)，輸出電壓可在4.3 V至5 V之間以100 mV的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，最大電流供應(yīng)能力為150 mA；在3 V操作時(shí)，輸出電壓可在2.7 V至3.4 V之間以100 mV的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，最大電流供應(yīng)能力為100 mA。
• VDD_A：為閱讀器芯片內(nèi)的模擬電路供電，電壓設(shè)置分為兩個(gè)范圍。在5 V操作時(shí)，輸出電壓固定為3.5 V；在3 V操作時(shí)，輸出電壓可在2.7 V至3.4 V之間以100 mV的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整。
• VDD_X：可用于為閱讀器芯片的數(shù)字I/O以及其他外部系統(tǒng)組件供電，總電流供應(yīng)能力最大為20 mA。在5 V操作時(shí)，輸出電壓固定為3.4 V；在3 V操作時(shí)，輸出電壓可在2.7 V至3.4 V之間以100 mV的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整。
• VDD_PA：是RF輸出級(jí)的正電源引腳，外部連接到穩(wěn)壓器輸出VDD_RF（引腳3）。

2.2 接收器 - 模擬部分

芯片有兩個(gè)接收器輸入（RX_IN1和RX_IN2），連接到外部濾波器，以確保標(biāo)簽的AM調(diào)制信號(hào)至少在其中一個(gè)輸入上可用。外部濾波器為RX_IN2輸入提供45°相移，以便對(duì)標(biāo)簽的PM調(diào)制信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理。這種架構(gòu)消除了標(biāo)簽與閱讀器之間可能出現(xiàn)的通信盲區(qū)。 接收器輸入級(jí)是一個(gè)RF電平檢測(cè)器，RX_IN1和RX_IN2輸入的RF振幅電平在VIN電源電平大于3.3 V時(shí)應(yīng)約為3 VPP；如果VIN電平較低，RF輸入峰 - 峰電壓電平不應(yīng)超過VIN電平。第一個(gè)增益和濾波級(jí)的標(biāo)稱增益為15 dB，帶有可調(diào)帶通濾波器；第二個(gè)增益和濾波級(jí)的標(biāo)稱增益為8 dB，頻率特性與第一級(jí)相同。

2.3 寄存器描述

芯片包含多個(gè)寄存器，用于控制和配置各種功能，如ISO控制寄存器、RX特殊設(shè)置寄存器、芯片狀態(tài)控制寄存器等。這些寄存器的設(shè)置可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。例如，ISO控制寄存器用于選擇要使用的協(xié)議，每次寫入該寄存器時(shí)，所有相關(guān)寄存器都會(huì)加載默認(rèn)預(yù)設(shè)值，通常無需對(duì)其他寄存器進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整即可正常工作。

2.4 直接命令

MCU可以通過發(fā)送直接命令來控制閱讀器的操作，如重置FIFO、傳輸數(shù)據(jù)（帶或不帶CRC）、延遲傳輸（帶或不帶CRC）、測(cè)試內(nèi)部或外部RF RSSI等。這些命令為工程師們提供了靈活的控制方式，方便他們進(jìn)行各種測(cè)試和調(diào)試工作。

2.5 閱讀器通信接口

閱讀器的通信接口可以配置為并行8引腳接口或串行外設(shè)接口（SPI），這兩種模式是互斥的，在應(yīng)用中只能一次使用一種模式。當(dāng)選擇SPI時(shí)，未使用的I/O_2、I/O_1和I/O_0引腳必須根據(jù)規(guī)定進(jìn)行硬連線。閱讀器始終作為從設(shè)備，而微控制器（MCU）作為主設(shè)備，MCU發(fā)起與閱讀器的所有通信，并用于與更高層（應(yīng)用層）進(jìn)行通信。

三、應(yīng)用與支持

3.1 應(yīng)用原理圖

文檔提供了并行通信和SPI通信的應(yīng)用原理圖，為工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供了參考。這些原理圖展示了芯片與其他組件的連接方式，幫助工程師們更好地理解和應(yīng)用芯片。

3.2 設(shè)備和文檔支持

• 工具和軟件：提供了參考設(shè)計(jì)和評(píng)估模塊（EVM）以及開發(fā)軟件，還提供了MSP430?MCU的源代碼，方便工程師們進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試。
• 文檔支持：包括應(yīng)用筆記、固件描述等文檔，可在www.ti.com上獲取。這些文檔為工程師們提供了詳細(xì)的技術(shù)指導(dǎo)和應(yīng)用案例，幫助他們更好地使用芯片。
• 社區(qū)資源：TI的E2E?社區(qū)為工程師們提供了一個(gè)交流和分享經(jīng)驗(yàn)的平臺(tái)，他們可以在其中提問、分享知識(shí)、探索想法并幫助解決問題。

四、總結(jié)與思考

TRF7960和TRF7961芯片以其高度集成、易于使用、靈活性高和低功耗等特點(diǎn)，為RFID閱讀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，合理配置芯片的各種參數(shù)和功能，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。同時(shí)，要充分利用TI提供的工具、軟件和文檔支持，加快開發(fā)進(jìn)度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在這里，我想問問各位工程師，在使用類似的RFID芯片時(shí)，你們遇到過哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你們的經(jīng)驗(yàn)和見解。