Микросхема радиочастотной идентификации IZ2805


PDF версия

В статье представлена микросхема радиочастотной идентификации — IZ2805, которая по функциональному назначению соответствует зарубежному аналогу — микросхеме RI-TRP-W9QL компании Texas Instruments. IZ2805 предназначена для использования в приложениях с рабочей частотой 134,2 кГц с функцией чтения и записи данных и поддержкой обмена. Область применения: идентификация домашних, сельскохозяйственных животных, системы защиты от подделок.

Основные технические характеристики микросхемы IZ2805:
– бесконтактная передача данных и питания;
– частота операционного поля 134,2 кГц;
– хранение информации в памяти при отключенном напряжении питания;
– объем ЭСППЗУ 80 бит;
– количество циклов стирания/записи ячеек памяти — 100 тыс.;
– температурный диапазон: –45…85ºС.
Микросхема имеет три внешних вывода, при подключении к ним катушки индуктивности (антенны), резонансного конденсатора и накопительного конденсатора, обеспечивающего «питание» микросхемы (см. рис. 1), получим транспондер:
L — приемная катушка индуктивностью 2,5 мГн;
C1 — резонансный конденсатор емкостью 456 пФ ± 5%;
C2 — зарядный конденсатор емкостью 110 нФ ± 5%.

Рис. 1. Блок-схема IZ2805

Транспондер, попадая в поле считывающего устройства, принимает от него сигнал на свою антенну, микросхема выпрямляет его и запасает энергию во внешнем накопительном конденсаторе. Время заряда накопительного конденсатора: 15–50 мс. После выполнения фазы зарядки считыватель может передать команду транспондеру. После снятия сигнала несущей частоты от считывателя, транспондер начинает сам передавать ответ считывателю. Способ передачи ответа — частотная манипуляция (FSK) на частотах 134,2 и 123,2 кГц. Микросхема в ответе выдает данные, хранящиеся в накопителе ЭСППЗУ, и может работать при выключении поля считывателя. Синхронизация ее работы осуществляется путем выделения тактовых синхроимпульсов из поля во время выдачи ответа.
Передача команд и данных от считывающего устройства к транспондеру осуществляется методом 100%-й амплитудной модуляции несущей частоты. Информация об объекте идентификации представляет собой двоичный код, который может быть записан на заводе-изготовителе или запрограммирован пользователем.


Структурная схема IZ2805

Архитектура микросхемы состоит из трех основных блоков: RF-интерфейса, блока управления и блока ЭСППЗУ. Блок-схема IZ2805 представлена на рисунке 1. RF-интерфейс содержит, в свою очередь, 8 блоков разного функционального назначения.
Выпрямитель напряжения предназначен для получения постоянного напряжения питания путем выпрямления переменного синусоидального напряжения, наведенного во входном параллельном колебательном контуре.
Регенератор колебаний формирует и поддерживает автоколебания в контуре во время выдачи данных транспондером. Схема сброса по питанию необходима для генерации сигнала сброса при включении питания. Сигнал сброса снимается, когда напряжение питания превысит уровень, при котором схема начинает стабильно работать. Ограничитель напряжения не позволяет превысить максимально допустимое значение напряжения для этой микросхемы.
Блок опорного напряжения формирует уровни питания для работы остальных блоков в процессе выдачи ответа. Его применение в данной схеме объясняется тем, что во время выдачи ответа напряжение питания все время изменяется, происходит разряд накопительного конденсатора, расход энергии на поддержку автоколебаний, работу цифрового блока управления и блока ЭСППЗУ.
Блок экстракции тактового сигнала выделяет синхросигнал из колебаний в контуре во время выдачи ответа. Модулятор позволяет передавать данные считывающему устройству посредством частотной модуляции несущей частоты. Демодулятор формирует огибающую входных импульсов, поступающих на входы схемы. Блок управления обрабатывает принимаемые микросхемой команды и формирует внутренние сигналы управления. Блок формирования высокого напряжения преобразует выпрямленное напряжение питания в напряжение программирования 16—18  В, необходимое для операций записи данных в ЭСППЗУ. Накопитель ЭСППЗУ состоит из 80 бит и предназначен для хранения 64-битного идентификационного кода и 16-битного циклического избыточного кода, формирующего контрольную сумму по 64-битному идентификационному коду.

Функциональное описание

Микросхема может быть использована для построения транспондеров двух типов: с функцией «только чтение» и с функцией «чтение/запись». Обе версии используют 80-битную память ЭСППЗУ для хранения идентификационных данных. Версия с функцией «только чтение» программируется изготовителем микросхем в процессе производства и тестирования, и данные в памяти не могут быть изменены пользователем в процессе эксплуатации. Версия с функцией «чтение/запись» может использоваться для многократного программирования пользователем. Микросхема может работать в двух основных режимах: режиме чтения и режиме записи и программирования данных.

Режим чтения

В микросхеме используется принцип последовательной передачи, разделяющий фазу заряда питания и режим последовательной выдачи данных. Во время фазы заряда питания считывающее устройство генерирует электромагнитное поле на частоте 134,2 кГц. Индуцированное на внешней антенне переменное напряжение выпрямляется, и происходит зарядка накопительной емкости. Время заряда зависит от таких факторов как тип антенны, расстояние между антенной считывателя и антенной транспондера, скорость перемещения транспондера относительно антенны считывателя. Время зависит также от излучаемой мощности (это зависит от страны использования транспондера), условий окружающей среды. Типовое время заряда зарядного конденсатора составляет 50 мс.
Транспондер обнаруживает окончание фазы заряда питания, и начинает передавать ридеру свои данные посредством частотной манипуляции рабочей частоты, при этом используется энергия, накопленная на зарядном конденсаторе, рабочая частота восстанавливается и поддерживается за счет схемы регенератора колебаний в контур. Считыватель принимает данные от транспондера, декодирует и передает их через один из стандартных интерфейсов на центральный компьютер, который проверяет и идентифицирует принятые данные. Данные представляют собой последовательность, состоящую из «пачек» импульсов. Одна «пачка» импульсов соответствует одному биту данных и представляет собой:
– 16 периодов частоты 134,2 кГц при передаче бита «0»;
– 16 периодов частоты 123,2 кГц при передаче бита «1».
Поскольку биты «0» и «1» передаются с использованием разных частот, то, соответственно, они имеют и разную длительность. Типовое значение длительности передачи единичного бита составляет 130 мкс, нулевого бита — 119 мкс. Продолжительность ответа транспондера (фазы чтения данных) зависит от количества передаваемых нулей и единиц в ответе, но в любом случае ответ не превышает 20 мс. По окончании фазы чтения микросхема формирует сигнал разряда накопительного конденсатора. После этого считыватель может инициировать очередной запрос транспондеру. Фаза заряда питания и фаза чтения данных транспондера представлены на рисунке 2. Принцип частотной манипуляции при чтении бит данных «0» и «1» продемонстрирован на рисунке 3.

 

Рис. 2. Фаза заряда питания и чтения транспондера

Рис. 3. Принцип частотной манипуляции при выдаче ответа

Формат данных в режиме чтения транспондера с функцией «только чтение»

В режиме только чтение транспондер передает считывающему устройству посылку из 128 бит. Формат посылки включает следующие группы данных:
– начальные биты;
– стартовый байт;
– 64 бита идентификационных данных;
– 16 бит контрольной суммы по идентификационным данным;
– стоповый байт;
– конечные биты.
Общая последовательность посылки для транспондера с функцией «только чтение» показана на рисунке 4, а формат данных транспондера с этой же функцией приведен в таблице 1. В группах младший бит (LSB) всегда передается первым, старший бит (MSB) — последним.

 

Рис. 4. Последовательность выдачи данных транспондером с функцией «только чтение»

 

Таблица 1. Формат данных транспондера с функцией «только чтение»

Описание групп данных

Количество бит в группе

Шестнадцатеричное значение данных

Примечание

MSB . . . . . . . . . . . . LSB

Начальные биты

16

0000

x: идентификационные данные (64 бита)

y: данные BCC (16 бит)

Стартовый байт

8

7E

Данные для чтения

80

yyyyxxxxxxxxxxxxxxxx

Стоповый байт

8

7E

Конечные биты

16

0000

Общее количество бит в посылке

128

 

В общей посылке первыми передаются 16 начальных бит, все они равны нулю или «0000h». Стартовый и стоповый байты имеют одинаковое значение «7Eh» или «01111110» двоичное. 80 бит данных, расположенных между стартовым и стоповым байтами программируются в процессе производства и не могут быть изменены пользователем.
Первыми передаются 64 бита идентификационных данных (уникальный идентификатор), затем 16 бит данных ВСС или контрольная сумма, представляющая собой циклический избыточный код. Образующий полином, используемый для генерации циклического избыточного кода, имеет вид P(x) = x16 +x12 + x5 + 1.
После стопового байта передаются 16 конечных бит, все они равны нулю или «0000h». 15 из этих конечных бит, начиная с младшего, должны контролироваться ридером. Во время передачи 128-го бита (последнего из 16 конечных бит) микросхема завершает передачу данных, формируя разряд своего зарядного конденсатора.

Формат данных в режиме чтения транспондера с функцией «чтение/запись»

Разные стартовые байты, стоповые байты и конечные биты используются для транспондеров с функцией «только чтение» и с функцией «чтение/запись», позволяя ридеру гарантированно различать их между собой. Последовательность выдачи данных транспондером с функцией «чтение/запись» в режиме чтения показана на рисунке 5, а соответствующий формат ответа транспондера приведен в таблице 2.

 

Таблица 2. Формат выдачи данных транспондера с функцией «чтение/запись»

Описание групп данных

Количество бит в группе

Шестнадцатеричное значение данных

Примечание

MSB . . . . . . . . . . . . LSB

Начальные биты

16

0000

x: идентификационные данные (64 бита)

y: данные «BCC» (16 бит)

Стартовый байт

8

FE

Данные для чтения

80

yyyyxxxxxxxxxxxxxxxx

Стоповый байт

8

FE

Конечные биты

16

xxxx

Общее количество бит в посылке

128

В группах младший бит (LSB) всегда передается первым, старший бит (MSB) — последним. В общей посылке первыми передаются 16 начальных бит, все они равны нулю или «0000h». Стартовый и стоповый байты имеют одинаковое значение «Feh» или «11111110» двоичное.

Рис. 5. Последовательность чтения данных для транспондера с функцией «чтение/запись»

80 бит данных, расположенных между стартовым и стоповым байтами, могут быть запрограммированы пользователем. Первыми передаются 64 бита идентификационных данных (уникальный идентификатор), затем 16 бит данных ВСС или контрольная сумма, представляющая собой циклический избыточный код. Образующий полином, используемый для генерации циклического избыточного кода, имеет вид P(x) = x16 + x12 + x5 + 1.
После стопового байта передаются 16 дополнительных бит (конечные биты). Эти биты повторяют младшие 16 бит идентификационных данных. 15 из этих конечных бит, начиная с младшего, должны контролироваться ридером. Во время передачи 128-го бита (последнего из 16 конечных бит) микросхема завершает передачу данных, формируя разряд своего зарядного конденсатора.


Режим записи и программирования данных

Версия с функцией «чтение/запись» допускает многократное программирование памяти транспондера пользователем. Новые данные могут быть запрограммированы в память следующим образом. После фазы заряда транспондер переходит в фазу записи данных, при условии, что считыватель начинает модулировать электромагнитное поле своей антенны переключением передатчика в режим включения и выключения, формируя паузы в следовании несущей частоты. Индекс модуляции амплитуды в паузах составляет 100%.
Длительность паузы, передаваемой считывателем при записи, определяет, какой бит передается — нулевой («0») или единичный («1»). Частота импульсов в пачке равна 134,2 кГц. Общая последовательность выполнения программирования памяти транспондера показана на рисунке 6.

Рис. 6. Общая последовательность программирования памяти транспондера

В фазе записи данных транспондер декодирует биты данных, посланные считывателем, и последовательно принимает их в 80-битный сдвиговый регистр. После передачи всех бит данных, которые должны быть запрограммированы в памяти транспондера, считыватель инициирует фазу программирования, длительностью 15 мс. В этой фазе транспондер вырабатывает внутреннее напряжение программирования, и все 80 бит данных сдвигового регистра одновременно программируются в ЭСППЗУ.
По окончании фазы программирования считыватель останавливает генерацию электромагнитного поля, и транспондер переходит в фазу чтения, передавая считывателю запрограммированные данные. Считыватель принимает данные и проверяет их правильность.
На рисунке 7 представлена функция записи, демонстрирующая выходной радиочастотный сигнал передатчика и входной радиочастотный сигнал транспондера. Последовательность передачи данных на транспондер в режиме записи и программирования представлена на рисунке 8.

Рис. 7. Принцип заряда питания, записи, программирования и чтения данных, показывающий напряжения на антенне ридера и антенне транспондера:

Фаза заряда — постоянный выходной сигнал от передатчика;

Фаза записи — модуляция ширины импульса выходного сигнала передатчика;

Фаза программирования — постоянный выходной сигнал от передатчика;

Фаза чтения — частотная модуляция на резонансном контуре транспондера

 

Рис. 8. Последовательность передачи данных на транспондер в режиме записи и программирования

Для программирования данных в память транспондера с функцией «чтение/запись» пользователь должен подать последовательность данных, приведенную в таблице 3. Для всех групп данных, подаваемых на микросхему в режиме «запись», младший бит (LSB) всегда передается первым, старший бит (MSB) — последним.

 

Таблица 3. Последовательность данных для программирования памяти транспондера

Описание групп данных

Количество бит в группе

Шестнадцатеричное значение данных

Длительность передачи, мс

Примечание

MSB . . . . . . . . LSB

Ключ записи

8

ВВ

16

x:идентификационные данные (64 бита)

y: данные BCC(16 бит)

Пароль записи

8

ЕВ

16

Данные для записи

80

yyyyxxxxxxxxxxxxxxxx

160

Кадр записи

8

0300

32

Общее количество бит

112

224

Первая группа данных «Ключ записи», состоящая из 8 бит со значением «BBh» или «10111011» двоичным, и вторая группа данных «Пароль записи», состоящая из 8 бит со значением «EBh» или «11101011» двоичным, инициируют микросхему на прием 80 бит данных для записи.
Данные для записи могут определяться пользователем. Рекомендуется разбивать их на 64 бита идентификационных данных, передаваемых первыми, и 16 бит данных защиты (контрольная сумма BCC по идентификационным данным). Для формирования данных защиты рекомендуется использовать алгоритм генерации циклического избыточного кода CRC с образующим полиномом P(x) = x16 + x12 + x5 + 1, начальное состояние сдвигового регистра полинома «0000h». Завершает последовательность группа данных «Кадр записи» из 16 бит со значением «0300h» или «00000011 00000000» двоичное.
Программирование данных выполняется, если:
– ключ записи и пароль записи получены;
– формат данных для записи имеет корректное число бит;
– формат кадра записи получен;
– сила радиочастотного поля считывателя достаточно высока для генерации надежного напряжения программирования.
В течение фазы чтения, следующей после окончания фазы программирования, транспондер возвращает запрограммированные данные считывателю. Если эти данные отличаются от данных для записи, то программирование считается неуспешным.
Если считыватель получил правильные данные (контрольная сумма верная), то он должен сравнить принятые идентификационные данные с посланными им до этого идентификационными данными для записи, чтобы убедиться, что данные для записи не были случайно изменены в процессе передачи. Сам транспондер не контролирует правильности полученных данных для записи. Если считыватель получил неправильные данные, то он инициирует повторное программирование.
Микросхема IZ2805 может использоваться для идентификации домашних и сельскохозяйственных животных, в системах защиты от подделки товаров, системах контроля доступа в помещения и сооружения, а также в автомобильных охранных системах.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *