深度剖析TMS3705：TI-RFid? 射頻識別系統(tǒng)基站IC的卓越表現(xiàn)

在電子設(shè)備飛速發(fā)展的今天，射頻識別（RFID）技術(shù)以其高效、便捷的特性，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。TMS3705作為德州儀器（TI）推出的一款高性能、多功能的RFID基站IC，在汽車、門禁、畜牧等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。今天，我們就來深入了解一下TMS3705的特點(diǎn)、功能以及相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)。

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一、產(chǎn)品概述

TMS3705是TI-RFid? RF識別系統(tǒng)的基站IC，它具有多種強(qiáng)大功能。不僅能夠驅(qū)動天線，將調(diào)制數(shù)據(jù)發(fā)送到天線，還能檢測并解調(diào)應(yīng)答器的響應(yīng)信號（FSK）。該IC具備短路保護(hù)和診斷功能，并且在睡眠模式下的供電電流僅為0.2 mA，這對于需要低功耗運(yùn)行的設(shè)備來說是非常關(guān)鍵的優(yōu)勢。此外，它采用了16引腳的SOIC (D)封裝，滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

二、產(chǎn)品特性

基本參數(shù)

• 數(shù)據(jù)速率：最大可達(dá)8 kbps，能夠快速準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)。
• 頻率：工作頻率為134.2 kHz，適合多種RFID應(yīng)用場景。
• 天線電感：所需的天線電感范圍為100 至 1000 pH，為天線的設(shè)計(jì)提供了一定的靈活性。
• 電源電壓：供電電壓范圍為4.5 至 5.5 Vdc，確保了在不同電源環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 傳輸原理：采用HDX和FSK傳輸原理，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃浴?/li>

時(shí)鐘配置

TMS3705在時(shí)鐘供應(yīng)方面有兩種配置方式。一種是微控制器和基站IC由同一個(gè)諧振器提供時(shí)鐘信號，諧振器連接到微控制器，基站IC的時(shí)鐘信號由微控制器的數(shù)字時(shí)鐘輸出驅(qū)動，時(shí)鐘頻率根據(jù)所選微控制器類型可為4 MHz或2 MHz。另一種是微控制器和基站各自擁有獨(dú)立的諧振器?；綢C內(nèi)部的PLL會生成一個(gè)16 MHz的時(shí)鐘頻率，僅用于內(nèi)部時(shí)鐘供應(yīng)。

不同型號適配

不同型號的TMS3705適用于不同的應(yīng)答器產(chǎn)品。例如，TMS3705DDRQ1和TMS3705GDRQ1推薦與AES應(yīng)答器產(chǎn)品配合使用；而TMS3705EDRQ1和TMS3705FDRQ1則在與DST40、DST80、MPT應(yīng)答器配合使用時(shí)能發(fā)揮最佳性能，并且不能與AES應(yīng)答器產(chǎn)品搭配使用。

三、功能模塊詳解

電源模塊

通過兩個(gè)電源引腳，由外部電壓調(diào)節(jié)器為設(shè)備提供5 V電源。一個(gè)引腳為天線驅(qū)動電流和數(shù)字解調(diào)器前端的模擬部分提供電源，另一個(gè)引腳為其他模塊供電。電源還具備上電復(fù)位功能，當(dāng)電源電壓低于某個(gè)特定值時(shí)，能使控制邏輯進(jìn)入空閑狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，總供電電流可降低至0.2 mA，當(dāng)TXCT變?yōu)楦唠娖?00 ms后，基站設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)；當(dāng)TXCT變?yōu)榈碗娖交虮３值碗娖綍r(shí)，基站IC立即進(jìn)入并保持正常運(yùn)行狀態(tài)。

振蕩器模塊

振蕩器產(chǎn)生基站IC的時(shí)鐘信號，所有定時(shí)信號都由此衍生。在其輸入和輸出之間連接一個(gè)典型頻率為4 MHz的陶瓷諧振器。如果向OSC1引腳提供頻率為4 MHz或2 MHz的數(shù)字時(shí)鐘信號，該信號可用于生成16 MHz的內(nèi)部工作頻率。振蕩器模塊中的PLL會根據(jù)輸入引腳F_SEL的邏輯狀態(tài)，將輸入時(shí)鐘頻率乘以4（F_SEL為高電平）或8（F_SEL為低電平），從而生成16 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率。在睡眠狀態(tài)下，振蕩器停止工作。

預(yù)驅(qū)動器模塊

預(yù)驅(qū)動器利用分頻器產(chǎn)生的載波頻率，為全橋的四個(gè)功率晶體管生成信號。P溝道功率晶體管的柵極信號（低電平有效）寬度相同（±1個(gè)16 MHz時(shí)鐘周期），一個(gè)P溝道MOSFET關(guān)斷與另一個(gè)導(dǎo)通之間的延遲定義為16 MHz時(shí)鐘的12個(gè)周期。在寫入模式下，位暫停后第一個(gè)柵極信號的激活與接收到的應(yīng)答器信號通過180°的相移同步。

全橋模塊

全橋在充電階段和寫入階段的有效時(shí)間內(nèi)，以載波頻率驅(qū)動天線電流。在天線諧振頻率下，全橋在正常工作時(shí)其輸出之間的最小負(fù)載電阻為43.3 Ω。當(dāng)全橋不工作時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動器輸出接地。全橋的兩個(gè)輸出均獨(dú)立具備短路接地保護(hù)功能。若發(fā)生短路，全橋會在小于10 μs的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，以避免電源電壓下降；經(jīng)過小于10 ms的延遲后，全橋會再次開啟，以檢測短路是否仍然存在。

射頻放大器模塊

射頻放大器是一個(gè)具有固定內(nèi)部電壓參考的運(yùn)算放大器，其電壓增益由外部電阻定義為5。該放大器具有至少2 MHz的高增益帶寬積，能使所需信號的相移小于16°，并且通過適配額外的外部組件，還可將其用作低通濾波器。射頻放大器的輸入信號與天線直流耦合，輸出信號的峰峰值幅度大于5 mV。

帶通濾波器和限幅器模塊

帶通濾波器無需外部組件即可提供放大和濾波功能。其下限截止頻率約為平均信號頻率130 kHz的一半，上限截止頻率約為130 kHz的兩倍。限幅器將模擬正弦波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并根據(jù)輸入信號的最小幅度提供滯后。其數(shù)字輸出信號的占空比在40%至60%之間，帶通濾波器和限幅器共同具有至少1000的高增益。

診斷模塊

診斷在充電階段進(jìn)行，用于檢測全橋和天線是否正常工作。當(dāng)全橋驅(qū)動天線時(shí)，線圈兩端的電壓會超過電源電壓，使得射頻放大器輸入的電壓被ESD保護(hù)二極管鉗位。為進(jìn)行診斷，SENSE引腳在芯片上加載一個(gè)可切換到地的電阻，使內(nèi)部可切換電阻和外部SENSE電阻構(gòu)成分壓器，而在讀取模式下內(nèi)部電阻斷開。當(dāng)內(nèi)部電阻上的電壓降超過某個(gè)特定值時(shí)，診斷模塊將輸入信號的頻率傳遞給數(shù)字解調(diào)器。診斷信號的頻率在診斷時(shí)間（最長0.1 ms）內(nèi)，如果連續(xù)八次檢測到其計(jì)數(shù)器狀態(tài)都在112至125的范圍內(nèi)，則被認(rèn)為是有效的。輸出信號僅在充電階段使用，否則將被忽略。當(dāng)短路保護(hù)關(guān)閉全橋驅(qū)動器之一時(shí)，診斷也會通過向微控制器發(fā)送與其他故障模式相同的診斷字節(jié)來指示天線工作異常。

頻率分頻器模塊

頻率分頻器是一個(gè)可編程分頻器，用于為全橋天線驅(qū)動器生成載波頻率。默認(rèn)的分頻因子值為119，可從16 MHz生成標(biāo)稱載波頻率134.45 kHz。編程分頻因子的分辨率為一個(gè)分頻步長，對應(yīng)約1.1 kHz的頻率偏移。為滿足應(yīng)答器諧振頻率范圍所需的不同分頻因子為114至124。

數(shù)字解調(diào)器模塊

數(shù)字解調(diào)器的輸入信號來自限幅器，根據(jù)發(fā)送的應(yīng)答器代碼的高低位序列進(jìn)行頻率編碼。通過對輸入信號時(shí)間段內(nèi)的振蕩時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)來測量輸入信號的頻率。由于高低位頻率的公差范圍較寬，解調(diào)器通過兩個(gè)頻率之間的偏移來區(qū)分高低位頻率，而不是依靠絕對值。高低位頻率之間的閾值定義為比測量到的低位頻率低6.5 kHz，并且具有±0.55 kHz的滯后。解調(diào)器由控制邏輯控制，在充電階段之后（即讀取或?qū)懭腚A段），它會測量輸入信號的時(shí)間段，并等待應(yīng)答器諧振頻率測量結(jié)果，以確定高低位頻率閾值的計(jì)數(shù)器狀態(tài)。然后等待起始位的出現(xiàn)，為此，將測量時(shí)間段與閾值的比較結(jié)果存儲在一個(gè)12位移位寄存器中。當(dāng)移位寄存器的內(nèi)容與特定模式匹配時(shí)，即表示檢測到起始位，該模式為連續(xù)8個(gè)時(shí)間段低于閾值，緊接著連續(xù)4個(gè)時(shí)間段高于閾值。在12位移位寄存器前插入一個(gè)2周期數(shù)字濾波器，以便在從低位到高位頻率轉(zhuǎn)換期間，即使時(shí)間段變化非單調(diào)，也能檢測到起始位。輸入級檢測到的位流在評估之前會經(jīng)過一個(gè)數(shù)字濾波器處理，解調(diào)后，從應(yīng)答器接收到的串行位流會按字節(jié)緩沖，然后通過SCI編碼發(fā)送到微控制器。

SCI編碼器模塊

SCI編碼器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破?。由于?yīng)答器的傳輸速率低于SCI傳輸速率，從應(yīng)答器接收到的串行位流在解調(diào)后、SCI編碼前會進(jìn)行緩沖。SCI編碼器使用一個(gè)8位移位寄存器，以15.625 kbaud（±1.5 %）的傳輸速率，將接收到的數(shù)據(jù)按字節(jié)（最低有效位優(yōu)先）發(fā)送到微控制器，包含1個(gè)起始位（高電平）、1個(gè)停止位（低電平），無奇偶校驗(yàn)位（模式控制寄存器的SYNC位永久為低電平，表示異步模式）。SCIO輸出的數(shù)據(jù)位相對于應(yīng)答器發(fā)送的相應(yīng)位是反相的。傳輸在接收到起始位后開始，起始字節(jié)檢測從第一個(gè)上升沿開始初始化，典型的起始字節(jié)值為81_H或01_H（在SCIO處）。起始字節(jié)是發(fā)送到微控制器的第一個(gè)字節(jié)。當(dāng)TXCT變?yōu)榈碗娖交蜃x取階段開始20 ms后，傳輸停止，基站返回空閑狀態(tài)。TXCT需保持低電平至少128 μs以停止讀取階段，且小于900 μs以避免啟動下一個(gè)傳輸周期。SCI編碼器還會在充電階段開始2 ms后發(fā)送診斷字節(jié)。若天線正常工作，發(fā)送診斷字節(jié)AF_H；若無法測量到天線振蕩或檢測到短路導(dǎo)致至少一個(gè)全橋驅(qū)動器關(guān)閉，則發(fā)送診斷字節(jié)FF_H以指示故障模式。通過將模式控制寄存器的SYNC位置為高電平，可將SCI編碼器切換到同步數(shù)據(jù)傳輸模式。在該模式下，SCIO輸出為高電平表示有新字節(jié)準(zhǔn)備好傳輸，微控制器通過TXCT引腳向SCI編碼器發(fā)送八個(gè)時(shí)鐘信號（下降沿有效），即可在SCIO處接收8位數(shù)據(jù)。

控制邏輯模塊

控制邏輯是TMS3705電路的核心，它包含一個(gè)序列器或狀態(tài)機(jī)，用于控制基站的全局操作。該模塊具有默認(rèn)模式配置，也可通過微控制器的TXCT串行輸入引腳進(jìn)行控制，以更改配置并控制可編程頻率分頻器。為此，該模塊中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模式控制寄存器，可由微控制器寫入。默認(rèn)模式是只讀模式，使用默認(rèn)頻率作為全橋的載波頻率，因此無需寫入模式控制寄存器（寄存器填充為低電平狀態(tài)）。微控制器與基站之間的通信序列從TXCT保持低電平一段固定時(shí)間以啟動充電階段開始，當(dāng)TXCT再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，模塊進(jìn)入讀取階段，通過SCIO引腳向微控制器的數(shù)據(jù)傳輸開始。另一種只讀模式與默認(rèn)模式的區(qū)別在于，在充電階段開始前需要寫入模式控制寄存器。寫入 - 讀取模式從對模式控制寄存器進(jìn)行編程開始，然后TXCT保持低電平一段固定時(shí)間以啟動充電階段。當(dāng)TXCT再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，寫入階段開始，數(shù)據(jù)通過TXCT引腳、控制邏輯、預(yù)驅(qū)動器和全橋，以100%的幅度調(diào)制和固定延遲時(shí)間從微控制器傳輸?shù)綉?yīng)答器。寫入階段結(jié)束后，TXCT再次變?yōu)榈碗娖揭詥恿硪粋€(gè)充電或編程階段，當(dāng)TXCT再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，讀取階段開始。模式控制寄存器的內(nèi)容定義了模式以及如何選擇分頻器生成的載波頻率，以盡可能接近應(yīng)答器的諧振頻率。

測試引腳模塊

IC具有一個(gè)用于接收器模擬部分的模擬測試引腳A_TST和一個(gè)用于測試內(nèi)部邏輯的數(shù)字輸出引腳D_TST，這兩個(gè)引腳無需連接。

四、應(yīng)用與支持

應(yīng)用場景

TMS3705適用于多種應(yīng)用場景，如汽車進(jìn)入系統(tǒng)、車輛防盜系統(tǒng)、建筑物門禁系統(tǒng)以及畜牧閱讀器等。在這些應(yīng)用中，TMS3705能夠準(zhǔn)確地識別應(yīng)答器信號，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制。

設(shè)計(jì)與布局

文檔中提供了典型的應(yīng)用圖和材料清單，為工程師的設(shè)計(jì)和布局提供了參考。在設(shè)計(jì)過程中，需要注意天線的選擇和匹配，以及各個(gè)模塊的電源和接地處理，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

工具與軟件支持

TI提供了多種設(shè)計(jì)套件和評估模塊，如ADR2評估套件和PaLFI評估套件，方便工程師進(jìn)行產(chǎn)品評估和開發(fā)。同時(shí)，還有豐富的文檔支持，包括應(yīng)用報(bào)告、數(shù)據(jù)手冊等，幫助工程師深入了解產(chǎn)品特性和使用方法。

技術(shù)支持與注意事項(xiàng)

TI的E2E?支持論壇為工程師提供了獲取快速、準(zhǔn)確答案和設(shè)計(jì)幫助的渠道。在使用TMS3705時(shí)，需要注意靜電放電（ESD）的防護(hù)，因?yàn)樵?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路可能會受到ESD的損壞。

總結(jié)

TMS3705作為一款功能強(qiáng)大的射頻識別基站IC，憑借其豐富的功能、出色的性能和低功耗特性，為電子工程師在設(shè)計(jì)各種RFID系統(tǒng)時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。通過深入了解其各個(gè)功能模塊和技術(shù)細(xì)節(jié)，工程師可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，打造出更加高效、穩(wěn)定的RFID系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合TI提供的工具和支持資源，能夠進(jìn)一步加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，提高產(chǎn)品的競爭力。大家在使用TMS3705的過程中，是否也遇到過一些有趣的問題或者有獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。