探索HTRC110 HITAG读取芯片：特性、应用与设计要点

引言

在当今的射频识别（RFID）技术领域，一款性能卓越的读取芯片对于系统的高效运行至关重要。NXP Semiconductors的HTRC110 HITAG读取芯片就是这样一款备受关注的产品。它专为与基于HITAG的应答器协同工作而设计，同时支持其他125kHz应答器类型，在众多领域展现出了强大的应用潜力。今天，我们就来详细探讨一下HTRC110的各个方面。

文件下载：HTRC11001T 03EE,11.pdf

一、芯片概述与特性

1.1 总体概述

HTRC110旨在与基于NXP Semiconductors HITAG应答器IC的应答器配合使用，同时也支持其他采用幅度调制进行写入操作、AM/PM进行读取操作的125kHz应答器类型。其接收器参数（增益因子、滤波器截止频率）可根据系统和应答器要求进行优化，便于集成到射频识别读取器中。芯片运用了先进技术，几乎将必要的构建模块完全集成，包括强大的天线驱动器/调制器、低噪声自适应采样时间解调器、可编程滤波器/放大器和数字化器，构建了设计高性能读取器所需的完整收发器单元。

1.2 特性与优势

• 优化适配：专为HITAG应答器IC优化，确保与相关应答器的高效通信。
• 强大驱动：具备稳健的天线线圈功率驱动级和调制器，为天线提供稳定的驱动信号。
• 高性能解调：采用高性能自适应采样时间AM/PM解调器（专利申请中），有效解决了传统包络检测器系统中因容差引起的零幅度调制问题。
• 读写功能：支持读写操作，满足多种应用场景需求。
• 时钟振荡器：片上时钟振荡器提供稳定的时钟信号。
• 故障检测：具备天线破裂和短路检测功能，提高系统的可靠性。
• 低功耗：拥有低功耗和极低功耗待机模式，降低能源消耗。
• 元件简单：外部元件数量少，采用小封装（SO14），减少电路板空间占用。

二、应用领域

2.1 畜牧跟踪

在畜牧养殖行业，HTRC110可用于对牲畜进行身份识别和跟踪。通过为每头牲畜佩戴基于HITAG技术的应答器，读取器可以实时获取牲畜的信息，如品种、健康状况、养殖记录等，便于农场主进行科学管理。

2.2 工业应用

在工业生产线上，它可实现对零部件、产品的跟踪和管理。读取器能够快速准确地识别产品信息，确保生产流程的顺畅进行，提高生产效率和质量。

2.3 物流行业

在物流领域，HTRC110可用于货物的追踪和管理。通过在货物上安装应答器，物流企业可以实时掌握货物的位置、状态等信息，优化物流配送流程，降低物流成本。

三、关键数据

3.1 电源与时钟

• 电源电压：5V±10%，为芯片提供稳定的工作电压。
• 时钟/振荡频率：4、8、12、16MHz可编程，天线载波频率为125kHz，可根据不同应用需求进行调整。

3.2 驱动与接口

• 天线驱动电流：连续200mAp，为天线提供足够的驱动能力。
• 串行接口：CMOS兼容，便于与微控制器进行通信。

3.3 封装与温度范围

• 封装形式：SO14，小尺寸封装适合多种应用场景。
• 工作温度范围：-40°C至+85°C，具有较宽的温度适应范围。

四、电路设计要点

4.1 最小应用电路

HTRC110的最小应用电路中，读取器线圈 $L{a}$ 与电容器 $C{a}$ 形成串联谐振LC电路（频率为125kHz）。LC电路中的高电压通过 $R{v}$ 和芯片内部电阻 $R{dem_in}$ 分压至安全工作水平。连接到XTAL1和XTAL2的两个电容器应选用晶体数据手册推荐的值和类型，也可使用陶瓷谐振器或外接时钟源连接到XTAL1。

4.2 功能模块设计

4.2.1 电源供应

芯片工作时需要5V±10%的外部电源，最大直流电流为137mA。为获得最佳性能，电源连接应通过一个靠近IC的100nF电容接地，以减少电源噪声的影响。

4.2.2 天线驱动与数据输入

天线驱动器向串联谐振天线电路提供方波电压，由于驱动器采用全桥配置，该电压 $U{drvpp}$ 约为10V（峰 - 峰），对应于 $hat{U}{drv}=5V$。天线中流动的电流为正弦形，其幅度可通过公式计算得出。

4.2.3 诊断功能

为检测天线短路或开路情况，会监测天线抽头电压。如果天线抽头电压不低于诊断电平DLEV，则在状态位ANTFAIL中报告天线故障情况，该检查在每个线圈驱动器周期进行。

4.2.4 振荡器与时钟

XTAL1/2处的晶体振荡器可使用晶体或陶瓷谐振器，提供4、8、12或16MHz的输入时钟频率。该频率通过可编程分频器分频得到125kHz的载波频率，也可通过XTAL1输入外部时钟信号。

4.2.5 自适应采样时间解调器

解调器感应应答器插入磁场时产生的吸收调制信号，该信号在天线抽头点（$L{a}$ 和 $C{a}$ 之间）拾取，经过分压和内部二阶低通滤波器滤波后，输入到同步解调器中恢复基带信号。解调器的放大和带通滤波器边缘频率可通过配置页面进行调整，以适应不同的应答器。

4.2.6 空闲与掉电模式

通过设置PD位和复位PD_MODE位，芯片可进入空闲模式，此时仅振荡器和少数其他系统组件处于活动状态。将PD和PD_MODE位都设置为1，芯片可进入掉电模式，此时时钟振荡器也会关闭，使芯片的电源电流降至小于20μA。

4.2.7 串行接口

HTRC110与微控制器之间通过三线数字接口进行通信，接口信号包括SCLK（时钟）、DIN（数据输入）和DOUT（数据输出）。每次通信开始前，需要通过DIN信号在SCLK为高电平时的低到高转换来初始化串行接口。

4.2.8 干扰滤波

将引脚5（MODE）连接到VDD可启用SCLK和DIN输入信号的数字滤波，提高接口信号对干扰的免疫力，适用于微控制器和读取器通过长信号线通信的“有源天线应用”。在其他应用中，引脚5应连接到GND。

五、命令集介绍

5.1 读取应答器数据

• READ_TAG：用于从应答器读取解调后的位流。发送该命令后，HTRC110立即切换到READ_TAG模式，将解调、滤波和数字化后的数据从应答器传输出来，由微控制器进行解码。该模式在SCLK发生低到高转换时终止。

5.2 写入数据到应答器

• WRITE_TAG_N：可用于向应答器写入数据。当N3至N0设置为零时，DIN信号直接传输到驱动器；若N3至N0加载了1到1111之间的二进制数，则驱动器在DIN的下一个正跳变时关闭，保持该状态的时间为 $N * T{0}$（$T{0}=8mu s$）。该模式在SCLK发生低到高转换时立即终止。
• WRITE_TAG：是WRITE_TAG_N的3位短形式，可在最短通信时间内切换到WRITE_TAG模式。其行为与WRITE_TAG_N类似，但不指定N参数，而是使用最近一次WRITE_TAG_N命令编程的N值；若此前未发出WRITE_TAG_N命令，则默认N = 0（透明模式）。

5.3 其他命令

• READ_PHASE：用于读取天线每个载波周期测量的相位，相位以二进制形式编码在D5至D0中。
• SET_SAMPLING_TIME：指定解调器的采样时间 $t_{s}$，采样时间以二进制形式编码在D5至D0中。
• GET_SAMPLING_TIME：用于读取通过SET_SAMPLINGTIME设置的采样时间 $t{s}$。
• SET_CONFIG_PAGE：用于设置放大器和滤波器参数（截止频率、增益因子）以及不同的操作模式。P1和P0用于选择四个配置页面之一。
• GET_CONFIG_PAGE：具有读取SET_CONFIG_PAGE设置的配置参数、WRITE_TAG_N编程的发射脉冲宽度以及系统状态信息等功能。

六、总结

NXP Semiconductors的HTRC110 HITAG读取芯片凭借其丰富的特性、广泛的应用领域和灵活的配置选项，为射频识别系统的设计提供了强大的支持。在实际应用中，工程师们需要根据具体的需求和场景，合理设计电路、配置命令参数，以充分发挥芯片的性能优势。同时，在使用过程中，也要严格遵守芯片的限制值和相关注意事项，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用HTRC110或者其他类似芯片时遇到过哪些有趣的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。