CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG vô TUYẾN RFID

ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG VÔ TUYẾN RFID Radio Frequency Identification TỔNG HỢP: NGUYỄN VĂN HIỆP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ RFID I - Công nghệ RFID Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép thiết bị đọc thông tin chứa chip không tiếp xúc trực tiếp khoảng cách xa, không thực giao tiếp vật lý Công nghệ cho ta phương pháp truyề Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thơng khơng dây dải tần sóng vơ tuyến để truyền liệu từ tag ) đến reader (bộ đọc) Tag đính kèm gắn vào đối tượng nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp (pallet) Reader scan liệu tag gửi thơng tin đến sở liệu có lưu trữ liệu tag Chẳng hạn, tag đặt kính chắn gió xe để hệ thống thu phí đường nhanh chóng nhận dạng thu tiền tuyến đường Dạng đơn giản sử dụng hệ thống RFID bị động làm việc sau: reader truyền tín hiệu tần số vơ tuyến điện từ qua anten đến chip Reader nhận thơng tin trở lại từ chip gửi đến máy tính điều khiển đầu đọc xử lý thông tin lấy từ chip Các chip khơng tiếp xúc khơng tích điện, chúng hoạt động cách sử dụng lượng nhận từ tín hiệu gửi reader II Lịch sử RFID đánh dấu từ năm 1930 công nghệ RFID có nguồn gốc từ năm 1897 Guglielmo Marconi phát radio RFID áp dụng nguyên tắc vật lý truyền phát rad ng điện từ truyền nhận dạng liệu khác Để hiểu rõ giống này, hình dung trạm radio phát âm âm nhạc qua phát Dữ liệu cần phải mã hóa sang dạng sóng radio có tần số xác định Tại vị trí khác nhau, người nghe có máy radio để giải mã liệu từ trạm phát (âm âm nhạc) Mọi người nhận biết khác chất lượng sóng radio ngồi xe Khi di chuyển xa phát tín hiệu thu yếu Khoảng cách theo hướng vùng mà sóng radio phát bao phủ xác định điều kiện mơi trường, kích thước lượng anten đường giao tiếp Sử dụng thuật ngữ RFID, có chức trạm truyền gọi transponder (tag) tạo thành từ thuật ngữ transmitter responder; vật có chức radio gọi reader (bộ đọc) hay interrogator Anten xác định phạm vi đọc (range) Ba thành phần tag, reader anten khối hệ thống RFID Khi thay đổi lượng, kích thước, thiết kế anten, tần số hoạt động, số lượng liệu phần mềm để quản lý xuất liệu tạo nhiều ứng dụng Cơng nghệ RFID giải nhiều toán kinh doanh thực tế Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com a Thời kỳ đầu RFID Vào năm 1930 Army Navy gặp phải thử thách xác định mục tiêu mặt đất, biển bầu trời Vào năm 1937 phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát triển hệ thống xác định Friend-or-Foe (IFF) cho phép đối tượng thuộc quân ta (friend) ví dụ máy bay Allied phân biệt với máy bay địch Kỹ thuật trở nên phổ biến hệ thống điều khiển lưu thông hàng không bắt đầu vào cuối thập niên 50 Những ứng dụng sóng RF vào việc xác định vật thể suốt thập niên 50 giới hạn chủ yếu quân đội, phòng lab nghiên cứu, doanh nghiệp lớn thiết bị có giá cao kích thước lớn Những thiết bị to lớn cồng kềnh tiền thân hệ thống gọi RFID ngày Hình 2.1 mơ tả hình ảnh thiết bị IFF kề bên thiết bị RFID ngày Hình 2.1 Thiết bị IFF (bên trái), thiết bị RFID (tích cực) đại ngày ông nghệ sản phẩm gọn giá rẻ như: cơng nghệ tích hợp IC, chip nhớ lập trình được, vi xử lý, phần mềm ứng dụng đại ngày ngôn ngữ lập trình làm cho cơng nghệ RFID có xu hướng chuyển sang lĩnh vực thương mại rộng lớn Cuối thập kỉ 60 đầu thập kỉ 70 nhiều công ty Sensormatic and Checkpoint Systems giới thiệu sản phẩm phức tạp ứng dụng rộng rãi Những công ty bắt đầu phát triển thiết bị giám sát điện tử (electronic article surveillance EAS) để bảo vệ kiểm kê sản phẩm quần áo cửa hàng, sách thư viện Hệ thống RFID thương mại ban đần hệ thống RFID tag bit (1-bit tag) giá rẻ để xây dựng, thực bảo hành Tag khơng địi hỏi nguồn pin (loại thụ động) dễ dàng đặt vào sản phẩm thiết kế để khởi động chuông cảnh báo tag đến gần đọc, thường đặt lối vào, phát có mặt tag Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.2 Các mốc quan trọng giai đoạn đầu RFID b Phát vật thể riêng biệt Suốt thập kỷ 70, công nghiệp sản xuất, vận chuyển bắt đầu nghiên cứu phát triển dự án để tìm cách dùng IC dựa hệ thống RFID Có nhiều ứng dụng công nghiệp tự động, xác định thú vật, theo dõi lưu thông Trong giai đoạn tag có IC tiếp tục phát triển đặc tính: nhớ ghi được, tốc độ đọc nhanh khoảng cách đọc xa Đầu thập niên 80 công nghệ phức tạp RFID áp dụng nhiều ứng dụng: đặt đường ray Mỹ, đánh dấu thú vật nông trại châu Âu Hệ thống RFID dùng nghiên cứu động vật hoang dã đánh dấu loài nguy hiểm Vào thập niên 90, hệ thống thu phí điện tử trở nên phổ biến Thái Bình Dương: Ý, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha… Mỹ: Dallas, New York New Jersey Những hệ thống cung cấp dạng truy cập điều khiển phức tạp cịn bao gồm máy trả tiền Đầu năm 1990, nhiều hệ thống thu phí Bắc Mỹ tham gia lực lượng mang tên EZPass Interagency Group (IAG) phát triển vùng có hệ thống thu phí điện tử tương thích với Đây cột mốc quan trọng để tạo ứng dụng tiêu chuẩn Hầu hết tiêu chuẩn tập trung đặc tính kỹ thuật tần số hoạt động giao thức giao tiếp phần cứng E-Zpass tag đơn tương ứng với tài khoản phương tiện Tag xe truy cập vào đường cao tốc hệ thống thu phí mà khơng phải dừng lại E-Z Pass giúp lưu thông dễ dàng giảm lực lượng lao động để kiểm soát vé thu tiền Cùng vào thời điểm này, khóa (card RFID) sử dụng phổ biến thay cho thiết bị máy móc điều khiển truy nhập truyền thống khóa kim loại khóa số Những sản phẩm gọi thẻ thông minh không tiếp xúc cung cấp thông tin người dùng, giá thành thấp để sản xuất lập trình Bảng 2-1 so sánh phương pháp điều khiển truy cập thông thường điều khiển truy cập RFID Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phƣơng pháp điều khiển truy nhập Chìa khóa kim loại Ƣu điểm  Không cần nguồn điện  Dễ sử dụng Khóa kết hợp  Có thể dễ dàng thay đổi kết hợp  Khơng có chìa khóa nên khơng lo bị hay bị đánh cắp  Dễ dàng copy  Khóa bẻ  Dễ bị trộm  Đắt khóa kim loại  Dễ bị cơng Thẻ đóng dấu  Khơng thể nhân lên dễ dàng khóa kim loại Thẻ dùng dải từ trường Thẻ thông minh RFID  Sử dụng kỹ thuật c linh hoạt  Khó copy  Có sẵn đọc card  Sử dụng lâu thẻ hư  Việc lắt đặt yêu cầu sở IT  Cùng thẻ sử dụng cho nhiều ứng dụng  Có khả bảo mật cao thẻ dùng dải từ trường  Đắt thẻ từ trường  Như thẻ thông minh  Không cần phải tiếp xúc  Có thẻ gắn lên sản phẩm da  Đắt thẻ thông minh Điều khiển truy nhập RFID tiếp tục có bước tiến Các nhà sản xuất xe dùng tag RFID gần thập kỉ qua cho hệ thống đánh lửa xe làm giảm khả trộm cắp xe Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.3 Những mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990 c RFID phát triển phạm vi toàn cầu Cuối kỉ 20, số lượng ứng dụng RFID đại bắt đầu mở rộng theo hàm mũ phạm vi toàn cầu Dưới vài bước tiến quan trọng góp phần đẩy mạnh phát triển Texas Instrument tiên phong Mỹ o năm 1991, Texas Instrument tiên phong hệ thống RFID Mỹ, công ty tạo hệ thống xác nhận đăng ký Texas Instrument (TIRIS) Hệ thống TI-RFID (Texas Instruments Radio Frequency Identification System) n tản cho phát triển thực lớp ứng dụng RFID Châu Âu bắt đầu công nghệ RFID từ sớm Ngay trước Texas Instrument giới thiệu sản phẩm RFID, vào năm 1970 EM Microelectronic-Marin công ty The Swatch Group Ltd thiết kế mạch tích hợp lượng thấp cho đồng hồ Thụy Sỹ Năm 1982 Mikron Integrated Microelectronics phát minh công nghệ ASIC năm 1987 phát triển công nghệ đặc biệt liên quan đến việc xác định thẻ thông minh Ngày EM Microelectronic Philips Semiconductors hai nhà sản xuất lớn châu Âu lĩnh vực RFID Phát triển thẻ thụ động thập niên 90 Cách vài năm ứng dụng chủ yếu thẻ RFID thụ động, minh họa bảng 2.2 ứng dụng tần số thấp (LF) tần số cao (HF) phổ RF Cả LF HF giới hạn khoảng cách tốc độ truyền liệu Cho mục đích thực tế khoảng cách ứng dụng đo inch Việc giới hạn tốc độ ng hàng trăm chí hàng ngàn tag có mặt trường đọc thời điểm Cuối thập niên 90 tag thụ động cho tần số siêu cao (UHF) làm cho khoảng cách xa hơn, tốc độ cao hơn, giá rẻ hơn, tag thụ động vư thuộc tính thêm vào hệ thống RFID dựa UHF lựa chọn cho ứng dụng dây chuyền cung cấp quản lý nhà kho, kiểm kê sản phẩm Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bảng 2.2 Các ứng dụng tiêu biểu dùng công nghệ RFID LF HF Điều khiển truy nhập Xác định động vật Xác định hàng hóa máy bay Thanh tốn tiền Chống trộm cho xe Giám sát điện tử Đánh dấu tài liệu Định thời cho thể thao ng năm 1990 đầu năm 2000 nhà phân phối Wal-Mart, Target, Metro Group quan phủ U.S Department of Defense (DoD) bắt đầu phát triển yêu cầu việc sử dụng RFID nhà cung cấp Vào thời điểm EPCglobal thành lập, EPCglobal hỗ trợ hệ thống mã sản phẩm điện tử (Electronic Product Code Network EPC) hệ thống trở thành tiêu chuẩn cho xác nhận sản phẩm tự động Hình 2.4 Những mốc quan trọng từ năm 1990 đến III - Thành phần hệ thống RFID Một hệ thống RFID tập hợp thành phần mà thực thi giải pháp RFID Một hệ thống RFID bao gồm thành phần sau :  Tag: thành phần bắt buộc hệ thống RFID  Reader: thành phần bắt buộc  Reader anten: thành phần bắt buộc Một vài reader hành ngày có sẵn anten  Mạch điều khiển (Controller): thành phần bắt buộc Tuy nhiên, hầu hết reader có thành phần gắn liền với chúng  Cảm biến (sensor), cấu chấp hành (actuator) bảng tín hiệu điện báo (annunciator): thành phần hỗ trợ nhập xuất hệ thống Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Máy chủ hệ thống phần mềm: Về mặt lý thuyết, hệ thống RFID hoạt động độc lập khơng có thành phần Thực tế, hệ thống RFID gần khơng có ý nghĩa khơng có thành phần  Cơ sở hạ tầng truyền thơng: thành phần bắt buộc, tập gồm hai mạng có dây khơng dây phận kết nối để kết nối thành phần liệt kê với để chúng truyền với hiệu Hình 2-5 mơ hình hệ thống RFID Hình 2-5 Sơ đồ khối hệ thống RFID Hình 2-6 Hệ thống RFID với thiết bị Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com IV - Phƣơng thức làm việc RFID Một hệ thống RFID có ba thành phần bản: tag, đầu đọc, máy chủ Tag RFID gồm chip bán dẫn nhỏ anten thu nhỏ số hình thức đóng gói Vài tag RFID giống nhãn giấy ứng dụng để bỏ vào hộp đóng gói Một số khác dán vào vách thùng chứa làm plastic Còn số khác xây dựng thành miếng da bao cổ tay Mỗi tag lập trình với nhận dạng cho phép theo dõi không dây đối tượng người gắn tag Bởi chip sử dụng tag RFID giữ số lượng lớn liệu, chúng chứa thơng tin chuỗi số, thời dấu, hướng dẫn cấu hình, liệu kỹ thuật, sổ sách y học, lịch trình Cũng phát sóng tivi hay radio, hệ thống RFID sử dụng bốn băng thơng tần số chính: tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF) sóng cực ngắn (viba) Các hệ thống siêu thị ngày hoạt động băng thông UHF, hệ thống RFID cũ sử dụng băng thông LF HF Băng thông viba để dành cho ứng dụng tương lai Các tag cấp nguồn pin thu nhỏ tag (các tag tích cực) reader mà “wake up” (đánh thức) tag để yêu cầu trả lời tag phạm vi (tag thụ động) 2-7 er RFID Tag tích cực đọc xa 100 feet tính từ reader tag RW (với nhớ viết lên xóa ổ cứng máy tính) tag RO Tag thụ động đọc xa reader 20 feet có nhớ RO Kích thước tag, giá cả, dải đọc, độ xác đọc/ghi, tốc độ liệu chức hệ thống thay đổi theo đặc điểm nêu thiết kế dải tần hệ thống FRID sử dụng Reader gồm anten liên lạc với tag đơn vị đo điện tử học nối mạng với máy chủ Đơn vị đo tiếp sóng máy chủ tất tag phạm vi đọc anten, cho phép đầu đọc liên lạc đồng thời với hàng trăm tag Nó thực thi chức bảo mật mã hóa/ giải mã xác thực người dùng Reader phát tag Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khơng nhìn thấy chúng Hầu hết mạng RFID gồm nhiều tag nhiều đầu đọc nối mạng với máy tính trung tâm, thường trạm làm việc gọn để bàn Máy chủ xử lý liệu mà reader thu thập từ tag dịch mạng RFID hệ thống công nghệ thông tin lớn hơn, mà nơi quản lý dây chuyền sở liệu quản lý thực thi Middleware phần mềm nối hệ thống RFID với hệ thống IT quản lý luồng liệu V - Các ứng dụng RFID Các ứng dụng thương mại cho đầu tư cung cấp việc quản lý dây chuyền khiến cho phát triển gia tăng công nghệ RFID Wal-Mart®, trung tâm bán lẻ lớn giới, khu quân Mỹ (DoD), nhà điều hành dây chuyền lớn giới thúc đẩy gia tăng việc yêu cầu nhà cung cấp sử dụng tag RFID Wal-Mart yêu cầu 100 nhà cung cấp lớn bắt đầu làm thẻ pallet cho vào hộp thẻ RFID thụ động trước tháng năm 2005, thúc đẩy nhà bán lẻ khác thực kế hoạch tương tự DoD nhanh chóng theo yêu cầu thêm thùng đựng hàng vận c lục địa Mỹ có tag RFID chủ động để nhận biết chứa đựng bên nguồn gốc Sự phát triển Wal-Mart, DoD, nhiệm vụ RFID đưa công nghệ thành xu chủ đạo làm cho sinh lợi nhiều Hướng sáp nhập cơng nghệ RFID thành dây chuyền thúc đẩy có lợi mà dễ thấy kiểm kê: tăng lượt vận chuyển, nhận, cung cấp có suất, giảm giá cho việc lao động chân tay, xếp hàng thất thoát kiểm kê Các reader cài lúc chất hàng cửa bến tàu phát tag hàng hóa pallet qua cửa Đầu đọc gửi lệnh đến tag để phát nhận dạng chúng, thu thập thông tin chuyển tiếp đến máy tính Và máy tính ghi sở liệu kiểm kê dựa vào hàng hóa nhập hay xuất Nếu hệ thống sử dụng tag thơng minh, máy tính ghi ngày giao/nhận thời gian tag Cũng khả làm cho ý tưởng RFID quản lý dây chuyền mạnh an ninh quốc gia, luật pháp Các ứng dụng gồm đặc tính kiểm tra (chẳng hạn súng cầm tay, thiết bị liên lạc, máy tính), kiểm tra chứng, passport kiểm tra visa, kiểm tra cán tiện nghi xâm nhập hệ thống điều khiển tòa nhà phòng (chẳng hạn thiết bị vào khơng khóa) Công nghệ RFID xây dựng việc xử phạt an ninh quốc gia rộng luật pháp :  , an ninh:      p: k :    Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chuỗi nhận bao gồm mạch lấy mẫu giữ, khử độ lệch DC (DC offset cancellation), lọc lấy dãi (bandpass filter), so sánh (comparator) Điện áp DC tín hiệu chân DEMOD_IN đặt AGND điện trở bên Tín hiệu AM lấy mẫu, việc lấy mẫu phải đồng xung clock từ khối VCO (Voltage Controlled Oscillator) Tụ CDEC lấy thành phần DC từ tín hiệu Bộ lọc highpass filter cấp hai tụ CDC2 thực việc lọc tiếp theo: lấy tín hiệu sóng mang cịn lại, tần số nhiễu thấp cao Tín hiệu nhận từ khối khuếch đại vào lọc đưa tới khối so sánh khơng đồng Sau tín hiệu ngõ so sánh đệm chân DEMOD_OUT Tín hiệu RDY/CLK Chân RDY/CLK cho tín hiệu RDY/CLK Tín hiệu cung cấp cho vi điều khiển xung tín hiệu đồng với tín hiệu chân ANT1 đồng với thông tin bên EM4095 Xung tín hiệu đồng với chân ANT1 cho biết khối PLL (Phase locked loop) khóa điểm làm việc chuỗi nhận (Reception chain) thiết lập Khi SHD mức cao chân RDY/CLK điều khiển xuống mức thấp Sau chân SHD chuyển từ mức cao xuống mức thấp khối PLL (Phase locked loop) bắt đầu hoạt động, chuỗi reception chain chuyển lên on Sau thời gian TSET khối PLL (Phase locked loop) khóa lại điểm làm việc chuỗi reception chain thiết lập Tại thời điểm tín hiệu chuyển tới chân ANT1 chuyển tới chân RDY/CLK, sau tín hiệu chuyển tới vi điều khiển, nhờ vi điều khiển bắt đầu quan sát tín hiệu chân DEMOD_OUT đưa tín hiệu xung clock tham chiếu thời điểm Xung clock chân RDY/CLK tiếp tục truyền, xung diện suốt thời gian ANT drivers trạng thái OFF chân MOD mức cao Trong suốt thời gian T SET chuyển từ mức cao sang mức thấp chân SHD chân RDY/CLK kéo xuống điện trở kéo xuống 100 kΩ Cần phải có thêm điện trở chân RDY/CLK điện trở cần có trường hợp số điều chế nhỏ 100% Trong trường hợp sử dụng driver phụ có biên độ thấp cuộn dây suốt trình điều chế (xem thêm phần cấu hình hoạt động tiêu chuẩn) Cấu hình hoạt động tiêu chuẩn Chế độ đọc Hình a Chế độ đọc Trang 89 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chế độ đọc/ghi (Low Q factor antenna) Hình b Chế độ đọc/ghi (Low Q factor antenna) Chế độ đọc/ghi (High Q factor antenna) Hình c Chế độ đọc/ghi (High Q factor antenna) Chế độ đọc/ghi (điều chế AM) Hình d Chế độ đọc/ghi (điều chế AM) Hình a EM4095 sử dụng chế độ đọc Chân MOD không sử dụng Tốt ta nên nối chân MOD tới chân mass VSS Trang 90 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình b giao thức liên lạc đọc Reader tag (transponder) theo chuẩn OOK cấu hình R/W Điện áp anten đạt hàng trăm volt dịng điện đạt giá trị cực đại chất lượng anten cao sử dụng cấu hình a, hình b Trong trường hợp tỉ số chia điện dung cao làm giới hạn độ nhạy Để khắc phục ta thêm điện trở mắc nối tiếp vào mạch anten Như ta giảm dịng qua anten lượng tiêu hao IC khơng ảnh hưởng đến mạch (hình c) Hình d Sơ đồ mạch điện hình d sử dụng trường hợp giao thức truyền điều chế tag reader có đầu đơn Khi chân MOD kéo lên mức cao chân ANT1 đặt tình trạng trạng thái, chân RDY/CLK tiếp tục điều khiển trì dịng antenna thấp Chỉ số điều chế điều chỉnh điện trở RAM Như đề cập trước tín hiệu chân RDY/CLK bắt đầu tác động sau việc giải điều chế hoàn tất Trước chân RDY/CLK kéo xuống mức thấp băng điện trở 100kΩ để không cho ANT1 tác động Trong trường hợp cấu hình điều chế AM thời điểm chân RDY/CLK tác động tất dịng anten thay đổi, vi điều khiển cần phải đợi khoảng thời gian TSET nhận tín hiệu chân DEMOD_OUT Chế độ đọc với dị bên ngồi Hình e Chế độ đọc với dị bên ngồi Trang 91 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chế độ đọc ghi với dị bên ngồi Hình f Chế độ đọc ghi với dị bên ngồi Như đề cập trước điểm Q điện áp anten mức cao độ nhạy đọc (read sensitivity) bị giới hạn độ nhạy giải điều chế Độ nhạy đọc (hay cịn gọi reading range) tăng lên cách sử dụng mạch dị gắn bên ngồi Ngõ vào gắn vào anten, điện áp ngõ mức cao hồi chân CDEC_IN Tuy nhiên, chia tụ điện cần thiết để hỗ trợ khối PLL Ở hình e, dị thêm vào gồm: D1, R1, C1 Ở hình d, cấu hình sử dụng để đọc ghi, có điểm hạn chể không đáp ứng yêu cầu, sau đọc tag khơng thể đọc tag lại lần cách nhanh chóng mà phải đợi khoảng thời gian Lí điện áp DC bị diode D1 trình điều chế nên phải khoảng thời gian sau hoạt động tiếp tục Hình e đưa giải pháp để giải vấn đề Một transistor NMOS điện áp cao gắn để làm nhiệm vụ phóng điện suốt trình điều chế, nên điểm làm việc lúc trì Tín hiệu điều khiển cực gate NMOS xuống mức thấp đồng với tín hiệu chân MOD, lên mức cao sau biên độ anten hồi phục sau điều chế 14 Mô tả chức chân IC SOIC 16 package Chân 10 Tên VSS RDY/CLK ANT1 DVDD DVSS ANT2 VDD DEMOD_IN CDEC_OUT CDEC_IN Mô tả Cung cấp nguồn âm Cờ báo sẵn sàng ngõ xung clock, driver điều chế AM Antenna driver Cung cấp nguồn dương cho antenna drivers Cung cấp nguồn âm cho antenna drivers Antenna driver Cung cấp nguồn dương Điện áp cảm biến antenna Ngõ kết nối với DC blocking capacitor Ngõ vào kết nối với DC blocking capacitor Loại GND O O PWR GND O PWR ANA ANA ANA Trang 92 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 12 13 14 15 16 AGND MOD DEMOD_OUT SHD FCAP DC2 Analog ground Điện áp mức cao điều chế tín hiệu antenna Tín hiệu số biểu diễn tín hiệu antenna Điện áp mức cao ép mạch điện vào chế độ sleep mode Tụ lọc PLL Tụ cách ly DC ANA IPD O IPU ANA ANA GND: reference ground PWR: power supply ANA: analog signal IPD: input with internal pull down IPU: input with internal pull up O: output 15 Công thức: Tần số cộng hưởng anten f0: f0 LAC C0 phụ thuộc vào CRES, CDV1, CDV2 tính cơng thức sau: CDV * CDV CDV CDV CO CRES Điện trở nối tiếp anten phụ thuộc vào cảm kháng LA Q factor QA: RANT f LA QA Cơng thức có hình 1, 2, Ở hình RSER coi Biên độ dòng điện tần số cộng hưởng: IANT Vdd Vss RANT RSER RAD Dòng hiệu dụng anten: IRMS IANT Điện áp đỉnh đỉnh anten: VANTpp IANT f 0C Điện áp đỉnh đỉnh chân DEMOD_IN tính thơng qua chia điện dung: Trang 93 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com VDMOD _ INpp VANTpp CDV CDV CDV Công suất tiêu tán bao gồm công suất tiêu tán ANT drivers công suất tiêu thụ bên trong: P IRMS RAD IDDon(VDD VSS ) Nhiệt độ tăng lên công suất tiêu tán: T P RTh RTh điện trở nhiệt vỏ Trang 94 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DATASHEET EM 4102 Mô tả EM4102 (tên trước H4102) IC CMOS sử dụng tag RF đọc Mạch điện tag cấp lượng cuộn dây bên đặt trường điện từ, lấy xung clock từ cuộn dây bên Chip gởi 64 bit thơng tin chứa mảng nhớ lập trình sẵn cách tắt mở dòng điều chế Chip lập trình cách sử dụng tia laser đốt cháy liên kết silic đa tinh thể (polysilicon link) để chứa đoạn mã chip Như chip có đoạn mã riêng EM4102 có nhiều loại tùy thuộc vào loại mã tốc độ truyền liệu Tốc độ truyền liệu bit gấp 64, 32 16 lần chu kì tần số sóng mang Dữ liệu mã hóa theo Manchester, Biphase PSK Vì IC tiêu thụ lượng nên không cần gắn thêm tụ điện làm nhiệm vụ đệm Chip muốn hoạt động cần có cuộn dây gắn bên ngồi Chip cịn tích hợp tụ điện cộng hưởng 78pF mắc song song Chức  64 bit nhớ kiểu mảng lập trình laser  Tốc độ truyền liệu mã hóa có nhiều kiểu lựa chọn  Tụ điện cộng hưởng tích hợp chip  Tụ điện đệm tích hợp chip  Giới hạn điện áp tích hợp chip  Bộ nắn điện ngun sóng tích hợp chip  Khả điều chế rộng trở kháng điều chế chip nhỏ  Tần số hoạt động 100 – 150 kHz  Kích thước chip nhỏ thuận tiện cho việc cấy chip vào thể  Tiêu thụ lượng thấp Ứng dụng  Dùng tag để cấy vào thể động vật  Dùng tag để gắn lên tai động vật  Dùng tag công nghiệp Trang 95 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cấu hình hoạt động đặc trƣng Cấu hình hoạt động đặc trưng EM4102 Chức chân Chức chân EM4102 Trang 96 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Giá trị cực đại định mức Thơng số Dịng cực đại COIL1 COIL2 Kí hiệu ICOIL Điều kiện ±30mA Nguồn cung cấp VDD -0.3 tới 7.5V Nhiệt độ đế Nhiệt độ bảng mạch in Tstore Tstore -55 tới +200°C -55 tới +125°C Điện áp phóng điện lớn VESD 2000V Chú ý hoạt động thông số cực đại liệt kê gây hư hỏng lâu dài thiết bị Hoạt động vượt q thơng số lý thuyết làm giảm độ tin cậy thiết bị gây hư hỏng Thủ tục lắp ráp Thiết bị bảo vệ để chống lại tích điện điện áp cao trường điện từ; nhiên, việc đề phòng chống tĩnh điện phải thực cho thành phần CMOS có mạch Thiết bị hoạt động tất điện áp giữ dãi điện áp cho phép Các ngõ vào không sử dụng phải nối tới mức điện áp định Điều kiện hoạt động Thông số Nhiệt độ hoạt động Dòng cưc đại cuộn dây Điện áp AC cuộn dây Tần số cung cấp Kí hiệu Top ICOIL Vcoil fcoil Min -40 -10 100 Typ Max +85 10 14* 150 Đơn vị °C mA Vpp kHz *) Điện áp AC cuộn dây giới hạn điện áp giới hạn chip Điện áp phụ thuộc vào ICOIL bảng Giá trị cực đại định mức Trang 97 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyên lý hoạt động hệ thống Nguyên lý hoạt động hệ thống 10 Đặc điểm điện VDD = 1.5V, VSS = 0V, fC1 = 134kHz sóng vng, Ta = 25°C Thơng số Điện áp cung cấp Kí hiệu VDD Điều kiện kiểm tra Điện áp chỉnh lưu VDDREC VCOIL1 - VCOIL2 = 2.8 VDC Modulator switch = “ON” Vcoil=100mVRMS f=10kHz Điện dung Coil1 Coil2 Cres Tụ điện nguồn cung cấp Csup Mã hóa Manchester biphase Dịng cung cấp IDD IDDPSK Mã hóa PSK Dịng cung cấp Min 1.5 Typ Max Đơn vị V 1.5 V 78 pF 125 pF 0.6 1.5 µA 0.9 2.0 µA 11 Đặc điểm thời gian VDD = 1.5V, VSS = 0V, fC1 = 134kHz sóng vng, Ta = 25°C Thơng số Kí hiệu Điều kiện kiểm tra Giá trị Chu kì đọc Trdb Phụ thuộc vào chọn lựa 64, 32, 16 bit Đơn vị Chu kì RF Trang 98 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Dạng sóng theo thời gian Dạng sóng theo thời gian 13 Sơ đồ khối Sơ đồ khối EM4102 14 Mô tả khối chức Giới thiệu chung Nguồn cấp cho EM4102 điện áp sinh cảm ứng cuộn dây trường điện từ Điện áp AC chỉnh lưu thành điện áp DC cấp cho IC Chip gởi chuỗi bit liên tục chip ngưng cấp nguồn Bộ nắn điện nguyên sóng (Full Wave Rectifier) Điện áp AC sinh cảm ứng cuộn dây trường điện từ chỉnh lưu cầu Graetz bridge Cầu chỉnh lưu giới hạn điện áp DC bên để chống nhiễu Clock Extractor COIL1 sử dụng để phát xung clock điều khiển (master clock) Ngõ Clock Extractor dùng để điều khiển xếp trình tự (Sequencer) Trang 99 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bộ xếp trình tự (Sequencer) Bộ xếp trình tự (Sequencer) cung cấp tồn tín hiệu cần thiết để định địa mảng nhớ mã hóa chuỗi liệu nối tiếp ngõ Ta mã hóa liệu theo kiểu: Manchester, biphase and PSK Kiểu mã hóa Manchester, biphase có tốc độ bit gấp 64 32 lần chu kì tần số mành (field frequency) Kiểu mã hóa PSK có tốc độ bit gấp 16 lần chu kì tần số mành (field frequency) Bộ xếp trình tự (Sequencer) nhận xung clock từ COIL1 thơng qua Clock Extractor để phát tín hiệu nội điều khiển nhớ q trình mã hóa liệu Điều chế liệu (Data Modulator) Tín hiệu điều khiển điều chế (the signal Modulation Control) điều khiển khâu điều chế liệu (Data Modulator) cách sinh dòng điện cảm ứng cao cuộn dây COIL2 Mảng nhớ kiểu mã hóa Manchester Bi-Phase EM4102 chứa 64 bit chia làm nhóm thơng tin bit sử dụng làm header, 10 bit chẵn lẻ theo hàng (P0-P9), bit chẵn lẻ theo cột (PC0-PC3), 40 bit liệu (D00-D93), bit stop mức logic Mảng nhớ kiểu mã hóa Manchester Bi-Phase Header bao gồm bit đầu tiên, tất bit lập trình mức logic Vì cách tổ chức liệu bit chẵn lẻ nên việc xếp thành chuỗi liệu gặp khó khăn Theo sau header 10 nhóm liệu, nhóm bit, ta tổ hợp thành 100 tỉ trường hợp, sau 10 nhóm hàng gồm bit kiểm tra tính chẵn theo cột Nhóm cuối cột gồm 10 bit kiểm tra tính chẵn theo hàng không bao gồm hàng kiểm tra chẵn lẻ Bit stop S0 lập trình mặc định có giá trị bit D00 tới D03 bit D10 tới D13 bit nhận dạng khách hàng 64 bit xuất dạng nối tiếp để điều khiển khâu điều chế Chuỗi liệu 64 bit xuất liên tục dừng khơng cịn nguồn cấp Trang 100 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mảng nhớ kiểu mã hóa PSK Mã PSK kiểm tra tính lẻ cho P0 P1 mức logic Từ bit P2 tơi P9 kiểm tra theo tính chẵn bit PC0 tới PC3 kiểm tra theo tính chẵn theo cột kiểm tra bit nhận dạng khách hàng (version bit) Mô tả mã (Code)  Manchester Ln có thay đổi từ ON sang OFF từ OFF sang ON chuỗi liệu Mã Manchester dùng phần đảo lại khoảng thời khoảng bit để biểu diễn bit đồng Thay đổi từ âm – dương biểu diễn bit từ dương – âm biểu diễn bit Mã Manchester  Mã Biphase Tại thời điểm bắt đầu bit, việc thay đổi diễn Bit giữ nguyên trạng thái suốt thời khoảng bit Bit thay đổi khoảng thời khoảng bit Mã Biphase  Mã PSK Việc đổi trạng thái xảy sau chu kì sóng mang Bit 0: có dịch pha xảy Bit 1: khơng có dịch pha xảy sau chu kì truyền Trang 101 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mã PSK 15 Mô tả chân Số thứ tự chân Tên COIL2 COIL1 VDD VSS Chức Đầu nối cuộn dây 2/ ngõ liệu Đầu nối cuộn dây 1/ ngõ vào xung clock Chân cấp nguồn dương bên Chân cấp nguồn âm bên 16 Kích thƣớc Chip Kích thước EM 4102 Trang 102 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO Himanshu Bhatt, Bill Glover: RFID Essentials, nhà xuất O'Reilly, tháng 1năm 2006 Bhuptani Manish, Moradpour Shahram: RFIDField Guide: Deploying Radio Frequency Identification Systems, nhà xuất Prentice Hall PTR , tháng năm 2005 Sandip Lahiri: RFID Sourcebook, nhà xuất Prentice Hall PTR tháng năm 2005 Roy Want: RFID Explained: A Primer on Radio Frequency Identification Technologies, nhà xuất Morgan & Claypool, năm 2006 Claus Kuhnel: BASCOM Programming of Microcontrollers with Ease: An introdution by program examples, nhà xuất Universal, năm 2001 GS.TSKH Phan Anh Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội GS.TSKH Phan Anh Giáo trình Lý thuyết Kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần Nguyễn Khánh An – Trương Quốc Dũng, Nghiên cứu thiết kế Module thu phát sử dụng công nghệ RFID, ĐH SPKT TPHCM 2009 10 Tài liệu từ website: http://www.mcselec.com/  EM4102 datasheet  EM4095 datasheet  BASCOM-AVR-Tutorial http://www.atmel.com/  Atmega88 datasheet  U2270B datasheet  TK 5551 datasheet http://www.dientuvietnam.net/ http://www.diendandientu.com/ Và số trang web liên quan Trang 103 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ...Chƣơng GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ RFID I - Công nghệ RFID Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép thiết bị đọc thông tin chứa... Mỹ có tag RFID chủ động để nhận biết chứa đựng bên nguồn gốc Sự phát triển Wal-Mart, DoD, nhiệm vụ RFID đưa công nghệ thành xu chủ đạo làm cho sinh lợi nhiều Hướng sáp nhập công nghệ RFID thành... thời khóa biểu thơng tin vô cụ thể RFID an ninh quốc gia Hội an ninh quốc gia Mỹ (DHS) nắm bắt RFID công nghệ chọn cho việc cải tiến an ninh biên giới Mỹ cửa Công nghệ RFID ý tưởng xác định vị