- ISO 11785 – Technical concept (khái niệm công nghệ ) :
3.1.5 IC RFID
Để phù hợp với lựa chọn Tag RFID ở trên và thỏa mãn yêu cầu của ứng dụng truy nhập, ta cũng chọn IC RFID phía bên đầu đọc cựng hóng Emmicroelectronic là EM4095. Đây là IC nằm trong khối HF trong cấu trúc xây dựng đầu đọc hoạt động ở tần số 125 kHz có giá thành tương đối rẻ (7 USD/chiếc) thường được ứng dụng trong nhiều đầu đọc ở tần số này.
Mô tả chung
EM4095 là một chip CMOS dùng trong khối HF của đầu đọc RFID cú cỏc chức năng:
- Điều khiển anten với tần số sóng mang
- Điều chế AM (biên độ) tín hiệu để ghi vào thẻ - Giải điều chế AM các tín hiệu nhận về từ thẻ
- Kết nối với một vi điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển truy xuất dữ liệu thông qua giao diện đơn giản
• Đặc điểm:
- Hệ thống tích hợp vũng khóa pha (Phase Locked Loop – PLL) để tự nhận tần số sóng mang thích hợp với tần số cộng hưởng của anten
- Không cần khối quartz tạo xung bên ngoài - Dải tần số hoạt động: 100 ữ 150 kHz
- Điều khiển anten trực tiếp sử dụng các cầu điều khiển
- Truyền dữ liệu bằng phương thức OOK (Điều chế biên độ 100% )
- Phù hợp với nhiều dạng Tag RFID (EM400x, EM4102, EM 4050, EM4150, …). - Chế độ sleep tiêu tốn 1μA
- Nguồn cung cấp có thể dùng giao diện USB
Ứng dụng: giám sát xe cộ, các đầu đọc cầm tay, các đầu đọc giá thành rẻ.
• Cấu hình hoạt động:
Sơ đồ bố trí cỏc chân:
Hình 3.14 Sơ đồ bố trí cỏc chõn của EM4095.
EM4095 gồm 16 chân được dùng với một anten gắn ngoài và một vi điều khiển. Hoạt động của IC này được điều khiển bởi đầu vào logic SHD và MOD.
Khi chân SHD ở mức cao thì EM4095 ở trạng thái sleep, công suất tiêu thụ được tối thiểu hóa. Trước khi hoạt động thỡ chõn SHD luôn ở mức cao để có quá trình khởi tạo đúng. Khi chân SHD ở mức thấp thì mạch điện có thể phát ra trường sóng vô tuyến, giải điều chế bất kỳ một tín hiệu điều chế biên độ (AM) nào mà nó phát hiện trên anten. Tín hiệu số từ khối giải điều chế AM được đưa vào chân DEMOD_OUT để chuyển sang vi điều khiển thực hiện giải mã và xử lý.
Khi chân MOD ở mức cao, bắt buộc các khối điều khiển chính của anten phải ở 3 trạng thái đồng bộ với sóng mang vô tuyến. Khi chân MOD ở mức cao thì khối tạo dao động điện áp điều khiển (Voltage Controlled Oscillator – VCO) và giải điều chế AM được giữ ở trạng thái trước khi chân MOD ở mức cao. Điều này đảm bảo cho việc khôi phục nhanh sau khi chân MOD được giải phóng. Việc chuyển lên trạng thái hoạt động của khối VCO và khối giải điều chế AM bị trễ khoảng 41 chu kỳ clock sau khi chuyển mức ở chân MOD. Theo cách này khối VCO và giải điều chế AM hoạt động tại các thời điểm không bị xáo trộn bởi việc bắt đầu quá trình cộng hưởng của anten.
• Khối tương tự (Analog Block): có 2 chức năng là truyền và nhận tín hiệu. Quá
trình truyền bao gồm việc điều khiển anten và khối điều chế AM trong trường sóng vô tuyến. Khối điều khiển anten phát ra một dòng điện vào anten bên ngoài để sinh ra từ trường. Quá trình nhận bao gồm khối giải điều chế AM các tín hiệu nhận được từ anten thông qua cảm ứng với Tag.
o Quá trình truyền: quá trình này được thực hiện bởi vũng khóa pha PLL và các
khối điều khiển anten.
o Vũng khóa pha (Phase Locked Loop): được hình thành bởi vòng lọc, bộ tạo điện
áp điều khiển VCO và các khối so sánh pha. Bằng cách sử dụng một bộ chia dung kháng ngoài, chân DEMOD_IN lấy thông tin về tín hiệu áp cao thực tế trên anten. Pha của tín hiệu này được so sánh với tín hiệu từ bộ điều khiển anten. Vì thế vũng khóa pha có thể giữ tần số sóng mang bằng với tần số cộng hưởng của anten. Phụ thuộc vào cách thiết kế anten mà tần số cộng hưởng của hệ thống là một giá trị nằm trong khoảng từ 100 đến 150 kHz. Trong mọi trường hợp khi tần số cộng hưởng nằm trong dải tần số này nó sẽ được duy trì bởi vũng khóa pha.
o Quá trình nhận: Tín hiệu giải điều chế vào khối nhận là điện áp lấy từ anten.
Chân DEMOD_IN được coi như là đầu vào của quá trình nhận tín hiệu. Mức tín hiệu
trờn chõn đầu vào DEMOD_IN phải thấp hơn VDD -0,5 V và cao hơn VSS + 0,5 V. Mức
kháng được bù bởi tụ cộng hưởng phù hợp nhỏ hơn. Phương thức giải điều chế biên độ dựa trên kỹ thuật giải điều chế đồng bộ biên độ. Trong quá trình nhận bao gồm các khối trích và giữ mẫu, xóa offset một chiều, lọc giải thông và bộ so sánh. Điện áp 1 chiều của tín hiệu trờn chõn DEMOD_IN được đặt ở mức AGND bởi điện trở trong. Tín hiệu điều chế biên độ được lấy mẫu, việc lấy mẫu được đồng bộ hóa bởi xung
clock từ VCO. Mọi thành phần một chiều bị lọc ra khỏi tín hiệu này bởi tụ CDEC. Các
bộ lọc thông cao bậc hai và tụ CDC2 để loại tín hiệu sóng mang còn lại, các nhiều tần số
cao và thấp. Tín hiệu nhận được sau khi được khuếch đại và lọc được vào bộ so sánh không đồng bộ. Tín hiệu ra của bộ so sánh là tín hiệu trờn chõn đầu ra DEMOD_OUT.
• Tín hiệu RDY/CLK: tín hiệu này cung cấp cho vi xử lý bên ngoài với tín hiệu
clock đồng bộ với tín hiệu trờn chõn ANT1 và với thông tin về trạng thái bên trong EM4095. Xung clock đồng bộ với tín hiệu trờn chõn ANT1 cho thấy vũng khóa pha đó đúng và điểm hoạt động của quá trình nhận được đặt. Khi chân SHD ở mức cao thì tín hiệu RDY/CLK bị buộc ở mức thấp. Sau sự chuyển đổi từ cao sang thấp trờn chõn SHD thỡ vũng khóa pha PLL bắt đầu và quá trình nhận được khởi động. Sau thời gian
TSET vòng khóa pha đóng lại và điểm hoạt động của quá trình nhận được hình thành.
Tại thời điểm này tín hiệu được chuyển tới chân ANT1 cũng được đưa vào chân RDY/CLK để chuyển sang vi xử lý nhờ đó vi xử lý bắt đầu quan sát tín hiệu trờn chõn DEMOD_OUT và đồng thời đưa ra xung clock tham chiếu. Xung clock trờn chõn RDY/CLK là liên tục, nó cũng xuất hiện trong thời gian các khối ANT nghỉ vỡ chõn
MOD ở mức cao. Trong thời gian TSET chân SHD chuyển từ cao xuống thấp thỡ chõn
RDY/CLK cũng bị kéo xuống bởi điện trở kéo 100 kΩ. Lí do là bởi chức năng phụ của chân RDY/CLK trong trường hợp điều chế AM với chỉ số nhỏ hơn 100%. Trong trường hợp đú nó thường dùng như khối điều khiển phụ trợ duy trì biên độ thấp trên cuộn cảm trong quá trình điều chế.
Hình 3.15 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Only.
Chế độ Read-Write:
Hình 3.16 Cấu hình EM4095 dùng trong chế độ Read Write.
• Các thông số kỹ thuật:
- Nguồn cung cấp (VDD) : 4,1 (VSS = -0,3V) ữ 5,5 (V) (VSS = 6V)
- Tần số cộng hưởng của anten (FRES): 125 kHz
- Biên độ đỉnh của dòng xoay chiều tại các đầu ANT1 và ANT2 (IANT): 250mA
- CFCAP = 10 nF
- CDEC = 100 nF
- CDC2 = 6,8 nF
- CAGND = 100 ữ 220 nF
- Thời gian set-up sau 1 chu kỳ sleep: 35 ms
- Trong điều chế AM, thời gian trễ từ đầu vào đến đầu ra: 40 μs
• Sơ đồ khối:
Hình 3.17 Sơ đồ khối của EM4095.
Hình 3.18 Chế độ hoạt động Read Only.
Chân MOD không được sử dụng. Trong trường hợp này nó sẽ được nối với đất.
• Chế độ hoạt động Read Write:
Hình 3.19 Chế độ hoạt động Read Write.
3.1.6 Thiết kế anten cho hệ thống
Hệ thống RFID sử dụng chip EM4095 hoạt động ở dải tần thấp 125KHz. Trong dải tần hoạt động này, anten cho hệ đọc RFID có thể là loại anten trên mạch in hay anten ngoài sử dụng vòng dây đồng cuốn nhiều vòng. Để tăng tính linh động trong thiết kế, ta sẽ lựa chọn kiểu thiết kế anten ngoài sử dụng vòng dây cuốn. Mạch dưới đây là sơ đồ tổng quát mạch cộng hưởng.
Hình 3.20 Mạch dao động LC.
Mạch trờn cú sử dụng một điện trở RL có nhiệm vụ chính là hạn dòng đi qua vòng
dây anten và phối hợp trở kháng. Cuộn dây LR cũng chính là anten. Việc thiết kế anten
khá đơn giản, ta chỉ việc cuốn tròn liên tiếp nhiều vòng dây đồng lại với nhau. Khi thiết kế cần đảm bảo các thông số sau:
- Loại dây sử dụng: dây đồng có đường kính dưới 0.2 mm
- Đường kính cuụn dõy anten: >= 2.7mm
- Giá trị điện cảm cuộn dây: 350 μH ~ 800 μH
- Điện trở nối tiếp với cuộn dây: 22Ω ~ 50Ω
Tính toán giá trị điện cảm cho cuộn dây:
Với anten của hệ, để đơn giản cho việc thiết kế ngoài việc tuân theo các thông số thiết kế đã đưa ra ở trên, vì sử dụng anten cuốn dây bên ngoài nên số vòng dây quấn cũng phải phù hợp với giá trị L, R của anten. Sau đây là hướng dẫn thiết kế cho anten.
- Dây đồng: Loại dây cách điện có đường kính dưới φ0.2 mm
- Lõi cuốn dõy: Lừi trũn có đường kính 2.7 mm hoắc lõi hình chữ nhật với kích
thước tương đương. Đường kính lõi có thể lớn hơn, cần có kiểm nghiệm thực tế về khả năng đọc thẻ của hệ thống.
- Chất liệu lõi cuộn dây: Lõi không khí
- Số vòng dây: Tùy vào yêu cầu về khoảng cách đọc thẻ mà cuốn số vòng dây phù
hợp. Thông thường cuốn với số vòng dao động từ 100 ~ 400 vòng dây. Số vòng dây càng nhiều thì càng tăng khả năng đọc được thẻ RFID ở khoảng cách xa.
3.1.7 Mô hình
Giao diện phần mềm xây dựng trên máy tính :
Hình 3.22 Giao diện hiển thị trên PC
3.2 Hệ thống RFID dải tần HF
Hình 3.23 Dải tần radio và ứng dụng RFID.
Thông thường dải tần HF sử dụng trong công nghệ RFID thường nằm trong khoảng 10Mhz – 100Mhz, ứng dụng chủ yếu trong dải tần này gắn liền với công nghệ thẻ thông minh. Qua quá trình nghiên cứu, nhóm đã đi sâu vào công nghệ của hãng TI với tần số 13,56Mhz và phạm vi sử dụng của một bộ đọc reader tối đa là 5m.
Sơ đồ khối hệ thống :
Hình 3.24 Sơ đồ khối hệ thống RFID dải tần HF. Nguyên lý hoạt động hệ thống :
Khi có thẻ tag đến phạm vi quét của reader , reader nhận tín hiệu và sẽ đọc thông tin trên thẻ, tín hiệu sẽ được truyền tới khối điều khiển trung tâm. Tại khối điều khiển trung tâm, thông tin sẽ được xử lý lấy ra ID của thẻ. Tại đây xảy ra quá trình mã hóa thẻ và
kiểm tra so sánh thẻ với cơ sở dữ liệu. Tiếp đó là quá trình gửi lệnh cho các hệ thống điều khiển như hệ thống led và khối động cơ ( tùy vào mục đích sử dụng), đồng thời truyền cơ sở dữ liệu về máy tính thông qua khối giao tiếp Max232.
Trên máy tính, hệ thống nhận được ID thẻ, check lại với cơ sở dữ liệu lưu trên máy tính và đồng thời hiển thị thông tin của chủ thẻ lên màn hình LCD.
Hệ thống sẽ báo động khi thẻ sai hoạc ID không có trong cơ sở dữ liệu.
3.2.2 Bộ đọc (reader) TRF7960
TRF7960/1 là tích hợp đầu vào tương tự và hệ thống khung dữ liệu cho hệ thống Reader RFID 13,56MHz. Nó được lập trình để phù hợp cho một loạt các ứng dụng của hệ thống RFID.
Reader được cấu hình bằng cách chọn giao thức mong muốn trong thanh ghi điều khiển. Trực tiếp kiểm truy cập vào tất cả các thanh ghi điều khiển và cho phép điều chỉnh chính xác các thông số khác nhau của Reader khi cần thiết.
Hình 3.25 Sơ đồ khối giao tiếp TRF7960.