Đĩ là một kiểu mã hĩa mà luơn luơn cĩ sự chuyển đổi từ ON tới OFF hoặc từ OFF tới ON ở chính giữa chu kì bit. Tại sự chuyển tiếp từ bit logic “1” tới bit logic “0” hoặc từ bit logic “0” tới bit logic “1” thì cĩ sự thay đổi về phạ Giá trị “high” của dịng dữ liệu được biểu thị chuyển mạch điều biến OFF (ở hình phía dưới), cịn giá trị “low” được biểu thị bằng khĩa ON.
Hình 2.10 Mã hĩa manschester
2.1.2.3.2 Mã hĩa hai pha (biphase)
Tại thời điểm bắt đầu của mỗi bit, một sự chuyển đổi sẽ xuất hiện. Một bit logic “1” sẽ giữ trạng thái của nĩ trong tồn bộ khoảng thời gian bit và bit logic “0” sẽ chỉ ra một sự chuyển đổi ở chính giữa khoảng thời gian bit.
Hình 2.11 Mã hĩa hai pha (biphase)
2.1.2.3.3 Mã hĩa PSK
Trong quá trình điều chế các chuyển mạch ON và OFF được thực hiện luân phiên cứ mỗi chu kỳ tần số sĩng mang. Khi một pha xuất hiện sự thay đổi , thì bit logic "0" được đọc từ bộ nhớ. Nếu khơng cĩ bất cứ sự thay đổi về pha nào sau một chu kỳ dữ liệu, thì bit logic "1" sẽ được đọc.
2.1.3 Sơ đồ khối mạch RF và tính tốn các thơng số
Tiếp theo đây ta sẽ đi tính tốn một số cơng thức để tìm ra giá trị thích hợp cho các linh kiện trong sơ đồ khối mạch ta sử dụng. Đây là các cơng thức cĩ trong tài liệu đi kèm theo chip EM4095 do nhà sản xuất EM Microelectronic phát hành.Dưới đây là sơ đồ khối mạch RF chịu trách nhiệm chính là phát ra sĩng vơ tuyến thơng qua cuộn anten:
Hình 2.13 Sơ đồ khối mạch RF Hệ thống sẽ hoạt động tại tần số là:
f0 = 125 kHz và phạm vi nhiệt độ mơi trường xung quanh là:
từ -40 tới 85°C.
Độ tự cảm của anten thường được chọn trong phạm vi từ 300 uH tới 800 uH. Ở đây , ta sẽ chọn độ tự cảm và hệ số chất lượng của anten là:
LA = 720 uH ± 1%
QA = 40.
Trở kháng của anten được tính theo cơng thức:
Ta giả thiết trở kháng điều khiển anten và các điện áp nguồn cung cấp năng lượng cho anten như dưới đây:
RAD = 3 Ω VĐ - VSS = 5V
Hệ thống sẽ hoạt động tại tần số 125 kHz. Nên điện dung cộng hưởng Cres được tính theo cơng thức dưới đây:
Bằng cách cho anten được điều khiển theo cấu hình cầu điều khiển và áp dụng cơng thức :
và
Ta sẽ tính được các đại lượng dịng và điện áp tại anten của reader là (với Rser=0):
Đầu vào tín hiệu tại DEMOD_IN được giới hạn bởi hệ số phân chia dC (tức là làm mất đi một phần tín hiệu ban đầu với hệ số dc), để nĩ cĩ thể đáp ứng các chế độ đọc khác nhau của EM4095. Như các sơ đồ mạch chỉ ra ở dưới đây , ta thấy chip EM4095 cĩ khá nhiều chế độ đọc. Nên cĩ lẽ vậy mà chip này khá uyển chuyển trong việc thiết kế , tức là dùng chip này để thiết kế một reader cho nhiều loại thẻ khác nhau .Chẳng hạn như thẻ chỉ đọc EM4100, thẻ đọc – ghi EM4150 , thẻ EM4069,...Với sơ đồ mạch trên là thiết kế chỉ dành riêng cho các thẻ chỉ đọc EM4100.
Hình 2.14 Tín hiệu anten tại DEMOD_IN đã được phân chia với hệ số dC
Với mỗi chế độ đọc , để cho trạng thái tín hiệu tại chân DEMOD_IN tốt nhất cĩ thể, thì giá trị của tụ điện phân chia nên được định lượng với sai số thấp. Ta cĩ thể định lượng giá trị đĩ dựa trên bất đẳng thức dưới đây :
Tại VDEMOD_IN_PP = 4VPP thì hệ số phân chia dC = 35. Đây cĩ vẻ là một sự lựa chọn tốt. Ngồi ra tỷ lệ phân chia cĩ thể được thực hiện theo cách sử dụng các tụ điện chuẩn. Ví dụ, với tụ điện CDV2 thì giá trị tốt nhất nên chọn là nằm trong phạm vi từ 1 nF tới 2 nF. Tương tự như vậy ta cũng chọn được giá trị các tụ điện khác cĩ liên quan đến hệ số phân chia dC là:
CDV1 = 47 pF CDV2 = 1.5 nF
Để tính tốn ra giá trị cộng hưởng Co tốt nhất ta nên tính đến sự xuất hiện của cả các tụ điện Cdv1 và Cdv2 như cơng thức dưới đây:
Và từ đây ta cĩ thể tính lại giá trị của tần số cộng hưởng theo cơng thức dưới để tăng thêm độ chính xác trong thực tế:
Cịn giá trị các tụ điện Cdec và Cdc2 là ta đã thiết lập mặc định ban đầu với các giá trị là:
Cdec = 100nF, Cdc2 = 10nF.
Vậy tĩm lại cuối cùng ta sẽ thu được giá trị của các linh kiện sử dụng là: CDC2 = 10nF CFCAP = 100nF CAGND = 100nF CDEC = 100nF CRES = 2.2nF CDV1 = 47uF CDV2 = 1.5nF LA = 720uH
2.1.4 Thiết kế anten cho reader
Các thẻ RFID thụ động sẽ sử dụng cảm ứng từ do điện áp cuộn dây anten sinh ra để hoạt động. Cảm ứng từ của điện áp xoay chiều này được chỉnh lưu để cung cấp một nguồn điện áp cho thẻ. Khi điện áp một chiều đĩ đạt đến một mức nhất định, thì thẻ bắt đầu hoạt động. Vì vậy bằng cách tạo ra một tín hiệu năng lượng RF, reader cĩ thể liên lạc được từ xa với thẻ mà khơng cần đến nguồn năng lượng bên ngồi cho thẻ (ví dụ pin). Nên cuộn dây anten đĩng vai trị rất quan trọng trong các ứng dụng RFID,nĩ cung cấp năng lượng cho các thẻ thụ động,và tạo ra một kênh liên lạc giữa thẻ và reader. Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu sơ qua về các cách chế tạo anten cùng các cơng thức vật lý liên quan để tìm ra các tham số chuẩn xác nhất cĩ thể.
Trước tiên ta cần phải xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến cuộn dây anten ta chế tạo ,chẳng hạn như đặt thẻ so với cuộn dây anten như thế nào (tạo một gĩc bao nhiêu độ) , hay nên chọn dây cĩ đường kính bao nhiêu để trở kháng của nĩ là thấp sẽ giúp cho hệ số chất lượng Q của anten cao lên,...
Theo định luật Ampe khi một dịng điện đi qua một dây dẫn thì nĩ sẽ tạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn đĩ. Từ trường được tạo ra bởi một phần tử dịng điện, trên một vịng dây dẫn với chiều dài hữu hạn được cho bởi cơng thức dưới đây:
I = dịng điện
r = khoảng cách tính từ trung tâm dây μ0 = 4 π x 10-7 (H/m)
Trong trường hợp đặc biệt với một dây cĩ chiều dài vơ hạn thì: α1 = -180°
α2 = 0°
Và biểu thức trên cĩ thể được viết lại như sau:
Hình 2.15 Tính tốn từ trường B tại vị trí P do dịng điện I trên một dây dẫn điện thẳng gây ra
I = dịng điện
a = bán kính của vịng
r = khoảng cách tính từ trung tâm của vịng μ0 = 4π x 10-7 (H/m)
Theo định luật Faraday thì sự thay đổi của từ trường theo thời gian qua một bề mặt bao quanh bởi một đường dẫn khép kín thì sẽ tạo ra một điện áp xung quanh nĩ. Hình dưới đây chỉ ra một ví dụ đơn giản của một ứng dụng RFID được rút ra từ định luật Faradaỵ Khi anten của thẻ và reader được đặt gần nhau, thì sự thay đổi của từ trường B theo thời gian được tạo ra bởi cuộn dây anten reader sẽ gây ra một
điện áp bên trong cuộn dây anten của thẻ đặt gần đĩ. Chính điện áp này là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện dịng điện trên cuộn dây đĩ. Đĩ chính là định luật Faradaỵ
Hình 2.16 Cấu hình một ứng dụng RFID
Điện áp gây ra trên cuộn dây anten của thẻ là tỉ lệ với tốc độ thay đổi của thơng lượng từ trường Ψ theo thời gian.Và nĩ cĩ cơng thức là :
N = số vịng của cuộn dây anten
Ψ = thơng lượng từ trường qua mỗi vịng dây
Thơng lượng từ trường Ψ là tổng từ trường B đi qua tồn bộ bề mặt cuộn dây anten,và được tìm ra theo cơng thức:
B = từ trường
S = diện tích bề mặt cuộn dây
Biểu thức tính tốn cho điện áp Vo sinh ra trong một vịng cuộn dây là:
lợị
f = tần số của tín hiệu đến N = số vịng của cuộn dây S = diện tích vịng (m2)
Q = hệ số chất lượng của mạch Βo = cường độ của tín hiệu đến α = gĩc tới của tín hiệu
Hình 2.17 Sự phụ thuộc về hướng của anten thẻ so với anten reader
Điện áp cảm ứng xuất hiện đi ngang qua cuộn dây anten là một hàm của gĩc các tín hiệu đến. Điện áp cảm ứng đạt giá trị lớn nhất khi cuộn dây anten đặt tại vị trí song song với tín hiệu đến , tại đĩ ta sẽ cĩ gĩc α = 0.Như vậy cĩ nghĩa là để khả năng đọc thẻ được tốt nhất trong thực tế , thì ta nên để thẻ theo phương song song với cuộn dây anten.
Ngồi ra khi chế tạo anten ta cũng cần phải chú ý đến đường kính dây dựa trên các kí hiệu số theo tiêu chuẩn của từng quốc gia, ví dụ với Hoa Kỳ ta dựa vào số kí hiệu AWG (American Wire Gauge). Dây cĩ đường kính càng nhỏ thì trở kháng DC của nĩ sẽ càng caọ Trở kháng DC với diện tích mặt cắt ngang như nhau tại các vị trí được cho bởi cơng thức:
l = tổng chiều dài dây
σ = độ dẫn điện của dây (mho/m) S = diện tích mặt cắt ngang = π r2 a = bán kính dây
Thơng thường trở kháng DC phải được giữ ở giá trị thấp nhất cĩ thể để giúp cho hệ số chất lượng Q của anten càng cao càng tốt. Bởi vậy, phải chọn dây cĩ đường kính càng lớn càng tốt để chế tạo anten cho các ứng dụng RFID trong thực tế.
Tại DC, các điện tích mang được phân bố đều qua tồn bộ diện tích mặt cắt ngang của dâỵ Khi tần số tăng lên, thì từ trường tại trung tâm của dây tăng lên. Do
đĩ, điện kháng gần vị trí trung tâm dây cũng tăng và dẫn đến mật độ dịng điện trong khu vực cũng tăng lên. Nên, điện tích di chuyển theo con đường từ trung tâm dây tiến đến mép dâỵ Và kết quả là, mật độ dịng sẽ giảm giảm tại trung tâm dây và tăng tại vị trí gần mép dâỵ Đây gọi là một hiệu ứng lớp bề mặt của dâỵ Độ sâu của dây tại nơi mà mật độ dịng điện giảm tới 1/e, hay là 37% (= 0.3679) giá trị của nĩ dọc theo bề mặt, được biết đến với tên gọi là độ sâu lớp bề mặt và phụ thuộc vào tần số hoạt động và độ từ thẩm, độ dẫn điện của mơi trường. Dưới đây là cơng thức tính tốn độ sâu lớp bề mặt:
f = tần số μ (F/m) = μομr
μo = 4 π x 10-7 (h/m)
μr = 1 cho đồng, nhơm, bạc,... = 4000 với chất liệu là sắt tinh khiết σ = độ dẫn điện của chất liệu (mho/m) = 5.8 x 107 (mho/m) với chất liệu là đồng = 3.82 x 107 (mho/m) với chất liệu là nhơm = 4.1 x 107 (mho/m) với chất liệu là vàng = 6.1 x 107 (mho/m) với chất liệu là bạc
Ta đã biết rằng, trở kháng của dây tỉ lệ với tần số, tức là tần số tăng thì trở kháng cũng tăng, và trở kháng do độ sâu lớp bề mặt tạo ra thì được gọi là trở kháng AC. Một biểu thức gấn đúng để tính tốn các trở kháng AC được cho bởi:
Như đã nĩi ở trên, một phần tử dịng điện khi chạy qua một dây dẫn thì sẽ tạo ra một từ trường xung quanh nĩ. Sự thay đổi về từ trường theo thời gian cĩ khả năng tạo ra một dịng điện chạy qua một dây dẫn khác – và cái này được gọi là “độ tự cảm”. Độ tự cảm L phụ thuộc vào các đặc điểm vật lý của dây dẫn. Một vịng dây thì cĩ độ tự cảm lớn hơn so với độ tự cảm của đoạn dây cùng chất liệu,và một cuộn dây càng cĩ nhiều vịng thì độ tự cảm của nĩ càng tăng lên. Ta sẽ tổng quát lại tất cả điều đĩ bằng một cơng thức cơ bản nhất dưới đây, ở đĩ độ tự cảm L của dây được xác định bằng tỷ lệ của tổng thơng lượng từ trường với dịng điện I đi qua dây:
N = số vịng dây I = dịng điện
Ψ= thơng lượng của từ trường
Từ cơng thức này ta cĩ thể suy ra được các cơng thức tính tốn khác phù hợp với từng cách quấn dây ,để thu được các thơng số cần thiết giúp cho sai số trong quá trình quấn dây giảm đị
Độ tự cảm của cuộn dây cĩ thể được tính tốn theo nhiều cách khác nhaụ Ta cĩ thể quấn dây theo kiểu dạng cuộn hình trịn, hình vuơng, hình lục giác,...Ta cũng cĩ
thể chế tạo dưới dạng các đường mạch trên một bảng mạch in.Ở đây ,tơi chọn cách quấn dây theo dạng cuộn hình trịn, với chất liệu dây quấn là đồng.
Với một cuộn dây đồng chỉ cĩ một vịng đơn thì độ tự cảm của nĩ được cho bởi cơng thức :
Trong đĩ:
a = bán kính vịng (cm) d = đường kính dây (cm)
Hình 2.18 Đường kính dây và một vịng cuộn dây trịn Từ đĩ ta rút ra cơng thức tính độ tự cảm của cuộn dây đồng cĩ N vịng là:
Trong đĩ:
a = bán kính trung bình của cuộn dây(cm) N = số vịng dây
b = chiều dày cuộn (cm) h = độ cao cuộn dây (cm)
Hình 2.19 Cuộn dây trịn cĩ N vịng
Nhìn từ cơng thức ta thấy rằng L phụ thuộc vào bốn tham số là a,h,b,N. Rất khĩ để tính ra kết quả chính xác giá trị của từng tham số tương ứng với giá trị N cần
thiết.Và để dễ dàng hơn ta sẽ cố định các tham số h,(a-b) . Từ đĩ ta sẽ ước lượng b theo N. Ở đồ án này , ta cần quấn cuộn dây cĩ giá trị L = 720uH. Tương ứng với giá trị đĩ, tơi xác định được các tham số cần thiết là:
A=4.75 cm
B=0.3 cm N=73 vịng H=0.8 cm
Trong đĩ: dây đồng quấn ta sẽ chọn loại đường kính 0.0515cm.
2.1.5 Phương pháp điều chế sĩng mang OOK
Cĩ nhiều cách khác nhau để một hệ thống RFID điều chế các tín hiệu vơ tuyến.Đĩ là FM (thay đổi về tần số của sĩng mang), PM (thay đổi về pha), và AM (thay đổi về biên độ). Và cĩ một vài kỹ thuật cĩ thể sử dụng được với các kiểu điều chế này là FSK, PSK, và ASK. Trong đĩ kỹ thuật mà chúng ta sẽ sử dụng cho hệ thống RFID ở đây cĩ tên gọi là OOK , đây là một kiểu đặc biệt của kỹ thuật ASK mà ta vừa nĩi tới ở trên.
Kỹ thuật điều chế OOK được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng điều khiển .Bởi lý do kỹ thuật này khá đơn giản và cĩ giá thành thực thi thấp hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế khác. Kỹ thuật điều chế OOK cĩ đặc điểm là cho phép bộ phát được nhàn rỗi trong suốt quãng thời gian truyền đi một “zero” ,nên tiết kiệm được khá nhiều năng lượng.Tuy nhiên nhược điểm của kỹ thuật OOK là, cĩ thể phát sinh những tín hiệu khơng mong muốn trong tín hiệu đã được điều chế OOK. Tiếp theo đây, chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu kỹ về chúng.
Một tín hiệu tuần hồn mà tồn tại mãi mãi, khơng thay đổi biên độ, tần số, hoặc pha của nĩ – gọi là một tín hiệu sĩng liên tục (CW) – khơng mang thơng tin nào khác ngồi chính bản thân nĩ. Để cĩ thể chuyển tải dữ liệu, thì tín hiệu đĩ cần phải thay đổị Thơng thường chúng ta cĩ thể hiểu rằng, thay đổi này như một thay đổi biến thiên tương đối chậm – đĩ chính là sự điều chế, ví dụ:
Trong đĩ hàm m(t) được sử dụng để chứa thơng tin dải cơ sở, và hàm cosin chính là sĩng mang với tần số tương đối caọ Khi hàm m(t) là một hàm sin hay cosin (với tần số thấp hơn nhiều so với tần số của sĩng mang), thì ta cĩ thể viết lại biểu thức ở trên và khai triển ra như ở dưới đây:
Một kiểu điều chế dạng sin sẽ phân chia sĩng mang thành hai tín hiệu được gọi là các