Đối với ăng-ten dạng vòng thì nếu chu vi bé hơn một phần mười bước sóng (2.2m) thì được gọi là ăng-ten dạng vòng bé (small loop antenna), do vậy ăng-ten của đầu đọc RFID là ăng-ten dạng vòng bé.
Trường điện từ do ăng-ten dạng vòng bé đặt trong tọa độ cầu (Hình 2.2) sinh ra khi có một sự dịch chuyển mcủa dòng điện được thể hiện bằng các phương trình
2 (1 ) sin 4 j r m j E e r r β ξβ θ π β − Φ = − (2-1) 2 0 2 2 (1 ) sin 4 j r m j j B e r r r β θ µ β θ π β β − − = − − (2-2) 2 0 2 2 1 ( ) cos 2 j r r m j B e r r r β µ β θ π β β − = + (2-3) Với: - β 2π λ
= là hằng số truyền sóng trong không khí
- ξ = µ ε0/ 0 là trở kháng truyền sóng trong không khí - r là bán kính ăng-ten
Hình 2.2 Ăng-ten dạng vòng bé trong tọa độ cầu
Lê Công Cường 19
Nhận thấy, khi bán kính r tăng đến giá trị vô cùng thì Br =0 (công thức (2-3)), do vậy ta có đồ thị EΦ,Bθ nhìn theo mặt cắt dọc nhưHình 2.3
Hình 2.3 Phân bố điện trường của ăng-ten dạng vòng bé
Điện kháng của ăng-ten dạng vòng bé được tính như sau:
( )
r i e r i e i
Z = +R j L Rω = +Z + j Lω =R +R + jω L +L (2-4)
Trong đó R Lr, e là trở kháng và cảm kháng phát xạ của ăng-ten , R Li, i là trở kháng và cảm kháng của ăng-ten.
Sơđồ tương mạch tương đương của ăng-ten dạng vòng bé thể hiện ởHình 2.4
Hình 2.4 Sơ đồ mạch tương đương
Đối với dòng điện không đổi thì trong sơđồ mạch tương đương ko có tụ C. Trở kháng phát xạ của ăng-ten dạng vòng bé được tính theo công thức:
Lê Công Cường 20 4( )2 6 r R ξ β NA π = (2-5) Trong đó: - N là số vòng dây - Alà thông số về vị trí.
Cảm kháng phát xạ của 1 vòng dây ăng-ten dạng vòng bé được tính theo công thức:
[ ] 0 ln(8 / ) 2 e L =µb b a − (vòng dây hình tròn) (2-6) [ ] 0 2 ln( / ) 0.774 e b L µ b a π = − (vòng dây hình vuông) (2-7)
Hệ số bức xạ của ăng-ten dạng vòng bé được tính theo công thức:
r bx i r cc P R P R R η= = + (2-8)
Như vậy để tăng công suất bức xạ của ăng-ten thì phải giảm điện trở trong của ăng- ten và tăng điện trở bức xạ
2.2 Lựa chọn IC RFID Reader
2.2.1 Tiêu chí lựa chọn IC RFID Reader
Lựa chọn IC RFID Reader là một phần rất quan trọng trong nội dung thiết kế của luận văn, vì IC này xây dựng lên đầu đọc RFID, mà ăng-ten là một phần trong thiết kế của mạch.
Một số hãng sản xuất IC RFID Reader ở tần số 13.56MHz có thể kể ra nhưTexas Instruments với dòng IC TRF79xx, Austriamicrosystems với dòng IC AS3910,
Ids-microchip với dòng IC R13MP, R14AB và NXP với dòng IC MFRC5xx, CLRC6xxx … Trong đó, NXP là công ty đứng đầu thế giới về thiết kế và sản xuất IC RFID Reader 13.56 MHz, do vậy trong nội dung của luận văn sẽ sử dụng IC của NXP trong thiết kế.
Lê Công Cường 21
- Hỗ trợ các chuẩn giao thức ISO/IEC14443A, ISO/IEC14443B - Tốc độ giao tiếp với thẻ Tag nhanh: 106Kbd
- Công suất phát RF khá lớn cho phép khoảng cách giao tiếp với thẻ Tag có thểđạt 100mm mà không cần tầng khuếch đại công suất RF trước ăng-ten - Dễ dàng ghép nối với Vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp song song
hoặc SPI
Hình 2.5 MFRC531
2.3.2 Cấu trúc của IC MFRC531
Lê Công Cường 22
Hình 2.6 Cấu trúc của IC MFRC531
Trong đó các khối liên quan đến việc thiết kếăng-ten là:
- Khối TRANSMITTER CONTROL là khối điều khiển trực tiếp ăng-ten với 2 chân là TX1 và TX2, phát xung điện áp với biên độ ±2.5V ở tần số 13.56 MHz, với góc phase có thể lập trình được. Trở kháng đầu ra của các chân TX1, TX2 có thể lập trình được trong dải từ 1Ω÷100Ω.
- Khối DEMODULATOR là khối giải mã tín hiệu nhận về qua chân RX theo phương pháp điều chế tải. Thực chất là giải mã tín hiệu phản hồi tác động lên khối truyền để lấy thông tin.
Lê Công Cường 23
- Khối kiểm tra tín hiệu phục vụ quá trình thiết kếăng-ten bao gồm các chân: o AUX: Kiểm ta tín hiệu nhận được từăng-ten (khi có truyền dữ liệu từ
thẻ Tag đến ăng-ten)
o MFIN: Cho phép đưa tín hiệu kiểm tra theo chuẩn ISO/IEC 14443 A đến khối ăng-ten
o MFOUT: Cho phép lấy tín hiệu theo chuẩn ISO/IEC 14443 A từ khối ăng-ten
2.3.3 Cấu trúc của đầu đọc RFID
Cấu trúc đầu đọc RFID được thể hiện ởHình 2.7
Hình 2.7 Cấu trúc của đầu đọc RFID
Trong cấu trúc này gồm có 3 khối chính:
- Khối Vi điều khiển giao tiếp với IC Reader MFRC531 theo chuẩn song song hoặc SPI, có chức năng điều khiển mọi hoạt động của IC Reader, như hoạt động đọc thẻ Tag, ghi thẻ Tag, chọn thẻ Tag …
- MFRC531 là IC Reader, có nhiệm vụ thực hiện mọi thao tác với thẻ Tag, và giao tiếp với Vi điều khiển.
- Ăng-ten là khối kết nối với IC MFRC531, và là một khối không thể thiếu được trong cấu trúc của mạch, nếu không có ăng-ten thì sẽ không có sự trao đổi thông tin giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag. Việc thiết kếăng-ten ảnh hưởng trực tiếp đến
Lê Công Cường 24
chất lượng hoạt động của hệ thống, do vậy vấn đề thiết kế ăng-ten là vấn đề được luận văn nghiên cứu và trình bày chi tiết.
2.3.4 Quá trình giao tiếp giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag
Về cơ bản, có 3 quá trình giao tiếp giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag thông qua ăng- ten (Hình 2.8):
- Quá trình truyền năng lượng từđầu đọc đến thẻ Tag - Quá trình gửi dữ liệu từđầu đọc đến thẻ Tag
- Quá trình gửi dữ liệu từ thẻ Tag đến đầu đọc
Hình 2.8 Quá trình giao tiếp giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag a) Quá trình truyền năng lượng
Quá trình truyền năng lượng từ đầu đọc RFID đến thẻ Tag tuân theo định luật cảm ứng điện từ, được mô tảởHình 2.9
Lê Công Cường 25
Để tính giá trị điện áp sinh ra trên ăng-ten của thẻ Tag, ta áp dụng định luật
Ampere và định luật Faraday.
Với định luật Ampere chúng ta biết rằng 1 phần tử dòng điện trong một dây đẫn (Hình 2.10) tạo ra một từ trườngBtại 1 điểm cách dây dẫn một khoảng rđược tính theo công thức (2-9): 0 2 1 ( os cos ) 4 I B c r µ α α π = − (Weber/m2) (2-9) Trong đó: I - Cường độ dòng điện r - Khoảng cách đến dây dẫn µ0- Độ từ thẩm (Không khí - 4π.10-7) Hình 2.10 Tác động của của 1 phần tử dòng điện
Trong trường hợp dân dẫn dài vô hạn, ta có α1= −180o, α2=0, dẫn đến công thức
0 2 I B r µ π = (2-10) Đối với dây dẫn hình tròn (Hình 2.11) ta có công thức Hình 2.11 Tác động của dây dẫn hình tròn
Lê Công Cường 26 2 2 0 0 2 2 3/2 3 1 ( ) 2( ) 2 z INa INa B a r r µ µ = = + (2-11) (trường hợp r2 >>a2) Trong đó: I - Cường độ dòng điện a - Bán kính vòng dây N - Số vòng dây
r - Khoảng cách đến tâm vòng dây
0
µ - Độ từ thẩm (Không khí - 4π.10-7)
Từ công thức (2-11), ta nhận thấy từ trường B, tỷ lệ thuận với số vòng dây, cường độ dòng điện, bình phương bán kính vòng dây, tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách. Đây là một trong các lý do làm cho đầu đọc RFID chỉđọc được thẻ Tag trong một khoảng cách nhất định, và để tăng khoảng cách này, ta có thể tăng bán kính vòng dây, hoặc cường độ dòng điện, hoặc số vòng dây.
Với định luật Faraday ta có điện áp sinh ra trên ăng-ten của thẻ Tag được tính theo công thức d V N dt ψ = − (2-12)
Trong đó: ψ - Tổng từ thông đi qua các vòng dây
N- Số vòng dây
t- thời gian
.
B dS
ψ =∫ (2-13)
Lê Công Cường 27 S- Diện tích bề mặt ăng-ten của thẻ Tag . - Tích vô hướng Từ (2-13) và (2-11)ta có công thức (2-14): 2 2 2 0 1 1 0 1 2 21 1 1 2 2 2 2 3/2 2 2 3/2 ( ) ( . ) . 2( ) 2( ) i N a N N a b d d d di di V N N B dS N dS M dt dt dt a r a r dt dt µ µ π ψ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ = − = − = − ⎢ ⎥= −⎢ ⎥ = − + + ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ∫ ∫ (2-14) Trong đó: N1 - Số vòng dây của ăng-ten trên đầu đọc RFID
2
N - Số vòng dây của ăng-ten trên thẻ Tag
a - Bán kính của ăng-ten trên đầu đọc RFID
b - Bán kính của ăng-ten trên thẻ Tag
r- Khoảng cách giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag
1
i- Cường độ dòng điện trong các vòng dây ăng-ten đầu đọc RFID
M- Hỗ cảm giữa 2 ăng-ten Từ công thức (2-14), Ta rút ra các nhận xét:
- Điện áp V trên thẻ Tag, cung cấp cho điện áp hoạt động cho vi mạch tích hợp cho thẻ Tag, và phải lớn hơn một điện áp Vmin là điện áp tối thiểu mà vi mạch có thể hoạt động.
- Để tăng khoảng cách giao tiếp giữa đầu đọc RFID và thẻ Tag, ngoài các yếu tố đã rút ra từ công thức (2-11), ta có thể tăng bán kính hoặc số vòng dây của ăng- ten đầu đọc RFID
- Độ biến thiên dòng điện trong ăng-ten đầu đọc RFID (di1
dt ) tỷ lệ thuận với tần số sóng mang, và trong luận văn này sử dụng IC Reader MFRC531 với tần số sóng mang là 13.56 MHz.
Lê Công Cường 28
b) Quá trình gửi dữ liệu từđầu đọc đến thẻ Tag
Đầu đọc RFID luôn khởi đầu một quá trình giao tiếp với thẻ Tag, bằng cách gửi dữ liệu đến thẻ Tag với tín hiệu được điều chế theo biên độ trên tần số sóng mang là 13.56Mhz (100% ASK - ISO14443 Type A), được mô tảởHình 2.12
Hình 2.12 100% ASK – ISO14443A
Vì dữ liệu từ đầu đọc RFID gửi đến thẻ Tag thông qua ăng-ten đồng thời cũng cung cấp điện áp cho vi mạch tích hợp trên thẻ Tag hoạt động, nên việc mã hóa các bit dữ liệu phải đảm bảo điện áp cung cấp cho thẻ Tag luôn ổn định. Điều này dẫn đến thời gian biên độ bằng không càng bé càng tốt. Với IC Reader MFRC531 sử dụng mã hóa Miller.
- Bit ‘1’ được mã hóa nhưHình 2.13
Hình 2.13 Bit ‘1’ - Miller
- Bit ‘0’ được mã hóa như hình Hình 2.14 nếu bit truyền trước đó là bit ‘0’
Lê Công Cường 29
- Bit ‘0’ được mã hóa như hình Hình 2.15 nếu bit truyền trước đó là bit ‘1’
Hình 2.15 Bit ‘0’ – 1 Miller
Với độ dài mỗi bit dữ liệu là 9.44µs nên tốc độ truyền tin là 105.9KHz.
Độ biến dạng của tín hiệu mã hóa phục thuộc vào hệ số chất lượng Q của ăng-ten, sẽđược phân tích ở phần tiếp theo.
c) Quá trình gửi dữ liệu từ thẻ Tag đến đầu đọc
Quá trình gửi dữ liệu từ thẻ Tag đến đầu đọc dựa trên nguyên lý điều chế tải. Cơ sở của nguyên lý này là, thẻ Tag được thiết kế như một mạch công hưởng, tiêu thụ công suất do đầu đọc RFID gửi đến thông qua ăng-ten, việc tiêu thụ năng lượng này sẽ làm cho suy hao điện áp bên đầu đọc RFID. Do vậy, thẻ Tag tiêu thụ hoặc không tiêu thụ năng lượng mà đầu dọc RFID gửi đến sẽ tạo nên một tín hiệu biến thiên điện áp trên đầu đọc, và đó chính là dữ liệu mà thẻ Tag gửi đi.
Dữ liệu mà thẻ Tag gửi đến đầu đọc được mã hóa theo chuẩn Manchester trên cơ sở là sóng mang có tần số 847.5 KHz (Hình 2.16)
Hình 2.16 Quá trình truyền dư liệu từ thẻ Tag đến đầu đọc RFID
Lê Công Cường 30
2.3 Thiết kếăng-ten
2.3.1 Kích thước của ăng-ten
Theo mục 2.1.1, luận văn đã chọn thiết kế kiểu ăng-ten mạch in dạng vòng cho đầu đọc RFID. Cũng theo công thức (2-11) ta có điện áp tạo ra trên thẻ Tag tỷ lệ thuận với bình phương bán kính và số vòng của ăng-ten trên đầu đọc RFID. Như vậy, vấn đề cần xem xét ởđây là, nếu tăng số vòng dây và bán kính của ăng-ten trên đầu đọc (tăng kích thước ăng-ten) thì có tăng điện áp tạo ra trên thẻ Tag? (đồng nghĩa với việc tăng khoảng cách giao tiêp).
Ởđây ta cần xét đến điện trở của ăng-ten, với dòng điện 1 chiều (DC) ta có công thức tính điện trở như (2-15) 2 2 ( ) DC l a R N Na S S S π π σ σ σ = = = Ω (2-15) Trong đó:
l - Chiều dài vòng dây σ - Độ dẫn của dây
S- Diện tích mặt cắt của đường dây
N- Số vòng dây
a- Bán kính của vòng dây
Khi tần số biến thiên dòng điện tăng, làm cho từ trường trong lõi dây dẫn tăng dẫn đến điện kháng của lõi dây dẫn tăng, làm cho các hạt mang điện sẽ di chuyển ra bề mặt của dây dẫn (hiệu ứng bề mặt). Kết quả của hiện tượng này là làm cho vùng dẫn điện của dây dẫn giảm, hay điện trở của dây dẫn tăng.
Đối với ăng-ten là các vòng dây mạch in thì công thức tính điện trởđược trình bày sau: 3/2 2 (w ) (w ) ac l f f R Na t t π µ π µ σ σ = = + + (Ω) (2-16)
Lê Công Cường 31
Trong đó: w – Bề rộng của đường dây t – Bề dày của đườn dây f – Tần số biến thiên
Vì ăng-ten có điện trở và dòng điện nên sẽ sinh ra một công suất tổn hao dưới dạng nhiệt là:
2 ac
th
P =iR (2-17)
Từ công thức (2-17) ta nhận thấyPth tỷ lệ thuật với bình phương số vòng dây và bình phương bán kính của ăng-ten đầu đọc RFID. Hơn nữa, với mọi IC RFID Reader nói chung hay MFRC531 nói riêng thì công suất phát (Pp) đưa đến ăng- ten là xác định, do vậy phần công suất truyền đến thẻ Tag là Pp−Pth sẽ tỷ lệ nghịch với bán kính và số vòng dây của ăng-ten.
Từ các phân tích ở trên, ta có thể kết luận kích thước (bán kính và số vòng dây) của ăng-ten trên đầu đọc RFID phụ thuộc vào công suất phát của từng IC RFID Reader, không hẳn là tăng kích thước ăng-ten sẽ tăng khoảng cách giao tiếp với thẻ Tag. Mối quan hệ này được thể hiện ởHình 2.17 do nhà sản xuất khảo sát và đưa ra.
Hình 2.17 Quan hệ giữa chiều dài ăng-ten và khoảnh cách giao tiếp với thẻ Tag
Trong đó:
Lê Công Cường 32
D – là đường kính của ăng-ten
Từ Hình 2.5.1 ta có nhận xét là kích thước của ăng-ten không tỷ lệ thuận với khoảng cách giao tiếp với thẻ Tag, khi đường kính của ăng-ten là 20cm thì khoảng cách giao tiếp là lớn nhất do vậy luận văn sẽ thiết kế ăng-ten gồm 4 vòng mạch in đường kính 5cm, để dễ dàng cho việc thiết kế mạch
2.3.2 Thiết kếăng-ten mạch in
Để thiết kế ăng-ten mạch in cho đầu đọc RFID, luận văn sử dụng phần mềm Allegro PCB Designer của hãng Cadence, đây là một phần mềm thiết kế với nhiều tính năng mạnh mẽ, cho phép thiết kế các mạch in đạt tiêu chuẩn cao nhất.
Ăng-ten được thiết kế nhưHình 2.18
Hình 2.18 Ăng-ten của đầu đọc RFID
Thông số, và kích thước của ăng-ten được thể hiện ở hình trên với đơn vị mm Ăng-ten thiết kế phải thỏa mãn được những yêu cầu sau:
Lê Công Cường 33