- ISO 11785 – Technical concept (khái niệm công nghệ ) :
3.1.2.4 Khối giao tiếp máy tính:
Thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi mức tín hiệu, truyền dữ liệu lên máy tính thông qua cổng giao tiếp RS232. Sử dụng IC MAX23
Hình 3.6 Khối giao tiếp máy tính. 3.1.2.5 Khối rơle
Khối điều khiển các hoạt động cơ của hệ thống bao gồm hệ thống chip nhạc, cửa và hệ thống led báo hiệu.
Sơ đồ khối :
3.1.3 Thuật toán
3.1.3.1 Sơ đồ khối thuật toán khối xử lý trung tâm
Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán khối xử lý trung tâm 3.1.3.2 Sơ đồ khối thuật toán trên PC
Phần mềm trên PC được xây dựng trên ngôn ngữ C# và SQL server 2005 trên nền VS2008. Các chức năng gồm có :
- Kết nối cổng Com, nhận dữ liệu là ID của thẻ
- Hiển thị cớ sở dữ liệu và thông báo thẻ hợp lệ hay ko hợp lệ - Nhập mới cơ sở dữ liệu, sửa đổi cơ sở dữ liệu
- Giao diện Camera hiển thị để quan sát người tới.
Đúng Sai
Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán trên PC 3.1.4 Thẻ (Tag) RFID
Do yêu cầu của hệ thống RFID là dùng trong quản lý nhân sự ở tần số thấp 125 KHz nên ta chọn loại thẻ thụ động Read-Only với giá thành thấp (khoảng 0,5USD/chiếc) chứa IC EM4102 của hãng Emmicroelectronic-Marin SA của Thụy Sĩ.
Mô tả chung START Kiểm tra Kết nối Khối xử lý trung tâm ( COM9) Thêm mới cơ sở dữ liệu Chỉnh sửa cơ sở dữ liệu Nhận ID mã hóa Hiển thị Báo động
EM4102 là chip CMOS dùng trong các thẻ RFID thụ động dạng Read-Only tức là thẻ này không có nguồn pin bên trong mà nó hoạt động dựa vào năng lượng do anten gắn trên thẻ thu về khi đặt trong trường điện từ của anten phía đầu đọc phát ra.
• Đặc điểm:
- Bộ nhớ 64 bit laser programmable
- Có một số lựa chọn về tốc độ truyền dữ liệu (16/32/64 chu kỳ của tần số sóng mang trên 1 bit dữ liệu) và dạng mã hóa dữ liệu (Manchester, Biphase hoặc PSK)
- Có tụ cộng hưởng trên chip (79pF) - Có bộ giới hạn điện áp trên chip - Có bộ chỉnh lưu trên chip
- Tần số hoạt động: 100 ÷ 150 kHz
- Kích cỡ chip rất nhỏ tiện để gắn lên các loại thẻ - Tốn rất ít năng lượng
- Nguồn cấp (Vdd): - 0.3 ÷ 7(V)
- Dòng 1 chiều trên cuộn dây anten trong tag (Icoil): -10 ÷ 10 (mA) - Nhiệt độ hoạt động (Top): - 40 ± 85 (oC)
• Sơ đồ:
Hình 3.10 Sơ đồ chip EM4102.
Hình 3.11 Sơ đồ khối của IC EM4102.
IC EM4102 được cung cấp năng lượng bởi trường điện từ cảm ứng trên cuộn dây anten. Điện áp xoay chiều cảm ứng được chỉnh lưu để tạo nguồn 1 chiều cung cấp cho các thiết bị bên trong tag hoạt động. Khi bit cuối cùng được truyền đi thì tag lại gửi tiếp tục bit đầu tiên cho đến khi hết năng lượng.
- Khối chỉnh lưu (Full Wave Rectifier): điện áp xoay chiều cảm ứng trên anten được chỉnh lưu bởi mạch cầu Graetz. Mạch cầu sẽ giới hạn điện áp một chiều được chỉnh lưu để tránh sự cố khi điện áp quá cao.
- Khối tạo xung clock (Clock Extractor): đầu COIL1 được dùng để tạo xung clock logic để đưa vào khối Sequencer.
- Khối sắp xếp dãy (Sequencer): cung cấp tất cả các tín hiệu cần thiết để định địa chỉ trong mảng bộ nhớ và để mã hóa chuỗi dữ liệu đầu ra. Có thể sử dụng 3 phiên bản mã hóa logic: Manchester, Biphase (tốc độ truyền là 32/64 chu kỳ của tần số hoạt động) và PSK (tốc độ truyền là 16 chu kỳ của tần số hoạt động).
- Khối điều chế dữ liệu (Data Modulator): được điều khiển bởi tín hiệu Modulation Control để cảm ứng dòng điện cao trên cuộn dây anten. Transitor ở đầu
COIL2 điều khiển dòng điện cao này gây ảnh hưởng đến từ trường tùy theo dữ liệu được lưu trong mảng bộ nhớ.
- Bộ nhớ (Memory Array): EM4102 bao gồm 64 bits chia làm 5 nhóm thông tin. 9 bits được sử dùng làm header luôn được lập trình ở mức 1, 10 bits (P0-P9) làm bit parity hàng, 4 bits (PC0-PC3) làm bit parity cột, 40 bits dữ liệu (D00-D93) và 1 stop bit luôn để ở mức logic 0. Vì cấu trúc dữ liệu và bit parity như vậy nên sự sắp xếp các dãy như thế này không thể lập trình lại. Các bit từ D00 đến D03 và từ D10 đến D13 là đặc điểm nhận dạng của khách hàng (Customer Identification). 64 bits này được xuất ra liên tiếp để điều khiển bộ điều chế. Khi chuỗi 64 bits được xuất ra thì thứ tự lại lặp lại cho đến khi hết năng lượng.
Hình 3.12 Phân chia 64 bits trong bộ nhớ của EM4102.
Khối mã hóa dữ liệu (Data Encoder): lựa chọn phương thức mã hóa Manchester. Đây là phương thức luôn có một sự chuyển đổi từ ON sang OFF hoặc từ OFF sang ON ở giữa chu kỳ bit tại thời điểm chuyển đổi từ bit logic 1 sang bit logic 0 hoặc từ bit logic 0 sang bit logic 1. Giá trị ở mức cao của chuỗi dữ liệu thể hiện trạng thái OFF, mức thấp của dữ liệu thể hiện trạng thái ON.
Hình 3.13 Mã hóa dữ liệu dạng mã Manchester. 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 cùng hãng 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 có các 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 vòng khóa pha (Phase Locked Loop – PLL) để tự nhận tần số sóng mang thích hợp với tần số cộng hưởng của anten
- Dải tần số hoạt động: 100 ÷ 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 các chân:
Hình 3.14 Sơ đồ bố trí các chân 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 thì chân 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 vòng khóa pha PLL và các khối điều khiển anten.
o Vòng 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 vòng 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 vòng 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 trên chân đầu vào DEMOD_IN phải thấp hơn VDD -0,5 V và cao hơn VSS + 0,5 V. Mức điện áp đầu vào được điều chỉnh bởi bộ chia dung kháng bên ngoài. Bộ chia dung 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 trên chân 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 trên chân 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 trên chân ANT1 và với thông tin về trạng thái bên trong EM4095. Xung clock đồng bộ với tín hiệu trên chân ANT1 cho thấy vòng khóa pha đã đóng 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 trên chân SHD thì vòng 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 trên chân DEMOD_OUT và đồng thời đưa ra xung clock tham chiếu. Xung clock trên chân RDY/CLK là liên tục, nó cũng xuất hiện trong thời gian các khối ANT nghỉ vì chân MOD ở mức cao. Trong thời gian TSET chân SHD chuyển từ cao xuống thấp thì chân 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 đó 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:
- Nhiệt độ hoạt động: -40o ÷ 100oC
- 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 ÷ 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 trên có 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 cuôn dây anten: >= 2.7mm
- Giá trị điện cảm cuộn dây: 350 μH ~ 800 μH - Điện trở nối tiếp với cuộn dây: 22Ω ~ 50Ω - Điện áp lớn nhất đặt lên anten: VANT(Vpp) = 191 V
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 dây: Lõi tròn 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