PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 78
Chip EM4095 (trước đây có tên gọi là P4095) là một bộ thu phát công nghệ mạch tích hợp CMOS với mục đích sử dụng trong một trạm RFID cơ sở để thực hiện các chức năng sau:
- Điều khiển anten với tần số của sóng mang.
- Thực hiện điều chế AM để có thể ghi lên transponder
- Thực hiện giải điều chế AM của tín hiệu điều chế anten được tạo ra bởi cácbộ phát đáp (transponder).
Ngoài ra chúng ta cũng cần biết thêm về các đặc trưng chính của chip RFID:
- Có tích hợp hệ thống PLL để tự điều chỉnh được tần số sóng mang tới tần sốdao động anten.
- Không cần tới thạch anh dao động bên ngoài chỉ yêu cầu phạm vi tần sốsóng mang từ 100 to 150 kHz.
- Điều khiển trực tiếp anten sử dụng các bridge driver.
- Truyền dữ liệu bằng OOK (điều chế biên độ 100%) sử dụng các cầu điềukhiển.
- Truyền dữ liệu bằng cách điều chế biên độ với hệ số điều chỉnh điều chế cóthể thay đổi được từ bên ngoài bằng cách dùng single ended driver.
- Hỗ trợ nhiều giao thức transponder thích hợp (Ví dụ: EM400X, EM4050,EM4150, EM4070, EM4170,EM4069….).
- Có chế độ “ngủ” tại mức 1ìA.
- Thích hợp với phạm vi nguồn năng lượng USB nên dễ dàng hơn trong thiếtkế Reader sử dụng luôn nguồn năng lượng từ đường USB của máy tính.
- Chịu được phạm vi nhiệt độ từ 40 tới 85°C.
- Có kiểu đóng gói nhỏ gọn.
Dưới đây là sơ đồ kí hiệu các chân đóng gói và mô tả các chức năng tương ứng của chúng:
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 79
Pin Tên Mô tả Kiểu
1 Vss Điện áp đất GND
2 RDY/CLK Cờ trạng thái sẵn sàng và đầu ra xung điều khiển điều chế AM O
3 ANT1 Điều khiển anten (nối với anten) O
4 Dvdd Cực dương nguồn năng lượng dùng để
điều khiển anten PWR
5 Dvss Cực âm nguồn năng lượng dùng để điều
khiển anten GND
6 ANT2 Điều khiên anten (nối với anten) O
7 VDD Cực dương nguồn năng lượng nuôi chip PWR
8 DEMOD_IN Cảm biến điện áp của anten ANA
9 CDEC_OUT Tụ đầu ra khóa chế độ 1 chiều ANA
10 CDEC_IN Tụ đầu vào khóa chế độ 1 chiều ANA
11 AGND Điện áp đất tương tự ANA
12 MOD Điện áp mức cao điều chế anten IPD 13 DEMOD_OUT Tín hiệu số hiệu điều chế AM trên anten được biểu diễn dướ dạng tín O 14 SHD Một trạng thái ngu điện áp mức cao sẽ đưa mạch vào IPU
15 FCAP Tụ lọc PLL Loop ANA
16 DC2 Tụ lọc tách DC ANA
Bảng 3.1. Mô tả chức năng các chân của Chip EM4095
Ghi chú: GND: nối đất
PWR: nguồn cung cấp ANA: tín hiệu tương tự O: đầu ra
IPD: đầu vào kéo xuống IPU: đầu vào kéo lên
Chip EM4095 thường được sử dụng kèm theo với một khối mạch anten và một vi điều khiển như PIC,8051,...Ngoài ra cũng có thể yêu cầu phải có thêm các thành phần bên ngoài ,như thành phần lọc RF, cảm ứng dòng điện,...
Hoạt động của chip được điều khiển bởi các mức logic của các đầu vào SHD và MOD. Khi SHD là mức cao ‘1’ thì chip đi vào trạng thái “ngủ” ,lúc này dòng
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 80
tiêu thụ ở mức thấp nhất. Khi SHD là mức thấp ‘0’ thì mạch được kích hoạt để phát xạ trường RF, và nó bắt đầu giải điều chế bất cứ tín hiệu AM nào mà nó gặp trên anten. Sau khi qua khối giải điều chế AM,tín hiệu số này được đưa đến chân DEMOD_OUT để tới vi điều khiển nhằm phục vụ cho việc giải mã và xử lý.
Còn dưới đây là sơ đồ các khối bên trong của chip EM4095:
Hình 3.6 Sơđồ khối bên trong chip EM4095
Dễ nhận thấy với chip EM4095 thì các thành phần chính sẽ là các khối tương tự, mà nhiệm vụ của chúng là thự hiện hai chức năng chính của một trạm RFID cơ sở, đó là: truyền đi và thu nhận. Công việc truyền đi được thực hiện bằng việc điều khiển anten và điều chế biên độ của trường RF. Ở đó, anten điều khiển chuyển một dòng vào bên trong trường điện từ được sinh ra bên ngoài anten. Còn công việc thu nhận được thực hiện bằng giải điều chế AM của tín hiệu thu được trên anten phát đi từ thẻ.
Các trình điều khiển : Các trình điều khiển của anten cung cấp năng lượng
thích hợp cho anten của trạm cơ sở reader. Chúng cung cấp dòng điện tại tần sốcộng hưởng hiện tại mà thông thường là 125 kHz. Dòng điện được cung cấp bởi cáctrình điều khiển phụ thuộc vào hệ số chất lượng Q của mạch cộng hưởng ở bên ngoài.
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 81
Chúng ta cần chú ý nên thiết kế mạch anten theo một cách nào đó sao cho giá trị lớn nhất của dòng điện tại đỉnh không bao giờ được phép vượt quá 250 mA.
PLL (Phase locked loop) : PLL bao gồm bộ lọc vòng lặp, VCO, và các khối
so sánh pha. Bằng cách sử dụng một bộ chia điện dung ở bên ngoài, chân DEMOD_IN của chip sẽ lấy được thông tin về tín hiệu điện áp cao trên anten trong thực tế. Pha của các tín hiệu này được so sánh với tín hiệu điều khiển bởi các trình điều khiển của anten. Do đó PLL có thể chặn các tần số sóng mang để không cho nó làm ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của anten. Phụ thuộc vào kiểu anten mà tấn số cộng hưởng của hệ thống có thể là bất cứ giá trị nào trong phạm vi từ 100 kHz tới 150 kHz. Bất cứ khi nào tần số cộng hưởng ở trong phạm vi này thì nó sẽ được duy trì bởi PLL.
Khối tiếp nhận: Sự giải điều chế tín hiệu đầu vào cho khối tiếp nhận được thực hiện bởi cảm biến điện áp ở trên anten. Ngoài ra chân DEMOD_IN cũng được sử dụng như là một đầu vào của khối tiếp nhận. Chú ý rằng mức độ tín hiệu trên đầu vào DEMOD_IN phải thấp hơn VDD-0.5V và cao hơn VSS+0.5V. Mức độ tín hiệu đầu vào đó có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng một khối chia điện kháng ở phía bên ngoài. Ngoài ra, điện dung phân chia phải được điều h.a theo một tụ điện cộng hưởng nhỏ hơn. Phương án thực hiện giải điều chế tín hiệu AM mà ta sử dụng ở đây là dựa trên kỹ thuật "Giải điều chế đồng bộ AM".
Khối tiếp nhận bao gồm bộ lấy mẫu và lưu trữ mẫu, bộ loại bỏ thành phần một chiều, bộ lọc dải và bộ so sánh. Điện áp một chiều của tín hiệu trên chân DEMOD_IN được thiết lập bởi AGND bằng một điện trở ở bên trong. Sau đó tín hiệu AM được lấy mẫu, việc lấy mẫu được đồng bộ hóa bởi một xung phát ra từ VCO. Bất cứ thành phần một chiều nào cũng sẽ được loại bỏ khỏi tín hiệu bằng cách sử dụng tụ điện CDEC. Hơn nữa để lọc bỏ tín hiệu sóng mang còn dư thừa, thì các tần số nhiễu cao và thấp phải được tạo ra bởi bộ lọc thông cao thứ hai và tụ điện CDC2. Tín hiệu nhận được từ bộ khuyếch đại và bộ lọc sẽ được đưa tới bộ so sánh
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 82
bất đồng bộ. Đầu ra bộ so sánh là được đệm trên chân đầu ra của chip là DEMOD_OUT.
Tín hiệu RDY/CLK :Tín hiệu này được cung cấp bởi bộ vi xử lý ở bên
ngoài với tín hiệu xung sẽ được đồng bộ hóa với tín hiệu trên ANT1và với thông tin về trạng thái bên trong của EM4095. Tín hiệu xung đồng bộ với ANT1 cho biết rằng PLL đã được khóa và thời điểm hoạt động của khối tiếp nhận đã được thiết lập. Khi SHD là mức cao thì chân RDY/CLK bắt buộc phải ở mức điện áp thấp. Sau sự chuyển đổi từ mức cao về mức thấp trên SHD thì khối PLL sẽ được khởi động, và do đó khối tiếp nhận lại được khóa lại. Sau khoảng thời gian TSET thì khối PLL lại được khóa và thời điểm hoạt động của khối tiếp nhận lại được thiết lập. Tại thời điểm này , cùng một tín hiệu sẽ được truyền tới ANT1và cũng được đặt tới chân RDY/CLK để cho biết rằng bộ vi xử l. có thể bắt đầu giám sát tín hiệu ở trên DEMOD_OUT và đưa ra tín hiệu xung tham chiếu tại cùng thời điểm đó. Xung trên chân RDY/CLK là liên tục, nó cũng xuất hiện trong suốt thời gian các điều khiển ANT tắt do chân MOD được đặt ở mức cao. Trong suốt khoảng thời gian TSET sự chuyển dịch từ mức cao xuống mức thấp của chân SHD cũng khiến cho chân RDY/CLK bị “kéo xuống” bởi các điện trở kéo100 kÙ. Đây là một trong những chức năng được thêm vào của chân RDY/CLK trong trường hợp điều chế AM với chỉ số thấp hơn 100%. Trong trường hợp đó nó được sử dụng như là một trình điều khiển phụ trợ dùng để giữ cho biên độ trên cuộn dây thấp hơn trong suốt quá trình điều chế.
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 83
Hình 3.8 Cấu hình EM4095 chếđộđọc/ghi (hệ số chất lượng Q thấp)
Hình 3.9 Cấu hình EM4095 chếđộđọc/ghi (hệ số chất lượng Q cao)
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 84
4.2 Hoạt động của thẻ thụ động EM4001
Thẻ EM4001 là một mạch tích hợp công nghệ CMOS được dùng trong các mạch điện tử RF Transponder chỉ có chức năng đọc. Mạch còn bao gồm thêm một cuộn dây ngoài được đặt ở trong một trường điện từ, và lấy các xung tín hiệu gốc cũng từ cùng trường đó qua một trong các cuộn dây nguồn. Bằng cách bật hoặc tắt dòng điều chế, chip sẽ gửi trở lại 64 bit thông tin được chứa ở bên trong một mảng bộ nhớ đã được lập trình trước.Công việc lập trình cho chip được thực hiện bằng tia laser để làm tan chảy các liên kết polysilicon để lưu trữ một mã duy nhất trên mỗi chip.Với thẻ EM4001 tốc độ dữ liệu có thể là 16,32 hoặc lên tới 64 chu kỳ tần số sóng mang trên một bit dữ liệu. Dữ liệu trên thẻ được mã bằng kiểu mã hóa Manchester.
Một số đặc điểm của thẻ EM4001:
Tần số sóng mang: 125KHz. Điều chế ASK.
Kiểu mã hóa: Mã hóa Manchester 40 bit thông tin
Tổ chức bộ nhớ của chip EM4001: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 D0 D1 D2 D3 PR0 D4 D5 D6 D7 PR1 D8 D9 D10 D11 PR2 D12 D13 D14 D15 PR3 D16 D17 D18 D19 PR4 D20 D21 D22 D23 PR5
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 85 D24 D25 D26 D27 PR6 D28 D29 D30 D31 PR7 D32 D33 D34 D35 PR8 D36 D37 D38 D39 PR9 PC0 PC1 PC2 PC3 0 Bảng 3-1 Tổ chức bộ nhớ chip EM4001 Mã hóa dữ liệu kiểu Manchester:
Đó là một kiểu mã hóa mà luôn luôn có 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 có sự thay đổi về pha. Giá trị “high” của dòng dữ liệu được biểu thị chuyển mạch điều biến OFF (ở hình phía dưới), còn giá trị “low” được biểu thị bằng khóa ON.
Hình 3.11 Mã hóa Manchester
4.3 Sơđồ khối mạch RF và tính toán các thông số
Tiếp theo đây ta sẽ đi tính toán một số công thức để tìm ra giá trị thích hợp cho các linh kiện trong sơ đồ khối mạch ta sử dụng. Đây là các công thức có 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 sóng vô tuyến thông qua cuộn anten:
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 86
Hình 3.12 Sơđồ nguyên lý mạch RF
Hệ thống sẽ hoạt động tại tần số là: f0 = 125 kHz
và phạm vi nhiệt độ môi 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 công thức:
(3.1)
RANT = 14.23 Ω
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 VDD - VSS = 5V
Hệ thống sẽ hoạt động tại tần số 125 kHz. Nên điện dung cộng hưởng CRES
được tính theo công thức dưới đây:
(3.2)
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 87
Bằng cách cho anten được điều khiển theo cấu hình cầu điều khiển và áp dụng công thức :
(3.3)
và
(3.4)
Ta sẽ tính được các đại lượng dòng và điện áp tại anten của reader như sau (với RSER=0):
IANT(peak)=315mA
VANT(peak)=182V
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 nó có 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 có khá nhiều chế độ đọc. Nên có 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 EM4001.
Hình 3.13 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 có thể, th. giá trị của tụ điện phân chia nên được định lượng với sai số thấp. Ta có thể định lượng giá trị đó dựa trên bất đẳng thức dưới đây :
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 88
(3.5)
Tại VDEMOD_IN_PP = 4VPP th. hệ số phân chia dC = 35. Đây có vẻ là một sự lựa chọn tốt. Ngoài ra tỷ lệ phân chia có 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 có liên quan đến hệ số phân chia dC là:
CRES = 2.2 nF CDV1 = 47 pF CDV2 = 1.5 nF
Để tính toán ra giá trị cộng hưởng C0 tốt nhất ta nên tính đến sự xuất hiện của cả các tụ điện Cdv1 và Cdv2 như công thức dưới đây:
(3.6)
Và từ đây ta có thể tính lại giá trị của tần số cộng hưởng theo công thức dưới để tăng thêm độ chính xác trong thực tế:
(3.7)
Còn 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 tóm lại cuối cùng ta sẽ thu được giá trị của các linh kiện sử dụng là: CDC2 = 10nF
CFCAP = 100nF CAGND = 100nF CDEC = 100nF
PHẠM QUỐC TUÂN: Cao học ĐT K3 89
CRES = 2.2nF CDV1 = 47uF CDV2 = 1.5nF LA = 720uH
4.4. Thiết kế anten cho reader:
Các thẻ RFID thụ động sẽ sử dụng cảm ứng từ do điện áp cuộn dây anten [4] sinh ra đểhoạt 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 đó 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 có thể liên lạc được từ xa với thẻ mà không cần đến nguồn năng lượng bên ngoài cho thẻ (ví dụ pin). Nên cuộn dây anten đóng vai trò rất quan trọng trong các ứng dụng RFID,nó 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 công thức vật lý liên quan để tìm ra các tham số chuẩn xác nhất có 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 góc bao nhiêu độ) , hay nên chọn dây có đường kính bao nhiêu để trở kháng của nó là thấp sẽ giúp cho hệ số chất lượng Q của anten cao lên,...
Theo định luật Ampe khi một dòng điện đi qua một dây dẫn thì nó sẽ tạo ra