Tính toán thiết kế Antenna 125kHz cho đầu đọc RFID- 123docz.net

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ĐẦU ĐỌC THẺ RFID TẦN SỐ 125kHz

2.2. Thiết kế Antena 125kHz cho đầu đọc thẻ RFID

2.2.2. Tính toán thiết kế Antenna 125kHz cho đầu đọc RFID

Trong các hệ thống RFID trường gần và trường xa, do đặc tính trường điện từ tại mỗi khu vực là khác nhau nên cơ chế ghép năng lƣợng giữa đầu đọc và thẻ cũng khác nhau.

 Trường gần

Trường điện từ tại khu gần có tính chất thụ động và gần như tĩnh. Điện trường sẽ bị thay thế bởi từ trường, và trường nào sẽ tồn tại được quyết định bởi

(LUAN.van.THAC.si).nghien.cuu.thiet.ke.dau.doc.the.cong.nghe.RFID.tan.so.125.khz.va.ung.dung.trong.linh.vuc.y.duoc.luan.van.ths.ky.thuat.co.khi.va.co.ky.thuat.605201(LUAN.van.THAC.si).nghien.cuu.thiet.ke.dau.doc.the.cong.nghe.RFID.tan.so.125.khz.va.ung.dung.trong.linh.vuc.y.duoc.luan.van.ths.ky.thuat.co.khi.va.co.ky.thuat.605201

 Ghép cảm ứng

Trong một hệ thống RFID ghép cảm ứng, cuộn dây antenna đầu đọc sẽ tạo ra một từ trường mạnh cảm ứng vào cuộn antenna của thẻ. Khi một phần năng lượng trường được thẻ hấp thụ, sẽ tạo ra một điện áp Ui trên antenna thẻ.

Điện áp này được chỉnh lưu và làm nguồn nuôi cho chíp nhớ của thẻ. Một tụ Cr đƣợc mắc song song với antenna của đầu đọc, điện dung đƣợc chọn sao cho nó cùng với điện cảm của antenna hình thành nên một mạch cộng hưởng song song với tần số tương ứng với tần số phát đi của đầu đọc.

Hình 2.10: Giao tiếp giữa thẻ và đầu đọc RFID ghép cảm ứng 2.2.2.2. Các tính toán thiết kế Antenna sử dụng chip EM4095

Antenna của đầu đọc thẻ có thể đƣợc thiết kế ở nhiều dạng (nhƣ antenna vòng dây, antenna khung dây, antenna zíc zắc, antenna vi dải.

Trong luận văn đã chọn loại antenna dạng khung chữ nhật nhiều vòng dây. Với các lý do sau:

- Phù hợp cho dải sóng LF từ 125- 134.2 KHz - Dễ thiết kế, tính toán.

- Dễ dàng lắp đặt, độ bền cao.

 Một số tính toán dựa trên lý thuyết điện từ.

- Giả sử, chọn cảm kháng của khung dây làm antenna và hệ số của antenna lần lƣợt là:

LA= 725àH QA= 40

- Hệ thống hoạt động ở tần số : f=125Khz

Khi đó, điện trở của antenna đƣợc tính bằng:

A A

ANT Q

R  2fL

(1.1)

Hay,        14.23

10 725 10

125 14 . 3

2 3 6

RANT

Hình 2.11: Cách kết nối EM4095 ở chế độ chỉ đọc - Ta có, các thông số nhà sản xuất cho:



3 RAD

V V

VDD  SS 5

- Điện dung cộng hưởng của antenna là:

RES f L

C 2

) 2 (

  (1.2)

CRES 2.24

10 725 )

10 125 14 . 3 2 (

6 2

3 



  

RES peak ANT peak

ANT f C

V I

. . 2

) ( )

(   (1.4)

Trong đó: + RANT: Điện trở của khung antenna + R SER: Điện trở nối tiếp với antenna

+ RAD : Điện trở của mạch điều khiển antenna.

+ IANT (peak): Dòng cực đại trên antenna + VANT(peak): Thế cực đại trên antenna hay

IANT peak 314.9

3 2 0 23 . 14

0 5 14

. 3

)

( 





 

VANT peak 179

10 24 . 2 10 125 14

. 3 2

9 . 314

6 ) 3

( 



  

( ở đây RSER = 0)

Ta thấy rằng dòng cực đại trên antenna là 314.9mA lớn hơn mức qui định là 250mA. Do vậy, cần mắc thêm trở nối tiếp (RSER) với mạch cộng hưởng của antenna, ta có thể làm giảm dòng này xuống mức cần thiết.

Giá trị điện trở này có thể đƣợc tính bằng công thức (1.3).

Theo nhà sản xuất chíp cung cấp, giá trị RSER=33, thì:

mA IANT(peak) 119.69

V VANT(peak) 69.23

 Công thức liên hệ giữa kích thước khung antenna với cảm kháng của nó là:

) 10 (

9 908

. 1

) . ( 0276 .

0 2

H H B

L C 



 

Trong đó:

L: Cảm khỏng của khung dõy (àH) N: Số vòng dây

C = X+Y+2H

X: Là chiều rộng của khung (cm) Y: Chiều dài của khung (cm) B: Bề rộng mặt cắt (cm) H: Chiều cao của khung (cm) Ta có bảng tính toán sau:

Bảng 2.3: Tính toán thông số Antenna

Nhƣ vậy, khi đã có các thông số Antenna ta hoàn toàn tính đƣợc các giá trị của điện trở RSER, CRES, IANT, VANT… cho mạch dựa vào các công thức (1.1),(1.2),(1.3),(1.4).

Một số hình ảnh Antenna đã thiết kế:

Hình 2.12: Một số hình ảnh Antenna đã thiết kế

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ĐỂ THU NHẬN DỮ LIỆU TỪ ĐẦU ĐỌC THẺ RFID TẦN SỐ 125kHz

3.1. Thiết kế phần cứng bộ điều khiển trung tâm để thu nhận dữ liệu từ đầu đọc thẻ RFID tần số 125kHz

Bộ điều khiển trung tâm (MCU) thu nhận dữ liệu từ đầu đọc thẻ RFID tần số 125kHz bao gồm các phần:

 Khối điều khiển

 Khối hiển thị

 Khối giao tiếp máy tính

 Sơ đồ mạch khối điều khiển trung tâm (MCU)

Bộ điều khiển trung tâm (MCU) có thể đƣợc thiết kế nhƣ sơ đồ:

Hình 3.1 : Sơđồ cấu trúc đầu đọc thẻ RFID

Trong phạm vi đề tài sẽ nghiên cứu, thiết kế khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F887A.

3.1.1. Thiết kế khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển

MASTER CONTROL UNIT (MCU)

LCD DISPLAY

EM 4095 MODULE

LED DISPLAY

COMPUTER

+ 256 bytes EEPROM, 368 bytes bộ nhớ dữ liệu.

+ 10 bit ADC với 8 kênh đầu vào

Hình 3.2: Vi điều khiển PIC16F887 3.1.1.1. Sơ đồ và chức năng các cổng vào/ra (I/O PORT)

Hình 3.3: Sơ đồ chân PIC16F887 a. PORT A và thanh ghi TRISA

PORT A là cổng hai chiều (vào/ra), với độ rộng 6 bít (RA0RA5).

Tương ứng với thanh ghi TRISA.

PORT A sẽ là đầu vào (Input) nếu set TRISA ở mức logic 1 (0xFF), ngƣợc lại sẽ là đầu ra (Output) nếu set TRISA ở mức logic 0 (0x00).

Chân RA4 tích hợp với đầu vào bộ đếm Timer0. Các chân khác đều là chân tích hợp và cho phép nhận cả tín hiệu tương tự.

Bảng 3.1: Chức năng các chân của PORT A

Chân (PIN) Bit Chức năng

RA0/AN0 Bit 0 Đầu vào/ra số hoặc đầu vào tín hiệu tương tự.

RA1/AN1 Bit 1 Đầu vào/ra số hoặc đầu vào tín hiệu tương tự.

RA2/AN2/VREF-

/CVREF Bit 2 Đầu vào/ra số, đầu vào tín hiệu tương tự hoặc VREF-

RA3/AN3/VREF+ Bit 3 Đầu vào/ra số, đầu vào tín hiệu tương tự hoặc VREF+

RA4/T0CKI/C1OUT Bit 4

Đầu vào/ra số, đầu vào xung nội cho Timer0, hoặc đầu ra 1 cho bộ so sánh.

RA5/AN4/SS/C2OUT Bit 5 Đầu vào/ra số, đầu vào tín hiệu tương tự, Đầu ra 2 cho bộ so sánh.

b. PORT B và thanh ghi TRISB

PORT B là cổng hai chiều với độ rộng 8 bít. Tương ứng với thanh ghi TRISB.

Việc set chế độ vào/ra cũng giống nhƣ PORT A. Các chân của PORT B có chế độ “pull-up”, cho phép kéo điện thế lên một mức nhỏ nào đó. Chỉ cần 1 bit để điều khiển bật chế độ này và chúng tự động tắt khi PORT B là đầu ra.

Chân RB0/INT là một ngắt ngoài, đƣợc cấu hình sử dụng bit INTEDG.

Nó sẽ bị tắt khi bit này bị xóa.

Khi có tín hiệu ngắt tại chân RB0, cờ ngắt INTIF sẽ đƣợc set. Ta có thể

RB0/INT Bit 0 Đầu vào/ra số hoặc đầu vào cho ngắt ngoài.

RB1 Bit 1 Đầu vào/ra số

RB2 Bit2 Đầu vào/ra số

RB3/PGM Bit 3 Đầu vào/ra số, chân lập trình cho chế độ LVP.

RB4 Bit 4 Đầu vào/ra số , ngắt trạng thái RB5 Bit 5 Đầu vào/ra số , ngắt trạng thái

RB6/PGC Bit 6 Đầu vào/ra số, ngắt trạng thái, xung lập trình

RB7/PGD Bit 7 Đầu vào/ra số, ngắt trạng thái, dữ liệu lập trình.

c. PORT C và thanh ghi TRISC

Port C là một cổng hai chiều 8 bit. Tương ứng với thanh ghi TRISC. Nếu ta set TRISC=0, thì PORTC sẽ là đầu ra (Output), ngƣợc lại nếu set TRISC=1, thì nó là đầu vào (Input). PORT C đƣợc tích hợp cho nhiều chức năng sử dụng nhƣ giao tiếp I2C, RS-232…

Bảng 3.3: Chức năng các chân của PORTC

Chân (PIN) Bit Chức năng

RC0/T1OSO/T1CKI Bit 0 Đầu vào/ra số, đầu ra bộ dao động định thời Timer1, đầu vào xung cho Timer1

RC1/T1OSI/CCP2 Bit 1 Đầu vào/ra số, đầu vào cho bộ dao động định thời Timer1, Đầu ra bộ so sánh 2, đầu ra PWM2.

RC2/CCP1 Bit 2 Đầu vào/ra số, đầu ra bộ so sánh 1, đầu ra PWM1.

RC3/SCK/SCL Bit 3 Đầu vào/ra số, hỗ trợ giao tiếp SPI, I2C.

RC4/SDI/SDA Bit 4 SPI data hoặc dữ liệu vào/ra trong chế độ giao tiếp I2C.

RC5/SDO Bit 5 Đầu vào/ra số, đầu ra cổng đồng bộ số

RC6/TX/CK Bit 6 Đầu vào/ra số, chân truyền dữ liệu trong giao tiếp USART.

RC7/RX/DT Bit 7 Đầu vào/ra số, chân nhận dữ liệu trong giao tiếp USART.

d. PORT D và thanh ghi TRISD

PORT D là một cổng 8 bit với cấu tạo là các trigger Schmitt. Chúng có thể đƣợc cấu hình để sử dụng nhƣ một cổng mở rộng 8 bit cho vi xử lý (Parallel Slave Port)

Bảng 3.4: Chức năng các chân của PORT D

Chân (PIN) Bit Chức năng

RD0/PSP0 Bit 0 Đầu vào/ra số, PSP 0

RD1/PSP1 Bit 1 Đầu vào/ra số, PSP1

RD2/PSP2 Bit 2 Đầu vào/ra số, PSP2

RD3/PSP3 Bit 3 Đầu vào/ra số, PSP3

RD4/PSP4 Bit 4 Đầu vào/ra số, PSP4

RD5/PSP5 Bit 5 Đầu vào/ra số, PSP5

RD6/PSP6 Bit 6 Đầu vào/ra số, PSP6

RD7/PSP7 Bit 7 Đầu vào/ra số, PSP7

e. PORT E và thanh ghi TRISE

PORT E gồm 3 chân từ RE0 tới RE3. Ngoài chức năng là đầu vào/ra số thông thường, PORTE còn có chức năng điều khiển đầu vào số và tương tự.

Chức năng này đƣợc set bởi TRISE.

điều khiển chức năng ghi dữ liệu RE2/CS/AN7 Bit 2 Đầu vào/ra số, đầu vào tương tự,

chức năng chip select.

3.1.1.2. Ngắt trong PIC

Vi điều khiển PIC16F887 gồm có 15 nguồn ngắt. Các ngắt này đƣợc điều khiển bởi thanh ghi INTCON.

Hình 3.4 : Sơđồ logic các nguồn ngắt của PIC16F887 Các nguồn ngắt cụ thể cho trong bảng sau:

Trong đó, hai ngắt EXT và RDA đƣợc sử dụng trong thuật toán lập trình điều khiển hệ thống này.

Bảng 3.6: Các nguồn ngắt trong vi điều khiển PIC16F887

Tên ngắt Pin Mô tả

AD Ngắt xảy ra khi quá trình chuyển đổi

từ tương tự sang số hoàn thành.

BUSCOL Ngắt xảy ra khi có sự xung đột bus

CCP1 Ngắt xảy ra khi bộ so sánh 1 đƣợc bật

CCP2 Ngắt xảy ra khi bộ so sánh 2 đƣợc

bật

COMP Ngắt xảy ra khi có kết nối bộ so sánh

EEPROM Ngắt xảy ra khi quá trình ghi dữ liệu

EEPROM hoàn tất

EXT RB0 Ngắt ngoài xảy ra khi có sự thay đổi mức logic tại chân RB0

PSP Ngắt xảy ra khi có dữ liệu vào các

chân Parallel Slave Port (RD0RD7)

RB RB4RB7 Ngắt xảy ra khi có sự thay đổi mức

logic tại các chân RB4RB7

RDA Ngắt xảy ra khi có sự nhận dữ liệu

trong giao tiếp RS-232

RTCC Ngắt xảy ra khi bộ đếm Timer0 bị

tràn (Sử dụng tên RTCC)

SSP Ngắt xảy ra khi các giao thức SPI

hoặc I2C hoạt động

TBE Ngắt xảy ra khi kết thúc một quá

trình truyền dữ liệu theo giao thức RS232.

TIMER0 Ngắt xảy ra khi bộ đếm Timer0 bị

tràn

3.1.2. Thiết kế khối hiển thị sử dụng màn hình LCD 16x02

Màn hình LCD là một thiết bị hiển thị rất hữu dụng. Cho phép hiển thị các kết quả ở cả dạng chữ và dạng số.

Trong đề tài này sử dụng loại màn hình LCD LMB162A của hãng TOPWAY (Đài Loan) sản xuất với thông số kỹ thuật nhƣ sau:

+ Số hàng: 2

+ Số ký tự hiển thị mỗi hàng: 16

+ Số bit điều khiển: Điều khiển kiểu 4 bit hoặc 8 bit.

Sơđồ kết nối với Vi điều khiển nhƣ sau: