IPP 2005/2006 RFID Guardian prototype -Eindrapport-
Projectnummer: CE-09.054 naam: Tim Velzeboer [T] studienummer: 1177591 e-mail:
[email protected] naam: Serge Keyser [S] studienummer: 1170813 e-mail:
[email protected] weeknummer: 1 t/m 8 datum: 23 juni 2006 plaats: Delft bestemd voor: [IL] [BG] [OG] Opdrachtgever: Msc G. Gaydadjiev Begeleider: Ir. S.W.H. de Haan
1
Voorwoord Voor u ligt het verslag dat gemaakt is naar aanleiding van het IPP 2005/2006 voor het project RFID Guardian prototype (Hierna Guardian). Dit verslag heeft twee doelen: Laten zien hoe de procesgang is verlopen, van eerste kennismaking met de opdrachtgever tot het afleveren van het product. Het leveren van een samenvatting van de documentatie, het voordeel hiervan is dat men snel een overzicht van de Guardian krijgt. Dit verslag begint met een overzicht van het gehele systeem, zodat men zich een gedachte kan vormen bij wat de Guardian is, daarna volgt een lijst met veelgebruikte termen en de uitleg van deze termen. Het deel daarna (tot en met hoofdstuk 2) gaat over de proces gang en in hoofdstuk 4 is er een summiere samenvatting van de documentatie te lezen. Als auteurs hopen wij dat alles duidelijk verwoord is en dat de gevolgde proces gang duidelijk is, mochten er onverhoopt nog onduidelijkheden zijn voor wat betreft de inhoud van dit rapport, dan kunt u altijd contact op nemen met een van de auteurs, de e-mail adressen zijn vermeld op het schudblad.
Serge Keyser Tim Velzeboer Delft vrijdag 23 juni 2006
2
Inleiding Voor het Bachelor-eindproject van de opleiding elektrotechniek aan de TU-Delft genaamd Integraal Project Practicum (IPP), wordt er een ontwerpproces doorlopen waarbij de student leert hoe hij of zij op een goede manier een product kan ontwerpen en afleveren waar de klant tevreden mee is. Voor het IPP moet de student een opdracht kiezen en die naar de wensen van de opdrachtgever gaan ontwerpen. In dit project is gekozen voor het onderwerp “RFID Guardian Prototype”. De opdracht van dit project is de bestaande analoge hardware van dit apparaat te verbeteren naar de gewenste specificaties die de opdrachtgever aan het product stelt en een interface te maken tussen, de al bestaande, digitale hardware en de analoge hardware. RFID staat voor radio frequency identification. RFID wordt ook wel gezien als de opvolger van de barcode of streepjescode. Het voordeel van RFID is dat er geen mens meer aan te pas hoeft te komen om producten te identificeren. Een RFID systeem bestaat uit een Tag en een reader. De Tag wordt op het te identificeren object geplaatst en de reader leest de informatie die op de Tag geprogrammeerd staat uit. RFID wordt toegepast bij groothandels, op distributielijnen van pakketdiensten, op het Nederlandse paspoort dat vanaf augustus 2006 geleverd wordt en nog vele andere applicaties. Het is
de bedoeling dat in de nabije toekomst deze Tags ook gebruikt zullen worden in de supermarkten en in de Amerikaanse dollar. Het probleem met RFID is dat de meeste Tags niet beveiligd zijn. Hierdoor kan iedereen, die dat fysiek kan, data uitlezen van een willekeurige Tag. Dit kan voorkomen worden door aluminiumfolie om de Tags te wikkelen. Dit vormt een kooi van Faraday wat elektromagnetische straling niet door laat. Dit is echter een onhandige operatie, zeker als men bedenkt dat in de nabije toekomst de boodschappen ook afgeschermd dienen te worden, men kan immers gevolgd worden aan de hand van de boodschappen die gekocht zijn! Daarom is er op de Vrije Universiteit van Amsterdam gestart met een onderzoek naar beveiliging van RFID systemen. De hier ontwikkelde guardian moet Tags die gevoelige informatie bevatten kunnen afschermen van de buitenwereld door communicatie te verstoren tussen Tag en reader (lezer). Het is de bedoeling dat de guardian ooit door veel mensen gebruikt gaat worden. Een algemene indruk van de guardian is te zien in Fig 1.
De werking van de guardian wordt hieronder in stappen beschreven samen met een aantal figuren om dit te verduidelijken.: De guardian controleert of er tags in de buurt zijn en er wordt door de guardian zelf of door een gebruiker bepaald of de betreffende tag moet worden afgeschermd. (Fig 2. en Fig 3.)
Fig1. Algemene opzet van de guardian
3
Fig 2. Zoeken naar TAG(s)
Fig 3. TAG gevonden en communicatie tussen TAG en Guardian De guardian “luistert” in de omgeving naar aanwezigheid van readers. Als er geen
readers zijn houdt de guardian zich stil. (Fig 4.)
Fig 4. Luisteren naar readers in de buurt Als een reader is gevonden die de betreffende tag(s) niet mag lezen, zend de guardian een stoorsignaal uit op dezelfde band als de desbetreffende tag. Tags die wel gelezen mogen worden laat de guardian met rust. (Fig 5.)
4
Fig 5. Verstoren van communicatie tussen reader en TAG Dit proces blijft zich herhalen totdat de gebruiker de guardian uitzet. Dit document bevat het eindrapport voor het ontwerpproces van de RFID Guardian. In het rapport zal eerst het ontwerptraject besproken worden waarin onder andere functieblokschema’s, conceptoplossingen en het uiteindelijk gekozen concept staat. Vervolgens zal uiteengezet worden hoe het systeem tot stand gekomen is en wat er getest is en wat de uitslag van die tests was. Als laatste is er een evaluatie van het eindtraject gemaakt. In de bijlagen bij dit rapport kunt u de netwerkplanningen, een logboek, een kostprijsberekening en de literatuurlijst te vinden. In de aparte bijlagen, die los van dit rapport geleverd worden, zijn de aftekenlijsten en de documentatie (in het Engels) te vinden.
5
Gebruikte termen Enkele veel gebruikte termen en hun betekenis 13.56Mhz
RFID
NFC
ISO15693 ISO14443
FPGA/ CPLD
Draaggolf frequentie voor de RFID devices als gebruikt voor dit project, er zijn ook andere frequenties mogelijk, deze vallen echter buiten het bereik van dit project. Radio Frequency Identification. Identificatie met behulp van radiogolven. TAG Label dat op het te identificeren voorwerp zit. Dit label bevat een microchip met daarop geheugen afhankelijk van het label kan dit geheugen zowel worden gelezen als beschreven. Reader Apparaat dat een TAG kan lezen en kan beschrijven met behulp van, in dit geval, magnetische koppeling. Near Field Communication. Het “near field” is de afstand tot waar alleen het magnetisch component van een elektromagnetische golf gebruikt kan worden. Voor de gebruikte frequentie (13.56Mhz), zit de grens tussen “near” en “far” field op ongeveer 3.5m, aangenomen dat er genoeg vermogen is om deze grens te halen. Op en in de buurt van deze grens is het veld echter heel zwak, daarom is de effectieve grens op ongeveer 2 m. Deze effectieve grens kan natuurlijk opgerekt worden, zodra er betere aperatuur gemaakt wordt. ISO standaard voor het verzenden van gegevens en data via RFID ISO standaard voor het verzenden van gegevens en data via RFID, dit verschilt met bovenstaande standaard door de manier waarop communicatie plaats vindt van TAG naar Reader FPGA (Field Programmable Gate Array) en CPLD (Complex Programmable Logic Device). Chips met een aantal logische (and, or) poorten, welke programmeerbaar zijn. Een FPGA is zijn programma (configuratie) verloren zodra de spanning van de schakeling gehaald wordt. Een CPLD houd zijn configuratie vast als de spanning weg valt, nadeel van een CPLD is dat deze kleiner en langzamer is dan een FPGA.
6
Index Voorwoord..............................................................................................................................2 Inleiding .................................................................................................................................3 Gebruikte termen ....................................................................................................................6 1 Ontwerp ..............................................................................................................................8 1.1 Probleemanalyse............................................................................................................8 1.2 WWWWW vragen ........................................................................................................10 1.2.1 Programma van Wensen............................................................................................12 1.3 Programma van Eisen ..................................................................................................13 1.3.1 PvE .......................................................................................................................13 1.3.2 Niet geïmplementeerde wensen ..............................................................................14 1.4 Hoe voldoet de uiteindelijke schakeling aan het PvE? .....................................................15 1.5 Functieblokschema’s/morfologische kaart ......................................................................17 1.5.1 Functieblokschema’s ..............................................................................................17 1.5.2 Morfologische kaart................................................................................................26 1.5.2 Morfologische kaart................................................................................................26 1.6 Systeemconcepten .......................................................................................................28 1.6.1 Conceptoplossing 1 ................................................................................................28 1.6.2 Conceptoplossing 2 ................................................................................................30 1.6.3 Conceptoplossing 3 ................................................................................................31 1.6.4 Vergelijking tussen de verschillende systeemconcepten............................................32 1.7 Uitwerking gekozen concept tot op componentniveau. ...................................................33 2 Evaluatie ontwerptraject .....................................................................................................35 3 Testresultaten....................................................................................................................37 3.1 Antenne ......................................................................................................................37 3.2 Antenne versterker.......................................................................................................37 3.3 Zenden_TAG................................................................................................................37 3.4 Ontvangen_lezer en Zenden_lezer ...............................................................................37 3.5 Ontvangen_TAG...........................................................................................................37 3.6 De rest ........................................................................................................................37 4 Voorschriften .....................................................................................................................38 4.1 gebruik........................................................................................................................38 4.2 onderhoud...................................................................................................................38 4.3 liquidatie .....................................................................................................................38 5 netwerkplanning ................................................................................................................40 5.1 CPM week 1 t/m 3........................................................................................................41 5.2 CPM week 4 t/m 8........................................................................................................44 6 literatuur ...........................................................................................................................47 7.Bestede tijd .......................................................................................................................48 Kostprijsberekening...............................................................................................................52
7
1 Ontwerp 1.1 Probleemanalyse De opdracht zoals deze in het begin gegeven werd luidt als volgt: Problem statement: We have a preliminary design for the RFID guardian HW, but it is far from optimal. This project is to improve the RFID Guardian's analog design, especially focusing upon improving its power consumption and communication range. You will then also design and fabricate a PCB, to turn your analog electronics ideas into reality. The result will be used in many follow-up projects, that will improve and streamline the RFID Guardian's security functionality in real-life situations. Op deze probleemstelling is een doel middelverschuiving toegepast: zie figuur 1.1 Zoals gezien kan worden lijkt het dat het uiteindelijke verschoven middel niet heel erg verschilt met het door de opdrachtgever zelf bedachte middel. Echter er zit een essentieel verschil in: bij het door de opdrachtgever bedachte middel wordt het huidige schema direct omgezet in een PCB, zonder dat er iets aan de schema’s verandert, voor de IPP studenten is dit makkelijker dan het verschoven middel.
bij het verschoven middel moet er nagedacht worden over hoe de huidige schakeling in elkaar zit, en hoe deze draagbaar te maken valt. Dit is een beter middel dan de opdrachtgever zelf bedacht had, echter er gaat wel meer moeite en tijd mee gepaard. Verder zijn er nog een aantal voorwaarden voor wat betreft de interface tussen de analoge schakeling en de digitale schakeling, de werk spanning, timing etc. Hier valt niet veel aan te verschuiven omdat dit fysieke voorwaarden zijn. Na deze verschuiving kan probleemstelling geformuleerd worden:
de
Maak een schakeling die een interface biedt voor een Triton-270 module om een (volgens ISO/IEC FDIS 15693/14443) PPM gemoduleerd basisband-signaal (met een TTL niveau tussen 0 en 3.3 volt) uit deze module om te zetten naar radiogolven welke de standaarden ISO/IEC FDIS 15693/14443 ondersteunen. Daarnaast moet de schakeling een volgens deze standaard gemoduleerd signalen kunnen ontvangen en omzetten naar een, volgens de voor genoemde standaard, PPM gemoduleerd basisband-signaal met een TTL niveau tussen 0 en 3.3Volt.
8
Figuur 1.1 Doel middel verschuiving
9
1.2 WWWWW vragen Wie heeft het probleem (onderzoeker, producent, etc.)? Een onderzoeker, het is de bedoeling om een prototype te maken van de nader te specificeren “RFID Guardian” (hierna: RG) welke als onderzoeksobject gebruikt kan worden. Eventueel zou in een later stadium het ontwerp commercieel gebruikt kunnen worden. In dat geval zal het een mobiel apparaat worden. Mede met het oog hierop mag de te ontwerpen schakeling een maximale grote hebben die overeenkomt met heet oppervlak van een cd (een normale gangbare compactdisc). Wat wilt u dat wij gaan ontwerpen? De RG hardware bestaat uit een digitaal en een analoog deel. Het digitale deel van de hardware werkt stabiel, het analoge deel geeft echter nog problemen qua stabiliteit. Het is de bedoeling dat het analoge deel stabieler gemaakt wordt (o.a. door het op een PCB te plaatsen, het is nu nog een spinnenweb van draden). Daarnaast moet het zendbereik geoptimaliseerd worden, en het vermogensgebruik van de zend installatie moet minimaal zijn. Verder vindt er een spanningsconversie plaats in het systeem, tussen het digitale en analoge deel, het liefst wordt deze conversie verwijderd.
Wat is het uiteindelijke doel van het project dat wij maken? Het uiteindelijke doel is dat er een stabiel systeem opgeleverd wordt voor het zenden en ontvangen van RFID signalen op de 13.56 MHz band. Deze zend/ontvangst unit moet TTL signalen accepteren voor verzenden en ook weer genereren na ontvangst. Wat voor oplossingen heeft u al in uw gedachte? De oplossing zou kunnen worden gehaald uit de application notes (AN) van de fabrikant van de zender/ontvanger (Melexis) of eventueel een nieuwe zender/ontvanger.
Wat is het maximale vermogen dat de RG mag gebruiken? Minder dan 1 Watt Wat is het verbruik nu? Parameter onbekend Wat is het minimale zendbereik dat de RG moet kunnen halen? Zo groot mogelijk, maar minimaal de volgens de fabrikant van de zender ontvanger HW aangegeven reikwijdte En tegen welk uitgezonden vermogen? Parameter onbekend
Waarom wilt u dit? Zoals al eerder aan gegeven werkt het analoge deel maar is het niet stabiel genoeg. Het moge verder duidelijk zijn dat een maximalisatie van het zendbereik en een minimalisatie van het verbruik essentieel zijn als dit product ooit op de markt gebracht mocht worden. De al eerder aangegeven spanningsconversie zorgt er voor dat er extra (dure en grote!) componenten gebruikt moeten worden. Als deze conversie verwijderd kan worden dan scheelt dat weer in de prijs/het verbruik.
Wat is de maximale afstand met welk vermogen nu? Parameter onbekend Wat is het minimale rendement van de guardian? Zo hoog mogelijk. Wat is de maximale grootte van de PCB? Maximaal het oppervlak van een standaard cd
10
Moet de RG richtingsgevoelig zijn, moet het kunnen zien uit welke kant de reader komt? De reader moet omnidirectioneel zijn, dus niet richtingsgevoelig. Moet de guardian de "aanvaller" misleiden (bepaalde tags laten zien met een andere id?) of tags onzichtbaar maken? Ideaal gezien beide maar om te beginnen alleen onzichtbaar maken. Wat voor tags moeten worden (passief, actief)?
“geguard”
De GD zal in eerste instantie gebruikt worden om passieve tags te “guarden” uiteindelijk zullen dat er misschien actieve worden. Moet het uiteindelijke productie rijp zijn?
ontwerp
Nee, het moet wel gemaakt kunnen worden maar niet in grote aantallen. Onderhoud Er moet beschreven worden hoe de PCB aangesloten moet worden, en welke
ontwikkelingsbeslissingen er genomen worden. Dit laatste zal in de vorm van weekrapporten geschreven worden. Recycling/reparatie Reparatie hoeft niet per se nodig te zijn, tegenwoordig worden mobiele apparaten (denk aan telefoons, etc.) sneller weggegooid dan gerepareerd. Een apparaat vervangen is in veel gevallen goedkoper dan het oude te repareren. Mede met het oog hierop moet er wel gelet worden op de recycling, er moet voldaan worden aan de geldende normen (denk aan geldende maatregelen om milieuschade tot een minimum te beperken). Documentatie Deze moet aangeven welke beslissingen er genomen zijn (waarom is iets veranderd?) verder moet er aangegeven worden hoe het ontworpen systeem aangesloten moet worden en eventuele test resultaten moeten hierbij opgenomen worden. Hoe bepaald OG of de opdracht gelukt? Het ontworpen systeem wordt aangesloten op het digitale deel van RG, hierna wordt gemeten wat de verbetering is t.o.v het huidige systeem. Deze verbetering moet uiteraard positief zijn.
11
1.2.1 Programma van Wensen • • • • •
• • • • • • • • • • • • •
Het systeem mag niks uitzenden als er geen TagScanner in de buurt is. Het systeem dient zich te synchroniseren met het digitale deel. Het systeem dient mobiel te gebruiken zijn. Het systeem dient in een jaszak te passen (maximaal oppervlak, het oppervlak van een cd). Er moet een interface aanwezig zijn die er voor zorgt dat de PXA270 met een computer kan communiceren middels het RS232 protocol, hierbij moet rekening gehouden worden met het verschil in spanningsniveau tussen de PXA270 en de computer. Het systeem dient energiezuinig te zijn (verbruik <= 1 watt). Het systeem dient een voedingsspanning van 3.3 volt te hebben. Het systeem moet een energiebron hebben met het gewicht van drie penlight batterijen/accu’s of lager. Het systeem dient een interface, connector en eventuele niveauaanpassing, te hebben voor een XScale processor bordje (Triton-270). Het systeem dient de standaarden ISO/IEC FDIS 15693 en ISO/IEC FDIS 14443 te ondersteunen op de punten waar dit nodig is. Het bereik dient zo groot mogelijk te zijn, en het huidige bereik te overschrijden. Het systeem dient batterij gevoed te kunnen worden. Er dient geen lood in de schakeling zitten. De tijdens productie gebruikte verbruiksmiddelen dienen op de daarvoor bestemde wijze afgebroken te worden. Er dient een display aan het systeem gehangen te kunnen worden. De documentatie dient een gebruikershandleiding te bevatten. Het apparaat hoeft niet gerecycled te worden. Het apparaat dient een aantal drukknoppen te bevatten.
12
1.3 Programma van Eisen Het volledige programma van eisen is in deze paragraaf te vinden. Daarnaast wordt behandeld welke wensen de opdrachtgever had, welke niet geïmplementeerd zijn.
1.3.1 PvE De probleemstelling voor dit project is: Maak een schakeling die een interface biedt voor een Triton-270 module om een (volgens ISO/IEC FDIS 15693/14443) PPM gemoduleerd signaal (met een TTL niveau tussen 0 en 3.3 volt) uit deze module om te zetten naar radiogolven welke de standaarden ISO/IEC FDIS 15693/14443 ondersteunen. Daarnaast moet de schakeling een volgens deze standaard gemoduleerd signalen kunnen ontvangen en omzetten naar een, volgens de voor genoemde standaard, PPM gemoduleerd signaal met een TTL niveau tussen 0 en 3.3Volt. Eisen • • • • •
vanuit het beoogde gebruik Het systeem moet niks uitzenden als er geen TagScanner in de buurt is. Het systeem moet synchroon lopen met het digitale deel. Het systeem moet mobiel te gebruiken zijn. Het systeem moet in een jaszak passen Er moet een interface aanwezig zijn die er voor zorgt dat de PXA270 met een computer kan communiceren middels het RS232 protocol, hierbij moet rekening gehouden worden met het verschil in spanningsniveau tussen de PXA270 en de computer.
Eisen • • •
vanuit de ecologische situering van het systeem in de omgeving Het systeem dient energiezuinig te zijn (verbruik <= 1 watt). Het systeem dient een voedingsspanning van 3.3 volt te hebben. Het systeem moet een energiebron hebben met het gewicht van drie penlight batterijen/accu’s of lager. • Het systeem dient een interface, connector en eventuele niveauaanpassing, te hebben voor een XScale processor bordje (Triton-270). • Het systeem dient de standaarden ISO/IEC FDIS 15693 en ISO/IEC FDIS 14443 te ondersteunen op de punten waar dit nodig is.
Eisen met betrekking tot het te ontwerpen subsysteem zelf Eisen in gebruiks-, onderhouds- en beheertermen • Het bereik moet zo groot mogelijk zijn maar kan niet groter worden dan 3.5m, wat fysiek de absolute grens is. Dit bereik moet wel huidige bereik evenaren of overschrijden (>0.5m). • Het systeem dient batterij gevoed te kunnen worden. Eisen in termen van vervaardiging, monteren, installeren, toetsen, overdragen en ingebruikname. • Het systeem moet op een PCB gemaakt worden • De totale kosten aan hardwarecomponenten mogen maximaal 70 euro bedragen.
13
Eisen in termen van recyclen, duurzaamheid en milieuvriendelijkheid van grondstoffen • Er mag geen lood in de schakeling zitten. Richtlijn 2002/95/EC. • De tijdens productie gebruikte verbruiksmiddelen dienen op de daarvoor bestemde wijze afgebroken te worden. Eisen met betrekking tot het te ontwikkelen productiesysteem • Er hoeft geen andere productie dan die van een prototype plaats te vinden. Eisen met betrekking tot een te ontwikkelen liquidatiesysteem • Het apparaat hoeft niet gerecycled te worden. Eisen vanuit bedrijfsstrategische, marketing en verkooptechnische omstandigheden • Niet van toepassing
1.3.2 Niet geïmplementeerde wensen De opdrachtgever vond het wenselijk dat er ook een gebruikersinterface moest zijn in de vorm van een scherm en een aantal drukknoppen. De opdrachtgever heeft ten tijden van het opstellen van dit PvE nog geen duidelijkheid kunnen scheppen omtrent deze wens. Naarmate de implementatiefase vordert hopen wij hier nog duidelijkheid in te krijgen, mocht de duidelijkheid te laat komen (er is geen mogelijkheid meer om de display en eventuele drukknoppen te implementeren in de hardware) dan behouden wij ons het recht voor om deze wens niet meer tegemoet te komen. Voor de rest zijn er geen wensen meer die niet in het PvE terug te vinden zijn.
14
1.4 Hoe voldoet de uiteindelijke schakeling aan het PvE? Deze paragraaf is geschreven na het ontwerpen van de Guardian, er wordt per eis besproken hoe er voldaan is aan de betreffende eis. •
Het systeem moet niks uitzenden als er geen TagScanner in de buurt is.
Het geimplementeerde systeem heeft een reset, zodra deze hoog is wordt er niks uitgezonden, als de processor zo geprogrammeerd wordt dat hij deze reset hoog maakt als er geen TagScanner gedetecteerd wordt dan is de schakeling stil als er geen TagScanner in de buurt is. •
Het systeem moet synchroon lopen met het digitale deel.
Dit kan op twee manieren, als er data wordt verzonden dan is er een puls die aangeeft dat het digitale deel nieuwe informatie in mag voeren. Daarnaast is de klok waar het systeem op loopt (gedeeld door 32) terug gevoerd naar het digitale deel. •
Het systeem moet mobiel te gebruiken zijn.
Het ontworpen systeem is klein en kan tegen een stootje. •
Het systeem moet in een jaszak passen
Het systeem heeft een oppervlak dat ongeveer gelijk is aan die van een CD, volgens de opdrachtgever is dat een formaat dat in een jaszak past. •
Er moet een interface aanwezig zijn die er voor zorgt dat de PXA270 met een computer kan communiceren middels het RS232 protocol, hierbij moet rekening gehouden worden met het verschil in spanningsniveau tussen de PXA270 en de computer.
Er is een datacable gemaakt die ervoor zorgt dat de spaningsniveau’s van de computer worden aangepast aan die van de PXA270. Er is gekozen voor een kabel omdat bij dagelijks gebruik de Guardian niet aan de computer vast zal zitten, daarom is het ook niet nodig om continu die level shifter mee te nemen. Eisen vanuit de ecologische situering van het systeem in de omgeving • Het systeem dient energiezuinig te zijn (verbruik <= 1 watt). Het systeem verbruikt meer dan 1 watt bij het zenden ( de versterker verbruikt 5 watt) echter de bedoeling is dat de Guardian voor een groot gedeelte alleen gebruikt zal worden om te luisteren of er readers in de buurt zijn. In dit geval gebruikt de Guardian veel minder dan 1 watt (0.1 Watt). Gemiddeld zal het verbruikt van de Guardian dan ook minder dan 1 watt zijn. • Het systeem dient een voedingsspanning van 3.3 volt te hebben. Het systeem wordt gevoed uit een accu met een spanning tussen 6 en 9 Volt, het systeem zelf converteert dit naar 5Volt (voor het ontvangst gedeelte) en 3.3Volt voor de rest. •
Het systeem moet een energiebron hebben met het gewicht van drie penlight batterijen/accu’s of lager.
Als men twee LiPo accu’s gebruikt kan men een gewicht van 64 gram halen. 1 Penlight weegt 22 gram, dus blijft het gewicht van de accu net onder het gewicht van de 3 penlights. Er moet wel bij opgemerkt worden dat er totaal geen aandacht is besteed aan de correcte omgeving om met LiPo accu’s te werken, hier moet zelf voor gezorgd te worden.
15
•
Het systeem dient een interface, connector en eventuele niveauaanpassing, te hebben voor een XScale processor bordje (Triton-270).
De connector voor het Tritin-270 boardje is een so-dimm 200 connector, deze bevind zich op het boardja aan de onderkant. •
Het systeem dient de standaarden ISO/IEC FDIS 15693 en ISO/IEC FDIS 14443 te ondersteunen op de punten waar dit nodig is.
Ook hier is aan voldaan. Eisen met betrekking tot het te ontwerpen subsysteem zelf Eisen in gebruiks-, onderhouds- en beheertermen • Het bereik moet zo groot mogelijk zijn maar kan niet groter worden dan 3.5m, wat fysiek de absolute grens is. Dit bereik moet wel huidige bereik evenaren of overschrijden (>0.5m). •
Het systeem dient batterij gevoed te kunnen worden.
Zoals eerder vernoemd kan het systeem batterij gevoed worden. Eisen in termen van vervaardiging, monteren, installeren, toetsen, overdragen en ingebruikname. •
Het systeem moet op een PCB gemaakt worden
Dit is gedaan. •
De totale kosten aan hardwarecomponenten mogen maximaal 70 euro bedragen.
In de bijlage is een kostprijs berekening gemaakt, daarin is terug te vinden dat de totale hardware prijs van 1 Guardian minder dan 70 euro is. Eisen in termen van recyclen, duurzaamheid en milieuvriendelijkheid grondstoffen • Er mag geen lood in de schakeling zitten. Richtlijn 2002/95/EC.
van
Er is loodvrij gesoldeerd, echter 1 van de componenten (SA615) was alleen nog te krijg in een loodhoudende behuizing, er is echter een loodvrije variant in de maak. •
De tijdens productie gebruikte verbruiksmiddelen dienen op de daarvoor bestemde wijze afgebroken te worden.
Hier aan is voldaan.
16
1.5 Functieblokschema’s/morfologische kaart In paragraaf 3.1 zal een beschrijving van het systeem in functieblokschema’s gegeven worden. Daarop aansluitend zal in paragraaf 3.2 de morfologische kaart beschreven worden.
1.5.1 Functieblokschema’s
17
Project: RFID Guardian Prototype Functieblokschema stap 1
ingangskenmerken
uitgangskenmerken Gestabiliseerde spanning waaruit het systeem gevoed kan worden
Accu spanning
Basisband ppm gemoduleerd signaal van digitaal deel
informatie en vermogen omzetten
FSK gemoduleerd signaal van Tag ASK gemoduleerd signaal van Reader
FSK gemoduleerd signaal naar Reader ASK gemoduleerd signaal naar Tag
Basisband ppm gemoduleerd signaal naar digitaal deel
Het algemene functieblokschema van de guardian hardware.
18
Het uitgewerkte functieblokschema van de guardian met de verwijzing naar hulp en deelfuncties. De middelste rij vormt het zend gedeelte van zowel reader als Tag, de onderste rij het ontvangstgedeelte van zowel reader als Tag.
19
De eerste hulpfunctie van de spanningsconverter. De energie uit de batterij moet naar de omzetter verplaatst worden en worden gebufferd.
Het ppm gemoduleerde signaal moet eerst worden toegevoerd waarna het naar stuursignalen kan worden omgezet die de analoge hardware aanstuurt
20
versterkt signaal FSK gemoduleerd signaal van Tag ASK gemoduleerd signaal van Reader
signaal versterken
Nadere uitwerking toegevoerd signaal bij versterker
FSK gemoduleerd signaal van Tag ASK gemoduleerd signaal van Reader signaal toevoeren uit ether
versterkt signaal naar omzetting signaal versterken
Het FSK/ASK gemoduleerd signaal moet eerst uit de ether worden toegevoerd waarna het signaal naar de gewenste signaalsterkte voor de omzetting kan worden gebracht.
21
Het gebufferde vermogen moet eerst van stoorsignalen worden gefilterd om ongewenste signalen te vorkomen. Vervolgens wordt de spanning omgezet naar de gewenste voedingsspanning.
De geïnterpreteerde stuursignalen stellen verschillende functies van het analoge deel in en het ingangssignaal kan volgens de ingestelde functies omgezet worden naar FSK/ASK gemoduleerd signaal.
22
Het versterkte signaal van de ontvanger wordt gefilterd van ongewenste signalen en omgezet naar een bruikbaar signaal van de interpreter.
Het omgezette vermogen wordt weer ontstoord en wordt gebufferd aangeboden voor de onderdelen van het analoge deel dat vermogen gebruikt.
23
Het FSK/ASK gemoduleerde signaal wordt door een laagdoorlaat filter gehaald om mogelijk storende hogere harmonische signalen eruit te filteren. Vervolgens wordt het signaal versterkt waarna het verzonden kan worden.
Het omgezette signaal voor de interpreter wordt omgezet naar een signaal volgens het standaard protocol waar het digitale deel mee werkten aangeboden op de interface.
24
Als inleiding op de morfologische kaart is er een boomdiagram gemaakt:
Hierin is te zien welke deel functies er zijn, de twee deel functies waarin staat zenden/ontvangen zijn in de morfologische kaart in tweeën gedeeld. Het is mogelijk om deze samen te nemen echter dit kan eventueel onduidelijkheid scheppen en omdat te voorkomen is het zo aangepakt.
1.5.2 Morfologische kaart Beginseloplossingen (BO) Passief
Voeding
Schakelend
1
2
Ontvangen_TAG
3
Digitaal
4 Analoog
6
Analoog/Digitaal
5 Digitaal
7 Analoog
Analoog/Digitaal
8 Digitaal
Analoog/Digitaal
Zenden_lezer
Deelfuncties
Zenden_TAG
Analoog
Ontvangen_lezer
9
10 Analoog
12
11 Digitaal
13 Digitaal
14
Interface
Geintegreerd MO 1 MO 2
15
Ontvangen_TAG Zenden_TAG Ontvangen_lezer Zenden_lezer
Analoog/Digitaal
16
= = = =
MO 3
Ontvangst gedeelte van de TAG Zend gedeelte van de TAG Ontvangst gedeelte van de lezer Zend gedeelte van de lezer
26
Beschrijving behorende bij morfologische kaart van de vorige bladzijde 1.
Met behulp een al bestaande chip en wat discrete componenten (zoals spoelen, etc.) of een al bestaande voeding.
2.
Paar diodes in serie of een bestaande oplossing in de vorm van een spanningsregelaar.
3.
Bouw een of meerdere sinusgeneratoren, schakel deze in en uit met behulp van de controle signalen die uit het digitale deel komen.
4.
Gebruik een microprocessor of programmeerbare logica om de FSK signalen te genereren.
5.
Digitaal signaal deling doen voor FSK en dan analoog mixen, of anders om.
6.
Het inkomende signaal wordt versterkt en door een ASK demodulator gehaald, er wordt dan gekeken naar de ontvangen signaalsterkte.
7.
Digitaal kan er gebruik gemaakt worden van een transformatie die het vermogen dat in de draaggolf wordt uitgezonden bepaalt, aan de hand van deze informatie kan bepaald worden of de draaggolf aanwezig is of niet (100% ASK demodulatie)
8.
Hierbij wordt ASK analoog gedemoduleerd en digitaal wordt bepaald wat de signaalsterkte is.
9.
De draaggolf wordt opgewekt door een sinusgenerator en vervolgens aan en uit gezet (100% ASK modulatie) door de processor in het digitale deel.
10.
Een microprocessor of programeerbare logica kan de draaggolf die door een interne PLL wordt opgewekt aan en uit zetten om 100% ASK modulatie te krijgen.
11.
Analoog wordt met een sinusgenerator de draaggolf opgewekt en aan en uit geschakeld met een processor of programeerbare logica.
12.
Het signaal wordt versterkt en met een analoge FSK demodulator gedemoduleerd.
13.
Een transformatie van het inkomende signaal bepaald welk vermogen er uitgezonden wordt op de FSK modulatie frequentie en demoduleert het signaal.
14.
Analoog wordt het inkomende signaal vermogensniveau bepaald. Met deze informatie wordt het inkomende signaal gedemoduleerd.
15.
Connector en eventuele niveauaanpassing, voor interface met PXA270 bordje
16.
De PXA270 wordt geïntegreerd in het systeem er is dan geen PXA270 processor bordje meer nodig.
27
1.6 Systeemconcepten Uit de morfologische kaart uit hoofdstuk 4 zijn een drietal systeemconcepten gehaald. Allereerst worden de concepten gepresenteerd, daarna worden de voor- en nadelen ten opzichten van elkaar vergeleken om tot een definitieve probleemoplossing te komen.
In onderstaande schema’s wordt met “Ether” het medium bedoelt waardoor de signalen draadloos verzonden worden. De 3d party reader en Tag zijn de artefacten waarmee de totale Guardian moet kunnen communiceren.
1.6.1 Conceptoplossing 1
figuur 1.6.1 conceptoplossing 1
28
Uit de morfologische kaart worden hierbij de vakjes 1,3,7,10,14,15 gebruikt. Bij deze schakeling worden de te verzenden signalen van de Tag digitaal gemaakt met behulp van een FPGA, dit omdat deze snel genoeg is voor het genereren van de te verzenden signalen. De Tag ontvanger kan in de zelfde digitale logica ondergebracht worden. Deze logica bouwsteen kan ook de te verzenden signalen voor de lezer genereren. Het ontvangen van de signalen voor de lezer geschiedt deels analoog deels digitaal. Er is een schakelende voeding toegepast. Deze oplossing biedt een schakeling die redelijk diep geïntegreerd is. Als ook het ontvangst gedeelte van de lezer door de digitale logica gedaan zou worden dan zou deze oplossing bijna een 1 chip oplossing zijn. Dit is echter slechts mogelijk als de signalen die binnen komen voldoende dynamische reikwijdte hebben om onderscheiden te worden van de achtergrondruis. Het is mogelijk om dit dynamisch bereik (analoog) te vergroten. Echter De
inkomende signalen verschillen 90dBWatt en liggen slechts 200Khz uit elkaar, om hiervoor een filter/versterker te maken is redelijk specialistische kennis nodig over het fabriceren van zo’n ingangsfilter/versterker. Deze is niet aanwezig en ook niet op te doen binnen de voor het IPP gestelde tijd, daarom is er gekozen voor deze oplossing. Dit gaat wel ten koste van de fysieke omvang van de totale schakeling (deze wordt groter) maar kan nog prima binnen de eisen als gesteld in het PvE gemaakt worden. Een belangrijk nadeel van deze schakeling is de schakelende voeding, deze produceert veel ongewenste bijproducten die terug te vinden zijn in het te verzenden/ontvangen signaal. Het is lastig om deze bijproducten weg te halen hiervoor is een goede afscherming en filtering nodig, dit gaat echter weer ten koste van de beschikbare ruimte en gewicht voor de schakeling. Het voordeel is dat deze voeding heel efficiënt is (in vergelijking met een passieve voeding), het rendement van de schakelende voeding is 96%.
1.6.2 Conceptoplossing 2
figuur 1.6.2 conceptoplossing 2 Uit de morfologische kaart zijn de vakjes 2, 4, 8, 11, 13 en 15 gebruikt. Bij deze oplossing is gebruikt gemaakt van een passieve voeding (geen ongewenste bijproducten, wel lage efficiëntie). Ook hier wordt voor de generatie van zend signalen voor het Tag gedeelte programeerbare logica genomen. De ontvanger van het Tag gedeelte wordt gevormd door een analoge schakeling die het signaalvermogen bepaalt op de frequentie waarop deze afgesteld staat (13.56 Mhz in dit geval). Dit signaal vermogen wordt als een spanning weer
gegeven, met een 1 bit AD converter (opamp als comperator) wordt dit omgezet in een signaal dat weergeeft wel/geen signaal, dit volstaat voor het ontvangen van ASK signalen. Het zenden en ontvangen van het lezer gedeelte wordt gedaan met behulp van een mix van analoog en digitaal, het voordeel is hier dat er de mogelijkheid bestaat om alle moeilijk te detecteren/genereren signalen door bestaande hardware te laten detecteren/generen (er hoeft minder zelf ontworpen te worden).
30
1.6.3 Conceptoplossing 3
figuur 1.6.3 conceptoplossing 3 Uit de Morfologische kaart zijn hier de vakjes 2, 5, 6, 11, 12 en 15 genomen. Dit ontwerp is voor het overgrote deel analoog, hierdoor is het mogelijk om een goed inzicht in de werking van de schakeling te krijgen. Alleen de lezer is een mix van analoog en digitaal wederom om het feit dat het erg moeilijk is om de signalen te
detecteren, en dat dat ontworpen kan worden.
niet
snel
zelf
Er is hier duidelijk veel meer werk te doen dan bij de andere concepten, dit in verband met het betrouwbaar ontwerpen en construeren van alle analoge logica.
31
1.6.4 Vergelijking tussen de verschillende systeemconcepten In deze paragraaf worden de drie verschillende systeemconcepten met elkaar vergeleken op een 8 tal punten, deze punten komen uit het PvE. De scores worden gegeven met een cijfer tussen 1 en 10, waarbij 1 het slechtst is en 10 het best. Eisen die triviaal zijn voor het systeem (voedingsspanning, etc.) zijn niet opgenomen omdat de gekozen systeem concepten daarop gelijk scoren, dit komt
omdat er tijdens het samenstellen van deze systeemconcepten rekening is gehouden met deze triviale eisen. Het gewogen gemiddelde wordt als volgt geteld: alles 1 maal behalve kosten, ontwerptijd en fabricage, deze tellen allemaal 6 maal mee, dit in verband met de beperkte middelen die het IPP met zich mee brengt.
mobiliteit
8
8
4
1
afmetingen
8
7
3
1
verbruik
8
8
5
1
gewicht
8
7
5
1
stabiliteit
8
8
5
1
kosten
8
8
6
6
ontwerptijd
1
10
1
6
fabricage
8
7
3
6
Totaal
73
63
37
23
Totaal gewogen
6
8
4
1
Aan de hand van de tabel op de vorige pagina mag duidelijk verondersteld worden dat oplossing 2 als beste uit de bus komt. Er is wel een noot te maken hier, oplossing 1 is de beste oplossing als het gaat om het pure systeem. Als er iemand is die dit systeem verder zou willen ontwikkelen en
meer tijd heeft dan de 3 weken die tijdens het IPP voor implementatie staan, dan zou hij/zij in overweging kunnen nemen om de gehele Guardian (dus ook het digitale deel) in een FPGA op te nemen. Dit zou de draagbaarheid en de stabiliteit van het geheel vergroten.
1.7 Uitwerking gekozen concept tot op componentniveau. Zoals te lezen is in de vorige paragraaf, is oplossing 2 gekozen. In deze paragraaf zal de schakeling tot op hoofdcomponentniveau uitgewerkt worden. Voor de detailuitwerking wordt u door verwezen naar de gebruikershandleiding (“The RFIDGuardian Hardware version 2 – a user’s manual”) die als aparte bijlage bij dit rapport is geleverd. Oplossing 2 kan gezien worden in figuur 1.5.2, per vakje zal behandeld worden wat de hoofdcomponent(en) voor dat deel is (zijn). Voeding Volgens de oplossing 2 is hiervoor een passieve voeding gebruikt, echter gaande de implementatiefase is toch gekozen voor een schakelende voeding, van wegen het goede rendement. Het nadeel zou kunnen zijn dat er meer storing op de voeding terecht zou kunnen komen, echter met behulp van goede (grote) aarde vlakken en een hele hoop spoelen is het toch mogelijk om de storing zo te onderdrukken dat het geen invloed heeft op het correct functioneren. Er is hier gekozen voor een schakelende voeding van Dallas Maxim, zie [1.6.1], deze is geschikt om zowel 3.3 of 5 volt te genereren uit een accu spanning variërend van 6 tot 9 volt. Voordeel hiervan is dat er slechts een maal een chip geïmplementeerd hoeft te worden, de chip voor de andere spanning is dan op gelijkaardig wijze te implementeren. Zenden_TAG Hiervoor is een cpld van ALTERA genomen. zie [1.6.2], helaas is de implementatie net
een klein beetje te groot (10%) om in een goedkoper model te passen. Het prijs verschil is echter zeer gering. Voor deze CPLD is een hardware beschrijving gemaakt in de taal VHDL. Ontvangen_TAG Dit gedeelte vangt de ASK gemoduleerde signalen op uit een externe reader, het is mogelijk om dit te demoduleren door een indicatie voor de ontvangen signaalsterkte te monitoren (ASK is immers het aan en uit schakelen van een elektromagnetisch veld, wel veld geen veld). Hiervoor kan een radio chip van Philips gebruikt worden, zie [1.6.3]. Nadeel is dan wel dat er geen TTL signaal, dat naar de PXA270 gestuurd kan worden, uit deze chip komt, de sterkte van het ontvangen veld veranderd . Dit kan opgelost worden door de signaal sterkte op tijdstip t te vergelijken met de signaalsterkte op tijdstip t-c, waarbij t de tijd is een constante is. Dit wordt gedaan met behulp van een potmeter, een paar weerstanden en een opamp, zie [1.6.4]. Aan de uitgang van de opamp staat dan het gedemoduleerde basisband signaal dat direct doorgevoerd kan worden naar de PXA270. Ontvangen_lezer en Zenden_lezer Deze twee onderdelen kunnen samen genomen worden in een chip, zie [1.6.5] Voor de PXA270 is al een programma geschreven dat met deze chip overweg kan. Verder Natuurlijk zijn er een aantal dingen die nog niet tijdens de eerste stappen mee genomen zijn maar die wel nodig zijn voor een goede werking van de Guardian.
33
Er zijn nu nog twee delen die niet besproken zijn de versterker en het aanpassingsnetwerk. De versterker Hiervoor wordt een schakeling gebruikt die uit een aplication note komt van Melexis, zie [1.6.6]. De implementatie is “straight forward” en behoeft geen verdere uitleg. De enige aanmeriking die gemaakt kan worden is de volgende: de mosfets die beschreven worden in [1.6.6] zijn niet in kleine aantallen te koop dus is een vervanger gezocht, en gevonden zie [1.6.7]. Het aanpassingsnetwerk Dit netwerk zorgt ervoor dat het vermogen dat uitgezonden wordt niet gelijk terug slaat in het gedeelte “Ontvangen_lezer”. Het is opgebouwd volgens, [1.6.8], en omvat een ASK demodulator.
34
2 Evaluatie ontwerptraject Het ontwerp traject is in een aantal stappen doorlopen: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Opstellen Programma van Wensen. Uit het programma van wensen het Programma van Eisen opstellen. Beginseloplossingen bedenken. Met behulp van een Morphologische kaart een aantal mogelijke oplossingen bedenken. De juiste oplossing kiezen (aan de hand van enkel criteria, zie hoofdstuk 1.5.4) De schakeling uitwerken tot op component niveau De uiteindelijke implementatie Schrijven van de documentatie (in het Engels) bij de schakeling en schrijven van dit rapport.
Stap 1 en 2 zijn redelijk goed verlopen, alle wensen zijn geïmplementeerd op de wens van een LCD scherm na. Over deze wens zie de evaluatie van stap 7. Misschien hadden we met meer mensen van het team dat de guardian ontwikkelt, moeten praten want achteraf bleken er nog meer wensen te zijn van andere teamleden. Stap 3 en 4 zijn ook goed gegaan, er zijn drie duidelijk verschillende oplossingen bedacht waarbij alle voor en nadelen zijn behandeld, echter de gekozen weg bleek achteraf toch lager te scoren op tijd, zie wederom de evaluatie van stap 7. Stap 5 de gekozen oplossing leek op het moment van kiezen (aan de hand van de gebruikte argumenten) de beste oplossing. Echter tijdens de implementatie bleek dat we de tijd toch iets te rooskleurig hadden in geschat. Hierdoor dachten wij dat wij nog tijd zouden hebben om een TFT scherm te implementeren, echter deze tijd hadden wij beter kunnen besteden aan het deel dat door het PvE verplicht gesteld wordt. De gekozen TFT bleek zoveel haken en ogen te hebben (voor wat betreft het verkrijgen van documentatie over de TFT, het ontwerpen van de schakeling voor deze TFT en het routen van deze schakeling op een PCB) dat wij hierdoor een week niks hebben kunnen doen aan het feitelijke doel dat we moesten implementeren. Aan het eind van de betreffende week is het schema voor het aansturen van de TFT, gereed gekomen. Echter na het routen op een PCB, binnen de door het PvE gestelde grenzen, bleek dat het niet mogelijk is om deze schakeling te fabriceren. Na deze conclusie is de TFT over boord gezet en is er alleen gekeken naar wat er gedaan moest worden volgen het PvE. Dit resulteerde in een nieuwe bordje wat wel goed gemaakt kon worden. Er is gekozen voor oplossing 2, echter als wij voor oplossing 1 hadden gekozen was het veel makkelijker geweest, vanuit het hardware oogpunt, om de TFT te implementeren. Daarom is het goed om in de toekomst naar oplossing 1 te kijken, achteraf bezien was dit de beste oplossing geweest. De opdrachtgever bleek oplossing 1 in week acht toch niet goed te vinden omdat er dan niet verder ontwikkeld kan worden aan de software. Dit is vanwege het feit dat de programmeurs van de guardian niet bekend zijn met de hardwarebeschrijvingstaal. Stap 6 De schakeling is relatief snel en pijnloos tot op component niveau uitgewerkt, wat mede kwam doordat we de schema’s van onze voorgangers konden gebruiken. Stap 7 De uiteindelijke implementatie is redelijk moeizaam verlopen doordat de PCB die gemaakt moest worden toch wel erg kleine onderdelen bevatte. Echter na een hoop proberen en overdoen is het wel gelukt. We hadden de layout voor de PCB eerder af moeten hebben zodat we het door een professioneel bedrijf zouden kunnen laten fabriceren Stap 8 Het schrijven van de documentatie is vrij vlot gegaan, en is tussen het testen van de schakeling door gedaan.
35
Opmerkingen Tijdens de implementatie periode hebben wij een groot deel zelf thuis kunnen doen, omdat wij thuis alle computerprogramma’s/andere spullen hebben was het, het handigst omdat thuis te doen. Het testgedeelte hebben wij op de 18de verdieping van het Elektrogebouw gezeten, wij zijn erg teleurgesteld en gefrustreerd geraakt door het gebrek aan goede aperatuur om onze schakeling door te meten. In de laatste week hebben wij uiteindelijk gevraagd aan de opdrachtgever of we zijn oscilloscoop met bijbehorende probes mochten lenen, en daarmee was het prima werken. Daarnaast is bij de uitwerking de tijd die nodig is om de Guardian te bouwen en te testen redelijk onderschat (het etsen van de PCB lukte pas na een aantal maal proberen). Dit is een gevolg van het feit dat wij dachten dat er meer bekend was dan er in werkelijkheid al bekend was. Hierdoor is dit project meer dan een IPP project geworden, waardoor er ook meer tijd aan besteed moest worden.
Aanbevelingen voor een toekomstige implementatie Er is een CPLD gebruikt voor de generatie van signalen. Deze zit voor 60% vol, er is dus nog extra ruimte daarnaast is slechts een bescheiden deel van het aantal user IO gebruikt. • •
In deze extra ruimte zou een ASK/FSK/BPSK/OOK demodulator geïmplementeerd kunnen worden van de user IO kost dit dan 1 extra pin. De extra userIO kan per poort 25mA leveren, voor de antenne versterker zijn mosfets gebruikt die een stroom trekken van maximaal 200mA, om deze aan te sturen zijn nu logica inverters gebruikt. Als men even rekent ziet men dat 8 IO poorten van de CPLD dit ook kunnen leveren. Er zijn twee mosfets voor de antenne versterker aanwezig, dus 16 IO pinnen moeten daarvoor gebruikt worden, in de CPLD zitten nog 17 pinnen dit is dus precies voldoende om de antenne versterker aan te sturen.
Het voordeel van deze aanbevelingen is dat er effectief nog maar een derde van het gebruikte oppervlak gebruikt wordt. Dit oppervlak kan dan weer voor andere doeleinden ingezet worden.
36
3 Testresultaten In dit hoofdstuk wordt stilgestaan bij hoe de Guardian getest wordt en wat de resultaten van deze tests zijn.
3.1 Antenne Allereerst wordt de antenne en bijbehorende aanpassingsnetwerk opgebouwd.
zie figuur 2.1.1
De antenne zal door gemeten worden op de bandbreedte die deze moet hebben (300Khz)
Het aanpassingsnetwerk kan pas getest worden als de antenne versterker is opgebouwd.
3.2 Antenne versterker Allereerst zijn de mosfet drivers geplaatst, waarna met een tweetal potmeters de duty cycle van de mosfets ingesteld wordt (80/20 en 20/80, deze instelling zorgt ervoor dat de mosfets nooit tegelijk geleiden waardoor er kortsluiting zou kunnen ontstaan) zie figuur 2.1.2.
Daarna zijn de mosfets geplaatst en wordt de correcte werking nogmaals geverifieerd. Nu wordt ook het antenne aanpassingsnetwerk getest, uit dit netwerk moet een spanning komen die varieert tussen 0 en 3.3 Volt, zie figuur 2.1.3
3.3 Zenden_TAG Dit gedeelt wordt opgebouwd rond de cpld, de uitgang wordt getest met de PXA270 processor.
het VHDL test rapport, zie bijlage bij “The RFIDGuardian Hardware version 2 – a user’s manual”, kan geverifieerd worden of de gegenereerde signalen kloppen.
Op de scope moet te zien zijn welke signalen het genereert, en aan de hand van
3.4 Ontvangen_lezer en Zenden_lezer Dit gedeelte wordt opgebouwd rond de Melexis, getest is of de oscillator opstart, de
rest moet getest worden met de PXA270 processor.
3.5 Ontvangen_TAG Dit gedeelte wordt opgebouwd rond de SA615, aan de hand van een input van een externe ASK modulator (die een sinus
moduleert) zal getest worden of de gemoduleerde sinus er ook weer uit komt.
3.6 De rest Dit is het gedeelte dat de connectoren beslaat, hier is niet veel aan te testen, alleen of ze goed vast zitten, en of de PXA270
makkelijk in zijn voetje geschoven kan worden. Na het testen blijkt dat het prima past.
37
4 Voorschriften In deze paragraaf wordt een beknopte versie gegeven van de gebruiks-, onderhouds- en liquidatievoorschriften. Een uitgebreidere versie kunt u vinden in “The RFIDGuardian Hardware version 2 – a user’s manual” welke als apparte bijlage bij dit verslag zit.
4.1 gebruik De gebruiker moet de volgende punten naleven, zodat een storingsvrije operatie van de RFID Guardian gewaarborgd kan worden. Draag er zorg voor dat de Guardian altijd op een stofvrije, drooge koele plaats staat/bewaard wordt (ideaal rond de 20 graden celsius) Haal nooit de PXA270 module uit de socket als er spanning op de schakeling staat. Wees voorzichtig met zuren en andere bijtende en of scherpe voorwerpen, deze kunnen de behuizing beschadigen. Verbind altijd eerst de data kabel met de RFIDGuardian alvorens deze met de computer te verbinden.
4.2 onderhoud Neem de behuizing altijd af met een schone pluizenvrije doek. Als er iets door brand o.i.d. (door kortsluiting, etc.) bepaal dan eerst of dit defect zich op het voedingsbordje bevindt of op de feitelijke RFIDGuardian. Als het zich op de Guardian bevindt dan is het bordje defect en dient het afgevoerd te worden (zie liquidatie). Als het zich bevindt op het voedingsbordje dan kan het verholpen worden door een ander voedingsbordje te maken of door op de Guardian een drietal draden te solderen (1 op de 3.3 volt voedingslijn, 1 op de 5 volt voedingslijn en een op de aarde, het grote koperen vlak). Met een labvoeding kan dan op de betreffende draden de juiste spanningen aangeboden worden.
4.3 liquidatie De guardian bestaat uit verschillende onderdelen die afzonderlijk hergebruikt kunnen worden voor andere doeleinden. De levelshifter kan b.v. gebruikt worden voor communicatie van een mobiele telefoon met PC. Het Powerbordje kan gebruikt worden om een nieuwe versie van de guardian te voeden. Als de onderdelen weggegooid worden moet dit op een milieu vriendelijke manier gebeuren o.a. op inzamelplaatsen voor elektrische apparatuur. De guardian mag nooit in de vuilnisbak gegooid worden. De eventueel gebruikte accu moet bij het chemisch afval ingeleverd worden.
38
Bijlagen In deze bijlagen kunt u achtereenvolgens vinden: • • • •
Netwerkplanning Literatuurlijst Logboek Kostprijsberekening
39
Netwerkplanning In paragraaf 7.1 vind u de netwerkplanning voor week 1t/m3. Deze planning is steeds goed gebleken en behoeft tot nu toe geen aanpassing. Paragraaf 7.2 geeft de weekplanning voor de implementatie en afrondingsfase weer (week 4 t/m 8).
Bij deze schema’s wordt het kritieke pad gevormd door de dikkere pijlen.
40
5.1 CPM week 1 t/m 3 Alle Tv en Tl zijn in uren gegeven Week 1
4½ 3
4½
B 4
0
0
A
0
1
/2
1
1
/2
31/2
C 1
0
2
4½ 4½
D 2
4
6½ 6½
E 8
5
14½ 14½
F 8
6
22½ 22½ 0
7
22½ 22½
A: 1e kennismaking met BG B: Maken netwerk planning C: 1e kennismaking met OG D: Maken PvE E: Literatuurstudie F: Maken weekrapport 1 G: Einde Fase A
41
Week 2
3
11/2 11/2
C 1
0
0 0
A 1 /2
1
1
/2
1
/2
B 1
0 11/2 2
0
11/2
5
F ½
1½ 1½
6
2 2
G 8
7
10 10
H 8
8
18 18
D 1 E 4
A: Overleg n.a.v. weekrapport 1/vast stellen rapportage data B: Nader overleg met OG C: Overleg met andere informanten D: Nadere literatuurstudie E: Orienteren op de basiseenheid. F: Overleg met OG om PvE goed te keuren G: MO en BO bedenken H: 2de Week rapport opstellen
42
Week 3
0
0 0
A 1 /2
1
1
/2 B 41/2 1 /2
2
5 5
C 8
4
13 13
D 1
14
5
14
E 1
0
6
14 14
F 8
7
22 0
22
8
22 22
G 8
A: Overleg n.a.v rapport week 2 B: Opstellen van het definitieve PvE C: Alternatieve systeemconcepten/kiezen meest belovende. D: Systeemconcept vast leggen E: Basiseenheid vastleggen F: Schrijven tussenrapport G: Schrijven week rapport
43
5.2 CPM week 4 t/m 8 Alle Tv en Tl zijn in uren gegeven Week 4
C
3.5 3
3
12.5 5
4.5
27.5 E 8
0
0
A
0
.5
1
0.5
B
0.5
2
2
2.5
D
2.5
2
4
4.5
F
4.5
23
27.5 7
G 3
27.5
3.5 6
27.5
A: Gesprek met BG n.a.v. weekrapport 3 en tussenrapport B: Presentatie C: Oriëntatie op de implementatiegroep D: Aanpassen PVE (waar nodig) E: Een projectuitvoeringsplan opstellen F: Concept ontwerp uitwerken G:Week rapport opstellen
44
Week 5/6
C
1.5 3
35.5
1 0 A
0 0
0
B
0.5 1
.5
35.5
2
0.5
35.5
35 0 D
5.5 4
5
35.5
A: Overleg n.a.v. weekrapport 4/5/ B: Werken aan de implementatie C: Bij stellen P.V.E. D: Schrijven weekrapport
Week 7 C
5.5 3
5
28.5 0
0 0
0
A .5
B
0.5 1
2
0.5
20
20.5
D
20.5
8
2
28.5 28.5 0
E
3.5 4
3
28.5
A: Overleg met BG n.a.v. rapport week 6 B: Afronding implementatie C: Maken concept documentatie D: Maken concept eindrapport E: Maken weekrapport
45
Week 8 C
5.5 3
5
16.5 0
0 0
0
A
0.5 1
.5
0.5
B 2 8
8.5
D
8.5
8
2
16.5 16.5 0
E
3.5 4
5
16.5
A: Overleg met BG n.a.v. rapport week 7 B: Testen product C: Product gereed maken voor overdracht D: Documentatie afronden E: Eindrapport afronden
46
Literatuur [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Klaus Finkenzeller. RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification. John Wiley & Sons, 2003. ISO14443 ISO15693 Standard documentation Youbok Lee. Antenna circuit design for RFID application. Microchip Technology, Application Note AN710, 2003. HF antenna cookbook. Technical Application Report 11-08-26-001, Texas Instruments, January 2004. “Enabeling RFID in Retail” , IEEE Computer, march 2006 “Is Near-Field Communication Close to Success” IEEE Computer, march 2006 Verschillende internet sites.
[1.6.1] DALLAS-MAXIM: MAX 1685 http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1998 [1.6.2] ALTERA: MAX3064A http://www.altera.com/literature/lit-m3k.jsp [1.6.3] Philips semiconductors: SA615 (of NE615, deze zijn equivalent) http://www.semiconductors.philips.com/pip/SA615D.html [1.6.4] Texas Instruments: TL331 http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tl331.html [1.6.5] Melexis: MLX90121 http://www.melexis.com/ProdMain.aspx?nID=78 [1.6.6] Melexis: A 1 Watt 5 volts power booster for the MLX90121 http://www.melexis.com/prodfiles/0003881_AN90121_4_1.pdf [1.6.7] International Rectifier: IRF5851 http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf5851pbf.pdf [1.6.8] Melexis: A power booster for the MLX90121 pagina 8 http://www.melexis.com/prodfiles/0003878_AN90121_1.pdf [KP1]
W ten Haaf, H Bikker en D.J. Adriaanse, “Fundamentals of business engineering and management”. DUP, 2002.
47
Bestede tijd In onderstaande tabel staat hoeveel tijd er aan welk onderwerp besteed is. week 1 Onderwerp
Hoeveel tijd (uren)
Wie ? [T,S]
Start IPP 1e kennismaking BG Perikelen rond zieke OG Vragen voor OG/ nieuw project bedenken BG op de hoogte stellen van laatste ontw. Interviewen OG Maken netwerkplanning Literatuurstudie Bezoek VU Maken PvE Schrijven weekrapport
0.5 0.5 1.5 0.5 0.5 1 4 8 3 2 8
[T] [T] [T] [T] [T] [T] [T] [T] [T] [T] [T]
Totaal [T] Totaal [S] Totaal
29.5 29.5 59
[S] [S] [S] [S] [S] [S] [S] [S] [S] [S] [S]
week 2 Onderwerp Functiediagrammen Doel-middel-verschuiving BO Morfologische kaart Bepalen interface Concretiseren PvE Overleg BG
Hoeveel tijd? (uren) 7 2 4 5 4 4 0.5
Totaal [T] Totaal [S] Totaal
26.5 26.5 53
Wie ? [T,S] [T][S] [T][S] [T][S] [T][S] [T][S] [T][S] [T][S]
48
Week 3 Onderwerp Overleg met BG Opstellen definitieve PvE Alternatieve systeemconcepten Tussen rapport Week rapport
Hoeveel tijd? (uren) 0.5 4 8 16 4
Totaal [T] Totaal [S] Totaal
32.5 32.5 65
Wie ? [T,S] [T][S] [T][S] [T][S] [T][S] [T][S]
Week 4 Onderwerp Presentatie Verslag verbeteren Gekozen oplossing uitwerken Uitvoeringsplan Opstellen Week rapport
Hoeveel tijd? (uren) 2 3 18 5 3
Totaal [T] Totaal [S] Totaal
31 31 62
Wie ? [T,S] [T][S] [T][S] [T][S] [T][S] [T][S]
49
Week 5 Onderwerp
Hoeveel tijd (uren)
Datum
8
Wie? [T,S] TS
Kiezen display + uitzoeken naar geschiktheid + uitzoeken werking en benodigde componenten VHDL code maken VHDL code testen+ bugs verbeteren Begin met “Art work” oor de PCB Inkopen componenten Maken verslag
16 8 2 0.5 2
T T T T T
23 24 25 22 27
Totaal [T] Totaal [S] Totaal
28.5 28.5 47
S S S S S
22 mei
mei mei mei mei mei
Week 6 en 7 Onderwerp
Hoeveel (uur) 24
Uitzoeken en maken van schakeling t.b.v. display. Layout van RFID Guardian (beide printjes) Maken schema’s Sorteren componenten Compleet maken schema’s Uitzoeken informatie accu management Uitkiezen Accu en management IC’s Uitzoeken en maken schema laadcircuit Begin eindverslag
16 24 1 5 21 6 22 4
Totaal [T] (twee weken) Totaal [S] (twee weken) Totaal
49 74 123
tijd
Wie? [T,S]
Datum
S
Week 6
S S S S T T T T, S
Week Week Week Week Week Week Week Week
7 6 7 7 6 6/7 7 7
50
Week 8 Onderwerp Print etsen Werken aan eindverslag Solderen schakeling Testen schakeling
Hoeveel (uur) 2 16 8 2
Totaal [T] (twee weken) Totaal [S] (twee weken) Totaal
26 28 54
tijd
Wie? [T,S]
Datum
S S,T S,T S,T
Week Week Week Week
8 8 8 8
51
Kostprijsberekening Voor dit project zijn een aantal verschillende componenten gekocht. Deze componenten zijn ingekocht bij verschillende groothandels of gratis verkregen bij de fabrikant van het betreffende component. De kosten concentreren zich voornamelijk op de directe kosten. Ondanks dat er voor het ontwerp in het IPP geen loon betaald hoeft te worden is er toch gekeken naar deze factor, als mede naar een andere indirecte kosten post. de verzendkosten, echter deze worden niet mee genomen in de uiteindelijke kosten omdat het PvE alleen spreekt over hardware kosten. Zoals al eerder verteld is, is er ook een ontwerp gemaakt voor de TFT. Dit ontwerp bevat een relatief groot aantal componenten. Deze zijn gekocht in de veronderstelling dat het ontwerp uitgevoerd zou worden. Echter, het ontwerp voor de TFT is in de ijskast gezet omdat er op het laatste moment geen tijd meer was voor deze implementatie. Daarom zal er een aparte categorie gemaakt worden met kosten voor de TFT (deze valt dan wel weer onder directe kosten). Deze categorie zal niet mee gerekend worden in de eindprijs omdat dit niet geïmplementeerd is en dus ook geen waarde aan de hardware van de Guardian toevoegt. De TFT zelf zal niet worden mee gerekend omdat de opdrachtgever deze zelf ingebracht heeft. Hiernaast zijn er nog enkele samples, deze hebben wij aangevraagd en gratis gekregen. Echter deze vertegenwoordigen wel een waarde, daarom is de waarde van deze producten wel mee genomen per individueel onderdeel maar niet in de uiteindelijke prijs (de opdrachtgever hoeft dit niet te betalen). Kosten hardware: (alle kosten in Euro’s) Kosten onderdelen voor voeding:
Gekocht: 8 Gratis gekregen: 2 Kosten voor de verschillende onderdelen van de werkelijke Guardian: Gekocht: 40 Gratis gekregen: 10 Kosten voor de implementatie van de TFT Gekocht 15 Gratis gekregen 5 Kosten voor overig gebruiksmaterialen Gekocht 17 Gratis gekregen 6 Transport kosten
Gekocht Gratis gekregen
40 20
Gekocht Gratis gekregen
63 euro 18 euro
Totaal komt dit neer op
Volgens het programma van eisen mocht het totaal te besteden bedrag voor de hardware niet hoger zijn dan 70 euro, dan is hier aan voldaan.
52
De totale tijd die aan dit project is besteed is 463 uur en met een loon van 6,57 (wat gebaseerd is op minimumloon 21 jaar bruto) geeft dus 3041 euro aan onderzoekskosten. Deze kosten worden niet bij de productprijs inbegrepen als uitgegaan wordt van de kostprijsberekening via de methode uit het boek [KP1].
53
