ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e Fakulta elektrotechnick´a Katedra kybernetiky
ˇ cka RFID ˇ Cteˇ cip˚ u
u ´ nor 2012
Autor pr´ace:
Martin Vystrˇcil
Vedouc´ı pr´ace:
Prof. Ing. Pavel Zahradn´ık, CSc.
Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji sv´emu vedouc´ımu Prof. Ing. Pavel Zahradn´ık, CSc.za pravideln´e konzultace a vˇecn´e pˇripom´ınky v r´amci nich. V neposledn´ı ˇradˇe velice dˇekuji sv´e rodinˇe a pˇr´atel˚ um za jejich podporu.
Anotace Tato bakal´aˇrsk´a pr´ace se zab´ yv´a stavbou rfid ˇctec´ıho zaˇr´ızen´ı pracuj´ıc´ıho na frekvenci ˇ 134.2kHz. Cipy pracuj´ıc´ı na t´eto frekvenci slouˇz´ı pˇredevˇs´ım pro identifikaci zv´ıˇrat. Jako jeden z hlavn´ıch poˇzadavk˚ u je proto ˇcten´ı na vˇetˇs´ı vzd´alenost, konkr´etnˇe alespoˇ n 50cm. V jednotliv´ ych ˇc´astech pr´ace jsou pops´any jednotliv´e kroky potˇrebn´e ke konstrukci ˇcteˇcky schopn´e ˇc´ıst na delˇs´ı vzd´alenost.
Kl´ıˇ cov´ a slova RFID, ISO 11784, ISO 11785, RFID ˇcteˇcka
Summary This bachelor thesis deal with construction of rfid reader on frequency 134.2kHz. Transponders working on this frequency are in use mainly for animal identification. As one of main demands is possibility of reading on long distances, exactly at least 50cm. In every part of this bachelor thesis are described steps, which are demand to construct reader working on 134.2kHz and reading at distance of 50cm.
Keywords RFID, ISO 11784, ISO 11785, RFID reader
Obsah ´ 1 Uvod
1
´ 2 Uvod do RFID technologie
2
2.1
Popis RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.2
Historie RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.3
RFID standarty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3 Teoretick´ y rozbor 3.1
3
Pouˇz´ıvan´e standardy pro identifikaci zv´ıˇrat . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3.1.1
ISO 11784 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3.1.2
ISO 11785 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3.1.2.1
Komunikaˇcn´ı protokol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3.1.2.2
Pˇrenos dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.1.2.3
K´odov´an´ı dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.1.2.4
Detekce chyb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
4 N´ avrh ˇ reˇ sen´ı
7
4.1
Popis mikroprocesoru Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
4.2
Procesorov´a j´adra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
5 Generov´ an´ı nosn´ e vlny ˇ 5.1 Casovaˇ ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 9
5.2
Nastaven´ı ˇcasovaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3
Harmonick´ y pr˚ ubˇeh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5.4
HW zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
6 Zesilovac´ı stupeˇ n
9
10
6.1
Zapojen´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce LM675T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
6.2
Proudov´e buzen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
7 Rezonanˇ cn´ı obvod
12
7.1
Naladˇen´ı rezonanˇcn´ıho obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
7.2
N´avrh ant´eny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 ˇ 7.2.1 Cinitel jakosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
8 Demodulace AM sign´ alu
15
8.1
Diodov´a detekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
8.2
Synchronn´ı detekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
8.2.1
Synchronn´ı detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
9 Mˇ eˇ ren´ı 9.1
9.2
Oˇziven´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 9.1.1
Diodov´ y detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
9.1.2
Synchronn´ı detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Vzorkov´an´ı zvukovou kartou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 9.2.1
9.3
18
Oddˇelovaˇc AD215AY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Vzorkov´an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
10 Z´ avˇ er
23
A Sch´ ema zapojen´ı
26
B Obsah CD
27
Seznam obr´ azk˚ u 1
ˇ ıslicov´a amplitudov´a modulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C´
5
2
mDBP k´odov´an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3
Sch´ema poˇc´ıt´an´ı CRC-16-CCITT kontroln´ıho souˇctu [3] . . . . . . . . . . .
7
4
Vnitˇrn´ı uspoˇr´ad´an´ı procesoru Propeller [15]
8
5
RC doln´ı propust s impedanˇcn´ım oddˇelen´ım. . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
6
Nosn´ y sign´al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
7
Neinvertuj´ıc´ı zapojen´ı OZ LM675T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
8
Z´avislost s´ıly magnetick´eho pole na vzd´alenosti od stˇredu ant´eny. . . . . . 13
9
Zapojen´ı s´eriov´eho rezonanˇcn´ıho obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
10
Zapojen´ı paraleln´ıho rezonanˇcn´ıho obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
11
Parametry ant´eny zad´avan´e do vzorce 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
12
Diodov´a detekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
13
Sch´ema diodov´eho detektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
14
Blokov´e sch´ema synchronn´ıho detektoru SA612 . . . . . . . . . . . . . . . 17
15
Sch´ema zapojen´ı smˇeˇsovaˇce SA612 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
16
Amplitudovˇe modulovan´ y sign´al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
17
Demodulovan´ y AM sign´al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
18
Souˇctov´a sloˇzka sign´alu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
19
Sign´al s pˇripojenou ant´enou, doln´ı propust´ı a tagem . . . . . . . . . . . . . 20
20
Vnitˇrn´ı blokov´e sch´ema galvanick´eho oddˇelovaˇce . . . . . . . . . . . . . . . 21
21
Sch´ema zapojen´ı galvanick´eho oddˇelovaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
22
Navzorkovan´ y sign´al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
23
Filtrovan´ y sign´al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
24
Celkov´e sch´ema zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
. . . . . . . . . . . . . . . . .
Seznam tabulek 1
Pouˇz´ıvan´e normy pro frekvenci 134.2kHz [10] . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2
V´ yznam pˇren´aˇsen´ ych bit˚ u [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3
Popis registru CTRx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1
´ Uvod
Zad´an´ım pr´ace je sestrojit ˇcteˇcku RFID ˇcip˚ u pracuj´ıc´ı na frekvenci 134.2kHz, schopnou ˇc´ıst na vˇetˇs´ı vzd´alenosti (50 cm). V souˇcasnosti prod´avan´e ˇcteˇcky jsou schopn´e ˇc´ıst na vzd´alenost nˇekolika centimetr˚ u. Vyuˇzit´ı v praxi by tak jistˇe bylo moˇzn´e, napˇr´ıklad ˇcten´ı ˇcip˚ u divok´ ych zv´ıˇrat bez nutnosti jejich usp´an´ı. Vu ´vodn´ı ˇca´sti je obecnˇe pˇredstavena rfid technologie, jej´ı historie a vyuˇzit´ı. V dalˇs´ıch ˇca´stech pr´ace nen´ı technologie rfid popisov´ana obecnˇe, ale pro konkr´etn´ı frekvenci 134.2kHz. Je zde proveden teoretick´ y rozbor, jehoˇz hlavn´ımi prameny jsou iso normy ISO 11784 a ISO 11785. V tˇechto norm´ach je detailnˇe pops´ana komunikace. V n´asleduj´ıc´ıch ˇca´stech pr´ace je vˇzdy vysloven konkr´etn´ı poˇzadavek na nˇejakou ˇc´ast ˇ ˇctec´ıho zaˇr´ızen´ı. Casto jsou pak porovn´av´any dva a v´ıce zp˚ usob˚ u ˇreˇsen´ı dan´eho probl´emu. Z tˇechto moˇznost´ı je pak vybr´ana ta, kter´a nejl´epe splˇ nuje poˇzadavky, zejm´ena poˇzadavek na ˇctec´ı vzd´alenost. Jednotliv´e kapitoly odpov´ıdaj´ı krok˚ um nutn´ ym k sestaven´ı takov´e ˇcteˇcky. Kapitoly jsou seˇrazeny tak, jak byly jednotliv´e kroky vykon´av´any,
1
´ Uvod do RFID technologie
2 2.1
Popis RFID
S RFID technologi´ı se dnes m˚ uˇzeme setkat prakticky kdekoliv. RFID tagy se pouˇz´ıvaj´ı v obchodech, knihovn´ach ale tak´e v dopravˇe. RFID technologii lze rozdˇelit na dvˇe hlavn´ı skupiny: tagy aktivn´ı a tagy pasivn´ı. Aktivn´ı tagy jsou charakteristick´e t´ım, ˇze obsahuj´ı vlastn´ı zdroj nap´ajen´ı. D´ıky t´eto energii nav´ıc jsou schopny komunikovat na vˇetˇs´ı vzd´alenosti a s vˇetˇs´ı spolehlivost´ı neˇz tagy pasivn´ı [7]. Aktivn´ı tagy jsou ovˇsem draˇzˇs´ı a je u nich po nˇejak´em ˇcase potˇreba zajistit v´ ymˇenu bateri´ı. Pasivn´ı tagy nemaj´ı ˇza´dn´ y pˇr´ıdavn´ y zdroj energie. Jsou d´ıky tomu levnˇejˇs´ı na v´ yrobu. Dosahuj´ı menˇs´ı komunikaˇcn´ı vzd´alenosti a niˇzˇs´ı spolehlivosti. D´ıky sv´e cenˇe jsou ale velice hojnˇe pouˇz´ıv´any [7]. Existuj´ı tak´e tagy ze kter´ ych lze data nejen ˇc´ıst, ale tak´e do nich data zapisovat.
2.2
Historie RFID
Technologie RFID se nejdˇr´ıve zaˇcala pouˇz´ıvat jinak, neˇz j´ı zn´ame dnes. Jako prvn´ı zaˇcali RFID technologii pouˇz´ıvat nˇemeˇct´ı voj´aci bˇehem druh´e svˇetov´e v´alky. RFID se pouˇz´ıvalo k rozpozn´an´ı, zda je pˇril´etaj´ıc´ı letadlo vlastn´ı, ˇci nikoliv. Jednalo se aktivn´ı tagy, kter´e ovˇsem nenesly ˇza´dnou pˇridanou informaci, jako je tomu dnes [4]. Jedno z prvn´ıch vyuˇzit´ı pasivn´ıch RFID ˇcip˚ u jak je zn´ame dnes, bylo v druh´e polovinˇe 20. stolet´ı. U tˇechto ˇcip˚ u bylo moˇzno pouze zjistit jejich pˇr´ıtomnost v aktivaˇcn´ım poli ˇcteˇcky a proto se vyuˇz´ıvaly jako hl´ıdac´ı senzory v obchodech. V roce 1973 byl poprv´e vyd´an patent pro RFID technologii. Z´ıskal ho Mario W. Cardullo a jeho tagy jiˇz obsahovaly pˇrepisovatelnou pamˇet’ na data. Ve stejn´em roce z´ıskal patent na tuto technologii tak´e Charles Walton, kter´ y vyuˇz´ıval RFID tagy k odemyk´an´ı dveˇr´ı [9]. Vˇsechny tyto technologie vyuˇz´ıvaly n´ızk´e frekvence pro pˇrenos dat tj. 125kHz. Pozdˇeji vˇsak ˇrada firem zaˇcala vyr´abˇet ˇcteˇcky a tagy pracuj´ıc´ı na vyˇsˇs´ıch frekvenc´ıch, napˇr´ıklad 13.56MHz. D´ıky tomu se zv´ yˇsila rychlost pˇrenosu dat a tak´e komunikaˇcn´ı vzd´alenost. Nejvˇetˇs´ı rozmach pouˇz´ıv´an´ı RFID pˇriˇsel aˇz s v´ yrobou n´ızkopˇr´ıkonov´ ych CMOS logick´ ych obvod˚ u. D´ıky jejich velk´e pamˇeti a n´ızk´e spotˇrebˇe je moˇzn´e na tagy ukl´adat napˇr´ıklad identifikaˇcn´ı k´ody. Prvn´ı nasazen´ı v dopravˇe bylo v roce 1991 v Oklahomˇe. D´ıky tomuto vyuˇzit´ı mohla auta proj´ıˇzdˇet skrz m´ ytn´e br´any bez zpomalen´ı a zv´ yˇsila se tak plynulost dopravy. S masivn´ım vyuˇz´ıv´an´ım RFID ˇcip˚ u vznikla potˇreba standartizovat jejich v´ yrobu a technologii 2
tak, aby jednotliv´e ˇcipy byly ˇciteln´e na ˇcteˇck´ach r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u.
2.3
RFID standarty
D´ıky velk´emu rozmachu RFID technologie a ˇradˇe v´ yrobc˚ u bylo nutn´e standardizovat komunikaˇcn´ı protokoly. Vznikla tedy ˇrada norem, kter´e se dnes vyuˇz´ıvaj´ı. RFID tagy mohou pracovat na ˇradˇe frekvenc´ı a komunikace na kaˇzd´e frekvenci je pops´ana ve zvl´aˇstn´ı normˇe. V t´eto pr´aci se budeme zab´ yvat konstrukc´ı ˇcteˇcky RFID tag˚ u pracuj´ıc´ı na frekvenci 134.2kHz. Technologie pracuj´ıc´ı na frekvenci 134.2kHz se ˇr´ıd´ı n´ıˇze uveden´ ymi normami a je urˇcena pro identifikaci zv´ıˇrat. Frekvence 134.2kHz
Norma
Popis normy
ISO 11784
Struktura pˇren´aˇsen´eho k´odu
ISO 11785
Technick´ y koncept
ISO 14223
Specifikace komunikace pokroˇcil´ ych tag˚ u
Tabulka 1: Pouˇz´ıvan´e normy pro frekvenci 134.2kHz [10]
3
Teoretick´ y rozbor
Pro komunikaci s pasivn´ım RFID tagem je nutn´e nejdˇr´ıve nab´ıt kondenz´ator uvnitˇr tagu, d´ıky ˇcemuˇz pot´e tag m˚ uˇze odpovˇedˇet. Toto nab´ıjen´ı se dˇeje pomoc´ı tzv. nosn´e RF vlny. Nosn´a vlna je pot´e amplitudovˇe modulov´ana, ˇc´ımˇz se pˇren´aˇs´ı informace.
3.1
Pouˇ z´ıvan´ e standardy pro identifikaci zv´ıˇ rat
RFID technologie pouˇz´ıvan´a pro identifikaci zv´ıˇrat na frekvenci 134.2kHz je pops´ana ve dvou standartech ISO 11784 a ISO 11785 [1]. • ISO 11784: struktura k´odu - velikost dat, v´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u • ISO 11785: technick´ y koncept - pracovn´ı frekvence, komunikaˇcn´ı sch´ema 3.1.1
ISO 11784
V tomto standartu je pops´an v´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u pˇren´aˇsen´ ych od transpod´eru ke ˇcteˇcce. Tento standart uvaˇzuje pouze 64 bitov´e zpr´avy, proto je definov´ano pouze prvn´ıch 64 bit˚ u. Transpod´er ovˇsem m˚ uˇze n´est jeˇstˇe dalˇs´ı data, jak je pops´ano v odstavci 3.1.2.1.
3
Bity 1
V´ yznam
Popis
0 - identifik´ator jin´ y
Zda je ˇcten´ y identik´ator urˇcen pro zv´ıˇre ˇci nikoliv
1 - identifik´ator zv´ıˇrete
2 - 15 16
Rezervov´ano
Rezervov´ano pro budouc´ı aplikace
0 - ˇz´adn´a n´asleduj´ıc´ı data Zda budou pˇrenesena dalˇs´ı data po identifik´atoru 1 - n´asleduj´ıc´ı data
17 - 26 K´od zemˇe
K´od zemˇe podle ISO 3166
27 - 64 N´arodn´ı identifikaˇcn´ı k´od
Unik´atn´ı k´od registrovan´ y u m´ıstn´ıho registr´atora
Tabulka 2: V´ yznam pˇren´aˇsen´ ych bit˚ u [1]
Identifikaˇcn´ı k´od je pˇren´aˇsen nejm´enˇe v´ yznamn´ ym bitem napˇred. Celosvˇetov´a unik´atnost k´odu je zaruˇcena kombinac´ı k´odu zemˇe a n´arodn´ıho identifikaˇcn´ıho k´odu. V´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u je v tabulce 2. 3.1.2
ISO 11785
V tomto standartu je pops´an komunikaˇcn´ı protokol mezi tagy a ˇcteˇckami. C´ılem standartu je sjednocen´ı a moˇzn´e nahrazen´ı ˇctec´ıch zaˇr´ızen´ı od r˚ uzn´ ych v´ yrobc˚ u obecn´ ym ˇctec´ım zaˇr´ızen´ım. D´ıky tomu je moˇzn´e zaˇr´ızen´ı pracuj´ıc´ı na frekvenci 134.2kHz dˇelit pouze mezi tˇri skupiny. Tagy vuˇz´ıvaj´ıc´ı sekvenˇcn´ı syst´em, tagy vyuˇz´ıvaj´ıc´ı half duplex syst´em a tagy vyuˇz´ıvaj´ıc´ı full duplex syst´em [1]. Posledn´ı zm´ınˇen´a varianta bude n´ıˇze podrobnˇe pops´ana. 3.1.2.1
Komunikaˇ cn´ı protokol Protoˇze se jedn´a o syst´em vyuˇz´ıvaj´ıc´ı full duplex
komunikaci, je moˇzn´e komunikovat obˇema smˇery z´aroveˇ n. Smˇerem od ˇcteˇcky se vys´ıl´a aktivaˇcn´ı pole o frekvenci 134.2kHz s odchylkou ± 1.8kHz [1]. Aktivaˇcn´ı pole se vys´ıl´a po dobu 50ms, pot´e nastane na 3ms pauza [2]. Bˇehem t´eto pauzy ˇcteˇcka naslouch´a, zda se v jej´ı bl´ızkosti nenach´az´ı dalˇs´ı ˇcteˇcka vys´ılaj´ıc´ı aktivaˇcn´ı pole. V pozitivn´ım pˇr´ıpadˇe by se ˇcteˇcky musely domluvit na jin´em komunikaˇcn´ım sch´ematˇe. Tato funkce nebude ve v´ ysledn´e ˇcteˇcce pro zjednoduˇsen´ı implementov´ana. Jakmile se transpod´er dostane do aktivaˇcn´ıho pole o dostateˇcn´e intenzitˇe, zaˇcne vys´ılat zpr´avu. Struktura zpr´avy je n´asleduj´ıc´ı [2]: • hlaviˇcka 11 bit˚ u [0000 0000 001] • 64 bit˚ u identifikaˇcn´ıho k´odu
4
• 16 bit˚ u kontroln´ıho souˇctu • 24 bit˚ u voliteln´ ych dat Po odesl´an´ı hlaviˇcky je kaˇzd´ y 9. bit logick´a 1 [2], aby se zabezpeˇcila jedineˇcnost posloupnosti odes´ılan´e jako hlaviˇcka. V´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u je pops´an v odstavci 3.1.1. 3.1.2.2
Pˇ renos dat Pro pˇrenos dat se vyuˇz´ıv´a ˇc´ıslicov´a amplitudov´a modulace. Prin-
cip ˇc´ıslicov´e amplitudov´e modulace je velmi podobn´ y jej´ı spojit´e variantˇe. Rozd´ıl je v tom, ˇze m´ısto spojit´e zmˇeny amplitudy nosn´eho sign´alu se mˇen´ı skokovˇe. ˇ ıslicovou amplitudovou modulaci lze popsat rovnic´ı 1. Kde φ je f´aze sign´alu, ω je C´ u ´hlov´a frekvence a Ai nab´ yv´a hodnot 0, 1 . . . M v z´avislosti na poˇctu stav˚ u. XASK (t) = Ai cos(ωt + φ)
(1)
Na obr´azku 1 je zobrazen v´ ysledn´ y sign´al. V pˇr´ıpadˇe, ˇze pˇren´aˇsen´ y bit je logick´a 0, je Ai = 0. Pokud je pˇren´aˇsen bit s logickou hodnotou 1, pak Ai = A [11].
ˇ ıslicov´a amplitudov´a modulace Obr´azek 1: C´ ˇ cka pak pˇrij´ım´a modulovan´ ˇıˇrka p´asma Cteˇ y sign´al v p´asmu 129.0kHz aˇz 139.4kHz [2]. S´ je tedy 10.4kHz, to je potˇreba m´ıt na mysli pˇri dalˇs´ım n´avrhu pˇrij´ımac´ıch obvod˚ u. 3.1.2.3
K´ odov´ an´ı dat Bˇehem pˇrenosu jsou data k´odov´ana modifikovan´ ym difer-
enci´aln´ım k´odem. Toto k´odov´an´ı pˇredepisuje zmˇenu u ´rovnˇe vˇzdy na zaˇca´tku pˇren´aˇsen´eho bitu. Zmˇena u ´rovnˇe uprostˇred pˇren´aˇsen´eho bitu znamen´a, ˇze se pˇren´aˇs´ı logick´a 0. Pokud ke zmˇenˇe uprostˇred intervalu nedojde, pˇren´aˇs´ı logick´a 1 [5]. Pˇrenos jednoho bitu trv´a 32 cykl˚ u nosn´e vlny, z ˇcehoˇz tak´e vych´az´ı pˇrenosov´a rychlost. Pˇrenos jednoho bitu trv´a
32 134.2∗10−3
= 238.45µs. Pˇrenosov´a rychlost je pak 4194 bit˚ u/s.
Vzhledem k nedostatku energie v pasivn´ıch transpod´erech je obt´ıˇzn´a zmˇena u ´rovnˇe z n´ızk´e do vysok´e. Aby se pˇredeˇslo chyb´am pˇri ˇcten´ı ve slab´em aktivaˇcn´ım poli, je kaˇzd´a 5
zmˇena z n´ızk´e do vysok´e u ´rovnˇe provedena v 8 cyklech nosn´e [5]. Na obr´azku 2 je zobrazen pˇrenos sekvence [1010 0100] i se zobrazen´ım 8 cykl˚ u na zmˇenu u ´rovnˇe z n´ızk´e do vysok´e.
Obr´azek 2: mDBP k´odov´an´ı Dek´odov´an´ı lze prov´est tak, ˇze se bude mˇeˇrit ˇcas trv´an´ı logick´e u ´rovnˇe. Na obr´azku 2 m´a u ´roveˇ n prvn´ıho bitu s logickou hodnotou 1 trv´an´ı 32 - 8 cykl˚ u nosn´e (24 ·
1 134.2∗10−3
=
178.84µs). Druh´a u ´roveˇ n bitu s logickou hodnotou 1 m´a trv´an´ı 32 + 8 cykl˚ u nosn´e (40 · 1 134.2∗10−3
= 298.06µs) [6].
Podobn´ ym principem lze dek´odovat i logickou 0. Logick´a 0 se skl´ad´a ze dvou pˇrechod˚ u n´ızk´a - vysok´a nebo vysok´a - n´ızk´a u ´roveˇ n. Trv´an´ı tˇechto u ´rovn´ı je od 8 cykl˚ u (8 ∗ 1 · 134.2∗10 u (178.84µs) [6]. −3 = 59.61µs) do 24 cykl˚
3.1.2.4
Detekce chyb Chyby jsou dle standartu detekov´any poˇc´ıt´an´ım CRC (cyk-
lick´ y redundantn´ı souˇcet) s polynomem [2] P (x) = x16 + x12 + x5 + x1 . Ovˇeˇrov´an´ı pomoc´ı CRC souˇctu se prov´ad´ı tak, ˇze odes´ılatel ho spoˇc´ıt´a pro odes´ılan´a data a odeˇsle ho spolu s daty. Pˇr´ıjemce pak spoˇc´ıt´a CRC souˇcet pro pˇrijat´a data. Pokud se tyto dva souˇcty sobˇe rovnaj´ı, pak s nejvˇetˇs´ı pravdˇepodobnost´ı nedoˇslo bˇehem pˇrenosu k chybˇe [3]. CRC k´od dok´aˇze detekovat chybu, ale uˇz j´ı nedok´aˇze opravit. Na obr´azku 3 je sch´ema v´ ypoˇctu CRC souˇctu podle ISO11785, je sestaveno z 16-ti posuvn´ ych registr˚ u a XOR hradel. Na zaˇc´atku jsou registry naplnˇeny bud’ $FFF nebo $000 [3] v z´avislosti na v´ yrobci transpond´eru. Dek´oder prov´ad´ı XOR funkci a posunuje data vlevo dokud nen´ı zpracov´an posledn´ı bit pˇrijat´ ych dat. Pot´e je v´ ysledn´ y CRC souˇcet obsaˇzen v tˇechto 16-ti registrech v poˇrad´ı zn´azornˇen´em na obr´azku 2. 6
Obr´azek 3: Sch´ema poˇc´ıt´an´ı CRC-16-CCITT kontroln´ıho souˇctu [3]
4
N´ avrh ˇ reˇ sen´ı
Pro konstrukci ˇcteˇcky bylo potˇreba zvolit takov´ y mikroprocesor, kter´ y by dovoloval ˇc´ıslicov´e zpracov´an´ı sign´alu v re´aln´em ˇcase. Byl zvolen digit´aln´ı sign´alov´ y procesor Propeller od firmy Parallax. Firma parallax prod´av´a tento procesor tak´e jako v´ yvojovou desku, kter´a byla vyuˇzita. Na t´eto desce je obsaˇzena ˇrada periferi´ı, napˇr´ıklad 2xPS/2 pro kl´avesnici a myˇs, VGA v´ ystup a dalˇs´ı. Nicm´enˇe tyto periferie nebudou vyuˇzity. Dalˇs´ı v´ yhodou t´eto desky je pˇr´ıtomnost kontaktn´ıho pole, d´ıky tomu je moˇzn´e sestavit ˇc´ast ˇcteˇcky pˇr´ımo na v´ yvojov´e desce. Mikroprocesory Propeller je moˇzn´e programovat pomoc´ı vysoko´ urovˇ nov´eho jazyka SPIN pˇr´ıpadnˇe pomoc´ı Propeller assembleru nebo pomoc´ı Propeller GCC pro C/C++. Jazyk spin m´a tu v´ yhodu, ˇze je lehk´ y na pochopen´ı a lze v nˇem vyuˇz´ıvat i pokroˇcil´e funkce. Nicm´enˇe d´ıky tomu, ˇze se mus´ı v pr˚ ubˇehu programu interpretovat je zhruba 200x pomalejˇs´ı neˇz Propeller assembler. Vzhledem k poˇzadavk˚ um na rychlost zpracov´an´ı je firmware implementov´an pomoc´ı Propeller assembler.
4.1
Popis mikroprocesoru Propeller
Procesory Propeller jsou navrˇzeny pro vysokorychlostn´ı zpracov´av´an´ı u ´loh [15] ve vestavˇen´ ych syst´emech. Digit´aln´ı sign´alov´ y procesor Propeller P8X32A-Q44 poskytuje osm nez´avisl´ ych jader naz´ yvan´ ych cog. D´ıky tˇemto osmi j´adr˚ um lze prov´adˇet aˇz 8 r˚ uzn´ ych u ´loh paralelnˇe, pˇr´ıpadnˇe je moˇzn´e aby nˇekter´e z osmi jader spolupracovaly na stejn´e u ´loze. Na obr´azku 4 je zobrazeno vnitˇrn´ı uspoˇra´d´an´ı procesoru Propeller.
4.2
Procesorov´ a j´ adra
Kaˇzd´a procesorov´a jednotka se sest´av´a z:
7
Obr´azek 4: Vnitˇrn´ı uspoˇra´d´an´ı procesoru Propeller [15] • Dva ˇc´ıtaˇce - A a B. • Periferie pro generov´an´ı videa. • Vstupnˇe/v´ ystupn´ı stavov´ y registr. • Vstupnˇe/v´ ystupn´ı ovl´adac´ı registr. • 2kB pamˇeti RAM pro program. Nav´ıc maj´ı vˇsechny cogy souˇcasnˇe umoˇznˇen pˇr´ıstup ke sd´ılen´ ym prostˇredk˚ um jako jsou vstupnˇe/v´ ystupn´ı piny a syst´emov´e hodiny. Kaˇzd´ y cog m´a pˇr´ıstup skrz hub k dalˇs´ım sd´ılen´ ym periferi´ım. Hub je n´astroj, pomoc´ı kter´eho mohou vˇsechny cogy pˇristupovat ke sd´ılen´ ym prostˇredk˚ um. Hub zaruˇcuje, ˇze pˇr´ıstup je povolen pouze jednomu cogu v dan´em ˇcase. Sd´ılen´e prostˇredky jsou: • Glob´aln´ı nastaven´ı zdroje hodin. • Spuˇstˇen´ı nov´eho cogu. • 32kB sd´ılen´e pamˇeti RAM. • 32kB sd´ılen´e pamˇeti ROM. 8
5
Generov´ an´ı nosn´ e vlny
ˇ cka mus´ı generovat elektromagnetick´e pole, aby mohla nab´ıt RFID tag a pˇreˇc´ıst ho. Cteˇ Toto pole mus´ı m´ıt harmonick´ y pr˚ ubˇeh o frekvenci 134.2kHz. Pro generov´an´ı harmonick´e vlny bud´ıc´ı ant´enu je vyuˇzit ˇcasovaˇc jednoho cogu.
5.1
ˇ Casovaˇ ce
Kaˇzd´ y cog m´a dva nez´avisl´e ˇcasovaˇce (A, B) a kaˇzd´ y ˇcasovaˇc je pops´an tˇremi z´akladn´ımi registry (CTRx, FRQx, PHSx). Pˇri oznaˇcov´an´ı registr˚ u plat´ı, ˇze x v n´azvu je zamˇenˇeno za A nebo B. V´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u kontroln´ıho registr CTRx je pops´an v tabulce 3. 31 -
30..26
25..23
CTRMODE PLLDIV
22..15
14..9
8..6
5..0
-
BPIN
-
APIN
Tabulka 3: Popis registru CTRx
• CTRMODE - urˇcuje nastaven´ı ˇc´ıtaˇce. • PLLDIV - pokud je nastaven PLL m´od urˇcuje dˇel´ıc´ı faktor. • APIN/BPIN - nastaven´ı vstup˚ u/v´ ystup˚ u ˇc´ıtaˇce. V registru PHSx je ukl´ad´ana aktu´aln´ı hodnota ˇc´ıtaˇce. Podle t´eto hodnoty je pak urˇcen stav v´ ystupu propojen´eho na ˇc´ıtaˇc. V registru FRQx je uloˇzena hodnota, kter´a bude pˇrid´ana k hodnotˇe v PHSx jakmile nastane podm´ınka urˇcen´a nastaven´ım CTRMODE.
5.2
Nastaven´ı ˇ casovaˇ ce
ˇ Casovaˇ c je nutn´e nastavit do tzv. duty-cycle m´odu. Toto nastaven´ı se provede n´asleduj´ıc´ı sekvenc´ı: MOV
DIRA, outpin
’Enable output P1
MOV
CTRA, ctravalue
’Set up the DUTY-CYCLE mode timer A
MOV
FRQA, frqavalue
’Set basic frequency (voltage level)
ctravalue
long
%00110 << 26 + 1
frqavalue
long
(127 << 24)
outpin
long
$2 9
5.3
Harmonick´ y pr˚ ubˇ eh
Generov´an´ı harmonick´eho pr˚ ubˇehu se dˇeje pomoc´ı ˇcasovaˇce nastaven´eho v takzvan´em duty-cycle m´odu. V tomto m´odu je v´ ystup ˇcasovaˇce nastaven na logickou 1 pokud dojde k pˇreteˇcen´ı hodnoty v registru PHSx. D´ıky tomu je moˇzn´e vygenerovat t´emˇeˇr libovolnou napˇet’ovou u ´roveˇ n (v rozsahu 0 - 3.3V). Generov´an´ı harmonick´eho pr˚ ubˇehu je prov´adˇeno tzv. tabulkovou synt´ezou. Pr˚ ubˇeh je rozloˇzen do 147 vzork˚ u (napˇet’ov´ ych u ´rovn´ı), kter´e jsou stˇr´ıd´any v pˇresnˇe urˇcen´e periodˇe. D´ıky pˇresn´emu ˇcasov´an´ı vznikne na v´ ystupn´ım RC ˇcl´anku harmonick´ y sign´al o frekvenci 134.227kHz. Instrukce, kter´e nepˇristupuj´ı skrz hub ke sd´ılen´ ym prostˇredk˚ um se zpracov´avaj´ı 4 hodinov´e tiky. Syst´emov´e hodiny bˇeˇz´ı na frekvenci 80MHz, protoˇze se u ´rovnˇe vymˇen ˇuj´ı v kaˇzd´e instrukci, kterou cog zpracov´av´a, je perioda: 4 ·
1 80∗106
= 50ηs. Po v´ ymˇenˇe vˇsech
vzork˚ u sign´alu se cog mus´ı vr´atit zase k prvn´ımu vzorku, coˇz trv´a jednu instrukci. Perioda v´ ysledn´eho sign´alu je tedy 148 instrukc´ı ·50ηs = 7.4µs.
5.4
HW zapojen´ı
Generov´an´ı harmonick´e vlny se dˇeje pulsnˇe ˇs´ıˇrkovou modulac´ı [8], je tedy nutn´e v´ ystupn´ı sign´al filtrovat. Jako filtr v´ ystupn´ıho sign´alu byla zvolena RC doln´ı propust. RC doln´ı propust je sloˇzena z rezistoru pˇripojen´eho s´eriovˇe k mikroprocesoru, k nˇemuˇz je paralelnˇe pˇripojen kondenz´ator. Hodnoty pro odpor a kondenz´ator lze spoˇc´ıtat podle vztahu 2. Pˇri n´avrhu hodnot souˇc´astek je nutn´e vz´ıt v u ´vahu vnitˇrn´ı odpory v´ ystup˚ u mikroprocesoru. V´ ystupy mikroprocesoru maj´ı s´eriov´ y odpor 50 - 100Ω, proto byl jako s´eriov´ y rezistor s hodnotou 2,2kΩ. Pot´e k nˇemu byl dopoˇc´ıt´an paraleln´ı kondenz´ator tak, aby hraniˇcn´ı frekvence byla 134.2kHz. V´ ysledn´a kapacita kondenz´atoru je 540pF. 1 (2) 2·π·R·C Na obr´azku 5 je sch´ema zapojen´ı RC filtru. V tomto sch´ematu je kv˚ uli impedanˇcn´ımu fc =
oddˇelen´ı zapojen operaˇcn´ı zesilovaˇc s voliteln´ ym zes´ılen´ım. Na obr´azku 6 je zobrazen ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh nosn´e vlny. Sign´al je mˇeˇren´ y za operaˇcn´ım zesilovaˇcem a jeho amplituda je 1V.
6
Zesilovac´ı stupeˇ n
Pro vygenerov´an´ı dostateˇcnˇe siln´eho elektromagnetick´eho pole je nutn´e zes´ılit nosnou vlnu. Pro zes´ılen´ı byl vybr´al v´ ykonov´ y operaˇcn´ı zesilovaˇc LM675T [14]. Tento operaˇcn´ı 10
Obr´azek 5: RC doln´ı propust s impedanˇcn´ım oddˇelen´ım.
Obr´azek 6: Nosn´ y sign´al zesilovaˇc m˚ uˇze pracovat s napˇet´ım ± 30V a proudem aˇz 3A.
6.1
Zapojen´ı operaˇ cn´ıho zesilovaˇ ce LM675T
Operaˇcn´ı zesilovaˇc je zapojen podle doporuˇcen´eho zapojen´ı z datasheetu. Zesilovaˇc je zapojen v neinvertuj´ıc´ım zapojen´ı s laditeln´ ym zes´ılen´ım v rozsahu 1x aˇz 10x. Na obr´azku 7 je sch´ema zapojen´ı. Nap´ajec´ı napˇet´ı je z´ısk´ano zapojen´ım dvou nesymetrick´ ych zdroj˚ u s plovouc´ı zem´ı.
6.2
Proudov´ e buzen´ı
Kv˚ uli poˇzadavku na velkou ˇctec´ı vzd´alenost je nutn´e dostateˇcnˇe budit s´eriov´ y rezonanˇcn´ı obvod. Z´avislost s´ıly magnetick´eho pole kruhov´e ant´eny na prot´ekaj´ıc´ım proudu a vzd´alenosti [1] se d´a urˇcit pomoc´ı vzorce 3.
11
Obr´azek 7: Neinvertuj´ıc´ı zapojen´ı OZ LM675T
I · N · R2 H= p 2 (R2 · x2 )3
(3)
Pro v´ ypoˇcet s´ıly v z´avislosti na promˇenn´e vzd´alenosti byl naps´an skript v Matlabu. V´ ystupem skriptu je graf na obr´azku 3. Na ose x je vzd´alenost od stˇredu ant´eny o polomˇeru 25cm pˇri buzen´ı ant´eny proudem 0.5A pro r˚ uzn´e poˇcty z´avit˚ u ant´eny. S´ıla magnetick´eho pole ve vzd´alenosti 50cm je 2.7A/m. Podle [1] se minim´aln´ı s´ıla magnetick´eho pole pro u ´spˇeˇsn´ y pˇrenos dat pohybuje mezi 0.5 - 1.6A/m v z´avislosti na natoˇcen´ı tagu a frekvenci nosn´e vlny. Sestrojen´ y rezonanˇcn´ı obvod by tedy mˇel vyhovˇet i ˇcten´ı tagu na poˇzadovanou vzd´alenost 50cm.
7
Rezonanˇ cn´ı obvod
S´eriov´ y rezonanˇcn´ı obvod vznikne s´eriov´ ym spojen´ım kapacitoru a induktoru. Pˇri vyrovn´an´ı induktance (XL = 2πf0 ) a kapacitance (XC =
1 ) 2πf0 C
je impedance v s´eriov´em re-
zonanˇcn´ım obvodu minim´aln´ı [16]. Impedance s´eriov´eho rezonanˇcn´ıho obvodu se vypoˇc´ıt´a pomoc´ı vzorce 4. Z(jω) = r + jωL +
1 1 = R + j(ωL − ) jωC ωC
(4)
Protoˇze je impedance obvodu v rezonanci nulov´a, tak obvodem v rezonanci proch´az´ı
12
Obr´azek 8: Z´avislost s´ıly magnetick´eho pole na vzd´alenosti od stˇredu ant´eny. maxim´aln´ı proud. Tento proud je urˇcen ohmick´ ym odporem jednotliv´ ych komponent. S´eriov´ y rezonanˇcn´ı obvod je vhodn´ y pro obvody pracuj´ıc´ı na kr´atkou vzd´alenost [16]. Paraleln´ı rezonanˇcn´ı obvod vznikne paraleln´ım zapojen´ım kapacitoru a induktoru. Pˇri splnˇen´ı rezonanˇcn´ı podm´ınky - ω 2 LC = 1 bude impedance obvodu maxim´aln´ı. Impedance paraleln´ıho obvodu se vypoˇc´ıt´a pomoc´ı vzorce 5. Z(jω) =
jωL 1 − jω 2 LC
(5)
Impedance obvodu je teoreticky nekoneˇcn´a, proto bude tak´e maxim´aln´ı napˇet´ı v obvodu. Tento typ obvodu je vhodn´ y pro ˇcten´ı na dlouhou vzd´alenost [16].
7.1
Naladˇ en´ı rezonanˇ cn´ıho obvodu
Aby proud obvodem dos´ahl maxima, je nutn´e aby se jeho induktance a kapacitance vyrovnaly. Nav´ıc je nutn´e, aby rezonance bylo dosaˇzeno na frekvenci aktivaˇcn´ıho pole 134.227kHz. Rezonanˇcn´ı frekvence se urˇc´ı pomoc´ı Thompsonova vzorce [16]. 1 √ (6) 2π LC Po prozkoum´an´ı nˇekolika jiˇz sestaven´ ych ˇcteˇcek byl zvolen kapacitor 1ηF a k nˇemu byla f=
dopoˇc´ıt´ana velikost indukˇcnosti tak, aby v´ ysledn´a rezonanˇcn´ı frekvence byla 134.227kHz. V´ ysledn´a indukˇcnost je 1.4mH.
13
f=
1 1 √ ⇒ L = 2 2 = 1.4mH 4π f C 2π LC
Obr´azek 9: Zapojen´ı s´eriov´eho rezo-
Obr´azek 10: Zapojen´ı paraleln´ıho rezo-
nanˇcn´ıho obvodu
nanˇcn´ıho obvodu
7.2
N´ avrh ant´ eny
Pˇri n´avrhu ant´eny je potˇreba zohlednit jej´ı indukˇcnost, jej´ı rozmˇery a tvar. Polomˇer ant´eny byl stanoven na 25cm, aby mohlo b´ yt dosaˇzeno ˇctec´ı vzd´alenosti zhruba 50cm [1]. Polomˇer ant´eny (spolu s prot´ekaj´ıc´ım proudem) koresponduje s maxim´aln´ı moˇznou ˇctec´ı vzd´alenost´ı, proto je nutn´e sestrojit takto velkou ant´enu. Pomoc´ı vzorce 7 se pˇribliˇznˇe urˇc´ı indukˇcnost pro ant´enu tak, aby splˇ novala zadan´e parametry [16]. 0.31(aN 2 ) [µH] 6a + 9h + 10b Na obr´azku 11 jsou zn´azornˇeny jednotliv´e parametry vzorce 7. L=
(7)
Podle vzorce 7 vych´az´ı pro indukˇcnost 1.4mH ant´ena se 34 z´avity. Nicm´enˇe po sestrojen´ı ant´eny se 34 z´avity byla indukˇcnost pˇr´ıliˇs velik´a. V´ ysledn´a ant´ena je sloˇzen´a ze 31 z´avit˚ u. Bˇehem mˇeˇren´ı se byla sestrojena jeˇstˇe jedna, meˇs´ı ant´ena. Menˇs´ı ant´ena (o polomˇeru 5cm a 74 z´avitech) byla sestrojena tak, aby mˇela stejnou indukˇcnost jako velk´a ant´ena. D´ıky tomu bylo moˇzno kdykoliv zamˇenit tyto dvˇe ant´eny mezi sebou. 7.2.1
ˇ Cinitel jakosti
ˇ Cinitel jakosti ant´eny ud´av´a, jak ˇsirok´e frekvenˇcn´ı p´asmo bude moˇzn´e danou ant´enou ˇ pˇrij´ımat t´emˇeˇr bez utlumen´ı. Cinitel jakosti Q lze spoˇc´ıtat podle vzorce 8.
14
Obr´azek 11: Parametry ant´eny zad´avan´e do vzorce 7
Q=
1 2πfrez CR
(8)
ˇ ım vˇetˇs´ı Q bude, t´ım lepˇs´ı selektivitu bude dan´a ant´ena m´ıt a t´ım menˇs´ı ruˇsen´ı bude C´ dan´a ant´ena pˇrij´ımat. Pokud ale bude ˇcinitel jakosti pˇr´ıliˇs vysok´ y, pak dojde k potlaˇcen´ı poˇzadovan´eho sign´alu. ˇıˇrka p´asma pˇri pˇrenosu je 10kHz, maxim´aln´ı ˇcinitel jakosti je pak definov´an jako S´ Qmax =
8
f0 B
= 13.42 [16]
Demodulace AM sign´ alu
Sign´al z tagu je pˇrij´ıman´ y amplitudovˇe modulovan´ y, jak je pops´ano v sekci 3.1.2.2. K demodulaci amplitudovˇe modulovan´ ych sign´al˚ u se pouˇz´ıvaj´ı tzv. detektory. Mezi z´akladn´ı typy detektor˚ u patˇr´ı diodov´ y a synchronn´ı detektor, kter´e budou pops´any n´ıˇze.
8.1
Diodov´ a detekce
Diodov´ y detektor je nejjednoduˇsˇs´ı moˇzn´ y zp˚ usob, jak demodulovat AM sign´al. K sestrojen´ı diodov´eho detektoru je zapotˇreb´ı pouze germaniov´e diody, rezistoru a kondenz´atoru. Germaniov´e diody se pouˇz´ıvaj´ı z toho d˚ uvodu, ˇze maj´ı n´ızkou kapacitu pˇrechodu, neovlivˇ nuj´ı tedy proch´azej´ıc´ı sign´al. Diodov´ y detektor funguje tak, ˇze dioda nejdˇr´ıve sign´al usmˇern´ı. Kapacitor se pak pˇres diodu rychle nab´ıj´ı, ale d´ıky rezistoru se z´aroveˇ n pomaleji vyb´ıj´ı[12]. V´ ysledn´ ym produktem je pak tzv. ob´alka sign´alu. Princip diodov´e demodulace je zobrazeno na obr´azku 12.
15
Obr´azek 12: Diodov´a detekce Sch´ema sestaven´eho diodov´eho detektoru je na obr´azku 13. Hodnoty souˇca´stek jsou spoˇc´ıt´any podle vzorce τ =
1 RC
tak, aby doch´azelo k u ´tlumu nosn´e vlny, ale z´aroveˇ n aby
nedoch´azelo k u ´tlumu modulaˇcn´ıho sign´alu. Hodnota odporu byla stanovena na 1M Ω a k n´ı byla dopoˇc´ıt´ana hodnota kondenz´atoru 4, 7ηF tak, aby ˇcasov´a konstanta byla v rozmen´ı 20 − 50ms.
Obr´azek 13: Sch´ema diodov´eho detektoru
8.2
Synchronn´ı detekce
Synchronn´ı detektory jsou postaveny na principu analogov´eho n´asoben´ı sign´al˚ u. Sign´aly se ˇcasto oznaˇcuj´ı jako LO (sign´al lok´aln´ıho oscil´atoru) a ANT (sign´al z pˇrij´ıman´ y ant´enou). Pokud se dva sign´aly vyn´asob´ı, tak v´ ysledkem bude souˇctov´a a rozd´ılov´a sloˇzka n´asoben´ ych sign´al˚ u. V n´asleduj´ıc´ıch rovnic´ıch je matematicky zaps´an princip synchronn´ı detekce [12]. Rovnice 9 pˇredstavuje sign´al pˇrij´ıman´ y ant´enou, rovnice 10 pˇredstavuje sign´al nosn´e vlny. Um = Usig · sin(ωsig · t + θsig )
(9)
Un = Uref · sin(ωref · t + θref )
(10)
V rovnici 11 je v´ ysledek po vyn´asoben´ı sign´al˚ u. Je zde vidˇet, ˇze vznikne souˇctov´a i rozd´ılov´a sloˇzka. Z rovnic vypl´ yv´a, ˇze pokud by rozd´ıl f´aze mezi sign´al pˇrij´ıman´ ym ant´enou 16
a refer Souˇctovou sloˇzky o vyˇsˇs´ı frekvenci lze snadno odfiltrovat dolno-propustn´ım filtrem Uv = Usig · Uref · sin(ωsig · t + θsig ) · sin(ωref · t + θref ) = 1 · Usig · Uref · cos([ωsig − ωref ] · t + θsig − θref ) 2 1 − · Usig · Uref · cos([ωsig + ωref ] · t + θsig + θref ) 2 8.2.1
(11)
Synchronn´ı detektor
Jako synchronn´ı detektor je pouˇzit integrovan´ y obvod SA612. Jedn´a se o dvojitˇe vyv´aˇzen´ y smˇeˇsovaˇc a oscil´ator, jehoˇz z´akladem je Gilbertova buˇ nka. Blokov´e sch´ema demodul´atoru je zobrazeno na obr´azku 14.
Obr´azek 14: Blokov´e sch´ema synchronn´ıho detektoru SA612 U smˇeˇsovaˇc˚ u je nutn´e zm´ınit charakteristiku third-order intercept point [13]. Jedn´a se o schopnost smˇeˇsovaˇce rozdˇelit dva sobˇe velmi bl´ızk´e sign´aly. Pokud by smˇeˇsovaˇc mˇel tuto hodnotu pˇr´ıliˇs malou, mohlo by se pˇri n´asoben´ı sign´al˚ u st´at, ˇze by produkty vyˇsˇs´ıch ˇra´d˚ u mˇely vˇetˇs´ı amplitudu neˇz re´aln´ y sign´al. Pak by se tento sign´al mohl pˇreloˇzit na stejnou frekvenci jako re´aln´ y sign´al a doch´azelo by k jeho zkreslen´ı. Pouˇzit´e sch´ema zapojen´ı vych´az´ı z http://www.qsl.net/k0lr/SW-RX/sw-rx.htm, kde je smˇeˇsovaˇc NE602 pouˇzit pro pˇr´ıjem meteorologick´eho r´adia vys´ılan´eho na frekvenci 136kHz. D´ıky bl´ızkosti frekvenc´ı a podobnosti obvod˚ u je moˇzn´e vyuˇz´ıt zapojen´ı bez vˇetˇs´ıch u ´prav. Na obr´azku 15 je zobrazeno upraven´e sch´ema zapojen´ı smˇeˇsovaˇce. Na sch´ematu je sign´al z ant´eny pˇriveden na pin oznaˇcovan´ y jako IN-A, sign´al lok´aln´ıho oscil´atoru je pˇriveden na pin oznaˇcovan´ y OSC.
17
Obr´azek 15: Sch´ema zapojen´ı smˇeˇsovaˇce SA612
9
Mˇ eˇ ren´ı
Po sestaven´ı cel´eho obvodu se zaˇcalo mˇeˇren´ı pˇrij´ıman´eho sign´alu. Nejdˇr´ıve ale bylo nutn´e obvody oˇzivit, po oˇziven´ı se k obvodu vˇzdy pˇripojil rezonanˇcn´ı obvod. Pokusy byly prov´adˇeny s paraleln´ım i s´eriov´ ym obvodem a ant´enou s pr˚ umˇerem 50cm i 10cm.
9.1
Oˇ ziven´ı
Oˇziven´ı obou typ˚ u detektor˚ u prob´ıhalo podobnou cestou. Byl pouˇzit modulovateln´ y zdroj sign´alu. Na vstup tohoto zdroje byl pˇriveden modulaˇcn´ı sign´al o frekvenci 5kHz s amplitudou 1V. Takov´ yto modulaˇcn´ı sign´al frekvenˇcnˇe odpov´ıd´a sign´alu, kter´ y by se mˇel pˇrij´ımat od tagu, m´a ale mnohon´asobnˇe vˇetˇs´ı amplitudu. V´ ystupn´ı modulovan´ y sign´al ze zdroje mˇel amplitudu 9V a frekvenci 134.2kHz. Na obr´azku 16 jsou zobrazeny oba sign´aly. Na sign´alu nosn´e vlny je viditeln´a amplitudov´a modulace. 9.1.1
Diodov´ y detektor
Amplitudovˇe modulovan´ y sign´al (obr´azek 16) se podaˇrilo demodulovat pomoc´ı diodov´eho detektoru popsan´eho v sekci 8.1. Na obr´azku 17 je zobrazen demodulovan´ y sign´al. Z obr´azku je patrn´e, ˇze demodulovan´ y sign´al nem´a dostateˇcnou kvalitu. Nav´ıc modulaˇcn´ı sign´al mˇel 10x - 100x vˇetˇs´ı amplitudu, neˇz sign´al pˇrij´ıman´ y z tagu. S t´ımto typem demodulace by tedy pravdˇepodobnˇe nebylo moˇzn´e ˇc´ıst sign´al z tagu na poˇzadovanou vzd´alenost.
18
Obr´azek 16: Amplitudovˇe modulovan´ y sign´al
Obr´azek 17: Demodulovan´ y AM sign´al Nicm´enˇe i pˇres to, ˇze by tento detektor nemohl b´ yt pouˇzit ve v´ ysledn´e aplikaci, byl do nˇeho pˇriveden sign´al z ant´eny. Sign´al z ant´eny se nepodaˇrilo demodulovat ani v pˇr´ıpadˇe, ˇze tag byl od ant´eny vzd´alen pouze nˇekolik centimetr˚ u. 9.1.2
Synchronn´ı detektor
Pˇri oˇzivov´an´ı synchronn´ıho detektoru bylo nutn´e sn´ıˇzit u ´roveˇ n sign´alu lok´aln´ıho oscil´atoru na 240mV peak-to-peak. Sign´al z ant´eny pak na 110mV peak-to-peak. Toto sn´ıˇzen´ı bylo nutn´e kv˚ uli vysok´e hodnotˇe charakteristiy third intercept point popsan´e v sekci 3.1.2.2. Oˇziven´ı prob´ıhalo tak, ˇze se nejdˇr´ıve sm´ıchaly dva sign´aly o stejn´e frekvenci, sign´al nen´ı filtrovan´ y, pˇrevl´ad´a proto souˇctov´a frekvence, v tomto pˇr´ıpadˇe 268.4kHz. Tento sign´al je zobrazen na obr´azku 18.
19
Obr´azek 18: Souˇctov´a sloˇzka sign´alu Dalˇs´ı ˇc´ast ˇziven´ı prob´ıhala pomoc´ı amplitudovˇe modulovateln´eho gener´atoru. Postupnˇe se sniˇzovala hloubka modulace, dokud bylo moˇzn´e demodulovat sign´al. Po oˇziven´ı jiˇz byl synchronn´ı detektor pˇripraven na to, aby demoduloval sign´al z ant´eny. Nicm´enˇe ani v pˇr´ıpadˇe synchronn´ıho detektoru se nepodaˇrilo zdetekovat sign´al tagu. Obr´azek 18 zobrazuje v´ ystup sign´alu za doln´ı propust´ı, je potlaˇcena souˇctov´a sloˇzka sign´alu a rozd´ılov´a je zobrazena na stejnosmˇern´ y sign´al.
Obr´azek 19: Sign´al s pˇripojenou ant´enou, doln´ı propust´ı a tagem
9.2
Vzorkov´ an´ı zvukovou kartou
Sign´al na v´ ystupu na obr´azku 19 m´a malou amplitudu. To n´as vedlo k tomu, ˇze sign´al z tagu by mohl b´ yt pˇrehluˇsen okoln´ım ˇsumem. Vznikl tedy poˇzadavek na vzorkov´an´ı sign´alu vˇetˇs´ım poˇctem bit˚ u. Vzorkov´an´ı by mohlo prob´ıhat zvukovou kartou, bylo ale nutn´e mezi 20
poˇc´ıtaˇc a ˇcteˇcku vloˇzit galvanick´e oddˇelen´ı, aby nedoˇslo k poˇskozen´ı obvod˚ u zvukov´e karty. Dalˇs´ı d˚ uleˇzit´ y faktor je maxim´aln´ı napˇet´ı, kter´e m˚ uˇzeme pˇriv´est na zvukovou kartu, to se pohybuje mezi 1.2 - 1.7 V. Toto ale nebylo omezen´ı vzhledem k tomu, ˇze sign´al mˇel amplitudu do 200mV. 9.2.1
Oddˇ elovaˇ c AD215AY
ˇıˇrka pˇrenosov´eho Jedn´a se o ˇsirokop´asmov´ y oddˇelovaˇc schopn´ y zes´ılen´ı vstupn´ıho sign´alu. S´ p´asma je 120kHz, coˇz bylo naprosto dostaˇcuj´ıc´ı. Blokov´e sch´ema oddˇelovaˇce je zobrazeno na obr´azku 20.
Obr´azek 20: Vnitˇrn´ı blokov´e sch´ema galvanick´eho oddˇelovaˇce Zapojen´ı oddˇelovaˇce bylo stejn´e, jako v datasheetu. Nicm´enˇe pro u ´plnost je zobrazeno na obr´azku 21. Zes´ılen´ı je u ´mˇern´e pomˇeru Rf ku Rg . Sign´al je moˇzn´e zesilovat bez ztr´aty ˇs´ıˇrky p´asma aˇz na u ´roveˇ n nap´ajec´ıho napˇet´ı.
Obr´azek 21: Sch´ema zapojen´ı galvanick´eho oddˇelovaˇce
21
9.3
Vzorkov´ an´ı
Navzorkov´an´ı sign´alu prob´ıhalo extern´ım programem a v´ ystupem byl soubor s pˇr´ıponou .wav. Navzorkovan´ y sign´al se pot´e zaˇcal ˇc´ıslicovˇe zpracov´avat v prostˇred´ı Matlab. Sign´al byl nejdˇr´ıve normov´an na jednotkovou velikost, pot´e byla na sign´al aplikov´ana doln´ı propust. Na obr´azku 22 je vidˇet navzorkovan´ y sign´al. V navzorkovan´em sign´alu lze vidˇet vysokou u ´roveˇ n ˇsumu.
Obr´azek 22: Navzorkovan´ y sign´al Na obr´azku 23 je vidˇet filtrovan´ y sign´al. Po vyfiltrov´an´ı dolnopropustn´ım filtrem s oˇrez´avac´ı frekvenc´ı 8.3kHz je viditeln´e zlepˇsen´ı. Sign´al na obr´azku je ale poz˚ ustatek souˇctov´eho kmitoˇctu ze smˇeˇsov´an´ı sign´al˚ u.
Obr´azek 23: Filtrovan´ y sign´al
22
10
Z´ avˇ er
C´ılem t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace bylo sestrojit ˇcteˇcku miniaturn´ıch RFID ˇcip˚ u pracuj´ıc´ı na frekvenci 134.2kHz. Sestrojen´a ˇcteˇcka mˇela b´ yt schopn´a ˇc´ıst na vzd´alenost zhruba 50cm. Analyzoval jsem rfid technologii pracuj´ıc´ı na frekvenci 134.2kHz. Provedl jsem teoretick´ y rozbor t´eto technologie a navrhl ˇreˇsen´ı. V r´amci bakal´aˇrsk´e pr´ace byly sestaveny obvody, kter´e slouˇz´ı pro generov´an´ı aktivaˇcn´ıho pole. D´ale byly sestaveny obvody, kter´e umoˇzn ˇovaly demodulaci AM sign´alu s ohledem na vysokou kvalitu jejich v´ ystupu. Byly sestaveny dvˇe ant´eny, nicm´enˇe ani s jednou z nich se nepodaˇrilo pˇreˇc´ıst RFID tag. Sign´al z tagu se nepodaˇrilo detekovat, protoˇze se nepodaˇrilo z´ıskat sign´al z ant´eny. Pokud by se podaˇrilo tento sign´al z´ıskat, tak uˇz by se podaˇrilo sign´al z tagu ˇc´ıst alespoˇ n na kratˇs´ı vzd´alenost. Sign´al z RFID tagu se nepodaˇrilo na v´ ystupu ant´eny zdetekovat, protoˇze zde nebyl pˇr´ıtomn´ y. Nepˇr´ıtomnost sign´alu lze vysvˇetlit t´ım, ˇze se tag nenach´azel v dostateˇcnˇe siln´em aktivaˇcn´ım poli. Nedoˇslo tedy k nabit´ı kondenz´atoru a t´ım k oˇziven´ı funkˇcnosti tagu tak, aby mohl tag zaˇc´ıt vys´ılat (ovlivnil aktivaˇcn´ı pole).
23
Literatura [1] FINKENZELLER, K. RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification. 2nd ed. 2003. [2] ISO 11785. Radio frequency identification of animals – Technical concept. Geneva: ISO, 1996. 20 p. [3] LOZANO-NIETO, A. Rfid Design Fundamentals and Applications. 1st ed. 2011. [4] WALTER JOSEPH IMFELD IV, B.S. Low frequency radio frequency identification antenna design. DeVry: University of Technology, 1999. [5] KAMPERS, F., ROSSING, W., ERADUS, W. The Iso standard for radiofrequency identification of animals. Computers and electronics in agriculture, 1999, vol. 24, p. 37–43. [6] Bishop, J.; Pinato, T.; Viaud, P. ISO 11785 transponder performance measurements. JRC Technical notes 2009 [7] Rubinbot Radio-frequency identification, 2013. Wikipedia. http://en.wikipedia. org/wiki/Radio-frequency_identification (accessed March 12, 2013). [8] DeSilvia Pulse width modulation, 2009. Propeller Wikispaces. http://propeller. wikispaces.com/page/history/PWM (accessed Jan 11, 2013). [9] Roberti, M. The History of RFID Technology, 2011. RFID journal. http://www. rfidjournal.com/article/view/1338 (accessed Jan 09, 2013). [10] Ave, M. ISO RFID Standards: A Complete List, 2012. The RFID network. http:// rfid.net/basics/186-iso-rfid-standards-a-complete-list- (accessed Jan 10, 2013). [11] Abu Foul, M. Experiment 5, ASK modulation. [Online]. http://site.iugaza.edu. ps/mabufoul/files/2010/09/Experiment-5.pdf (accessed Feb 16, 2013). [12] Tichy,
P.
Skripta
elektronika.
http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/ elektronika/kap5/5_1_2.html (accessed April 15, 2013).
[13] Radio
electronics.
http://www.radio-electronics.com/info/
rf-technology-design/receiver-overload/intercept-point-third-order.php (accessed April 19, 2013). [14] Datasheet. LM675 Power operational amplifier. Texas Instruments, 2004. 24
[15] Datasheet. Propeller P8X32A. PARALLAX inc, 2007. [16] Datasheet. Antenna Circuit Design for RFID Applications. Microchip technology inc, 2003. [17] Datasheet. AD215AY. Analog devices, 1996.
25
A
Sch´ ema zapojen´ı
Obr´azek 24: Celkov´e sch´ema zapojen´ı
26
B
Obsah CD
|
|
+-- RC.png
|
|
+-- Sinus.png
.
|
|
+-- Sinus-RC.png
+-- Firmware
|
|
+-- Sinus-RC[134.2].JPG
|
+-- Main.spin
|
+-- nosna.tex
|
+-- SineWave.spin
+-- ch5-zesilovac
+-- Hardware
|
+-- img
|
+-- AD215.pdf
|
|
+-- OZ.png
|
+-- lm675.pdf
|
|
+-- pole.png
|
+-- OP07CP.pdf
|
+-- zesilovac.tex
|
+-- P8X32A.pdf
+-- ch6-rezonancni
|
+-- SA612.pdf
|
+-- img
|
+-- TL062CP.pdf
|
|
+-- antena.png
|
+-- tl082.pdf
|
|
+-- seriovy.png
+-- Matlab
|
+-- rezonancni.tex
|
+-- Ant´ ena-LC.xls
+-- ch7-demodulace
|
+-- Direct_conversion.m
|
+-- demodulace.tex
|
+-- ParalelRezonant.m
|
+-- img
|
+-- Signal
|
+-- diodova.gif
|
+-- analyza.m
|
+-- diodova.png
|
+-- BezTagu.wav
|
+-- SA612.png
|
+-- FIRfilter.m~
|
+-- schema_diodova.png
|
+-- FIRHighPass.m
|
+-- sch_sa612.png
|
+-- FIRLowPass.m
+-- ch8-mereni
|
+-- FunkcniTag.wav
|
|
+-- Print.m
+-- RFID.png
+-- mereni.tex
+-- obsah.txt
+-- title
+-- Text
|
+-- ack.tex
+-- bibliography
|
+-- img
|
|
|
+-- fel.gif
+-- ch0-uvod
|
|
+-- fel.png
|
|
+-- summary.tex
+-- ch1-uvod
|
+-- thank.tex
|
+-- uvod.log
|
+-- title.log
|
+-- uvod.tex
|
+-- title.tex
+-- ref.bib +-- uvod.tex
+-- ch2-rozbor
+-- vystrmar.aux
|
+-- img
+-- vystrmar.bbl
|
|
+-- ask.eps
+-- vystrmar.blg
|
|
+-- ask.png
+-- vystrmar.lof
|
|
+-- ask.xcf
+-- vystrmar.log
|
|
+-- crc.png
+-- vystrmar.lot
|
|
+-- crc.xcf
+-- vystrmar.out
|
|
+-- mDBP.png
+-- vystrmar.pdf
|
|
+-- mDBP.xcf
+-- vystrmar.synctex.gz
|
+-- rozbor.log
+-- vystrmar.tex
|
+-- rozbor.tex
+-- vystrmar.toc
+-- ch3-reseni |
+-- img
|
|
+-- cogs.png
|
|
+-- OZ.png
|
|
+-- RC.png
|
|
+-- sch.png
|
+-- reseni.log
|
+-- reseni.tex
23 directories, 76 files
+-- ch4-nosna |
+-- img
27
