Целью этой статьи — не повторить распространение схему «дубликатора» RFID, не показать как использовать уже построенный интерфейс RFID (тип «Arduino shield»), но описать принцип и предоставить полезные основы, чтобы любители, интересующиеся аппаратным обеспечением RFID-считывателей частотой 125 кГц, могли использовать их в своих проектах, и полностью владеть их разработку.
Поэтому, эта страница содержит:
- Объяснение принцип чтения меток (транспондеров) RFID тип «load modulation» (модуляция нагрузки)
- Предложение схем генератора несущей 125Кгц и демодулятора (с использованием самых обычных микросхем)
- Предложение идей реализации простых датчиков RFID
- Объяснение принципа чтения меток RFID с модуляции нагрузки
Общий принцип:
Эти метки RFID получают питание от индуцированного напряжения, создаваемого переменным магнитным полем, как от вторичной обмотки трансформатора. Чтобы передать данные, метки (tags) нарочно и циклично меняют их собственное потребление. Это именно называется «модуляция нагрузки». Значит, считыватель должен обнаружить и обработать очень слабый эффект, который модуляция нагрузки провоцирует на генераторе. Обычно используются такие архитектуры:
Причини такого выбора — такие:
1 - Генератор (Tx) должен создать достаточно тока в катушке, которая имеет большой импеданс. Кроме того, при высоком резонансном напряжении происходят сильнее абсолютные вариации амплитуды. Поэтому лучше всего подходит последовательная схема RLC, где L*C*(2*pi*f)^2 = 1
2 - В катушке транспондера (Rx) возникает очень слабое напряжение потому, что коэффициент связи гораздо хуже, чем в настоящим трансформаторе. Значит, без другого внешнего электропитания существует только один способ: эксплуатировать резонансное перенапряжение из параллельной схемы RLC. Диод (или даже диодный мост) и накопительный конденсатор могут обеспечивать постоянное питание для чипа транспондера.
На этих рисунках мы не показали модуляцию нагрузки, но можно обозначить это как вариации параллельного сопротивления в части «Rx». Эта модуляция нагрузки не может быть простой, как включение / выключение, или использовать простое кодирование, такое как NRZ, где логические уровни могут изменяться или не изменяться без обязательного соблюдения симметрии. Действительно, в считывателе нужно будет усилить модуляцию очень сильно, пока амплитуда несущей огромная (до 50в или даже больше). Значит, нужно использовать кодирование данных, которое создает сигнал, где среднее значение не меняется в зависимости от содержания данных. Такое кодирование не зависит от возможности усилить постоянное напряжение. Поэтому, часто используются манчестерское кодирование / CDP.
( https://studfile.net/preview/5817228/page:3/ )
Выбор коэффициентов качества RLC (Q = 2.pi.f.L / R) должен соблюдать эти требования:
1 — Достаточно высокий для RLC генератора, чтобы модуляция нагрузки провоцирует эффект. Тем не менее, если Q слишком высокий, настройка резонанса RLC не будет стабильная.
2 - Достаточно высокий для RLC транспондере, чтобы напряжение питания достигло требуемого уровня. Тем не менее, если Q слишком высокий, настройка резонанса RLC тоже не будет стабильная, как в генераторе/считывателе.
Практично, значения близко от 20 — разумный выбор чтобы начинать экспериментировать. Поэтому, нужно часто добавить сопротивление, чтобы ограничить Q, кроме если катушки содержат очень мало витков. (Но в этом случае, они неэффективны).
Предложение схемы генератора несущей 125Кгц
Частота 125 Кгц — стандартная частота для такого типа оборудования. Тем не менее, возможно тоже легко использовать частоты в диапазоне 30-200Кгц, если вы не намерены использовать стандартные метки, а хотите создать свои собственные транспондеры. (До 30 Кгц это не будет удобно модулировать, и за 200 Кгц это генератор не будет работать правильно).
Чтобы точно настроить частоту генератора и тоже проверить частоту резонанса RLC (которая должна соответствовать частоту генератора когда все в порядке), нужно использовать потенциометр 10К.
На полным резонансе, сигнал на точке R-L должен имеет такой профиль:
Очень обычная микросхема NE555 обеспечивает тактовый сигнал, используемый драйвером. Это драйвер предназначен для включения и управления десатурации выходных транзисторов вовремя, снижения потерь и генерации прямоугольного сигнала.
Напряжение питания V+ (пусть назвать VDD) должно быть в диапазоне 9-15в и очень стабильная, без никакого колебания. Советую использовать не только регулятор, но тоже фильтр. Это генератор может подать до 1,5А (пика до ноля).
[Амплитуда основного компонента прямоугольного сигнала]
= (4/pi) * [амплитуда прямоугольного сигнала].
Значит (пика до ноля): Urlc = (4/pi) * VDD/2 = (2/pi) * VDD.
Если мы хотим использовать целую мощность генератора, глобальное сопротивление RLC будет:
Rtot = (2 * VDD) / (pi * 1,5A). Например: VDD = 12в => Rtot = 5 Ом (*)
=> L = (Q * Rtot) / (2*pi*125000) = (20 * 5) / 785398 = 127 мкГ
=> C = 1 / (L * (2*pi*125000)^2) = 12,7 нФ
По геометрии катушки: Большой диаметр дает лучше результаты, чем больше витков (до тех пор, пока этот диаметр не превысит примерно в 100 раз размер транспондера).
(*) Внимание: Это сопротивление Rtot также включает в себя сопротивление катушки. После измерения сопротивления катушки, нужно исправить значение внешнего резистора R.
Точка «Demod INP» - точка подключения демодулятора.
Предложение схемы демодулятора
Демодулятор намерен обработать такую слабую модуляцию, чтобы восстановить чистые данные (цифровые данные или любой симметрический сигнал от транспондера). Рисунка показывает оптимистический вид на то, как модуляция нагрузки действует:
В реальности, пропорция модуляции очень маленькая (1% или меньше). Поэтому, нужно подробный демодулятор:
Слева находится обычный диодный детектор. (С начала выбирайте Cd=1нФ, и оптимизируйте). Следует транзисторный активный фильтр, который понизит нежелательные колебания несущей, которые остаются после детектора.
Действительно, модуляция так слабая что, после детектора полезный сигнал остается слабее, чем остатки несущей.
После этого транзисторного фильтра следует усилитель с ограничением амплитуда (клипер). Зависимо от расстояния до транспондера, амплитуда сигнала может менять с огромными пропорциями.
На выходе, простой транзистор действует как «data slicer», чтобы получить наши данные, представлены в виде прямоугольного сигнала. Данные могут быть обработаны с любом микроконтроллером или платы отладки. Это ваша разработка. Возможно тоже использовать простые оборудования, как например цеп измерения частоты 1-4 Кгц, если создаете транспондер, который передает аналоговое значение через изменения частоты модуляции.
Идеи реализации простых датчиков RFID
Если вы решите создать ваш собственный транспондер, настройка оптимального RLC сложнее, чем для генератора. Тем не менее, можно постепенно улучить и увеличить расстояние связи. Здесь маловероятно что, нужно будет резистор, чтобы ограничить Q. Действительно, нормальное потребление электроники транспондера уже поступит как нагрузка в параллельным RLC. Электроника должна потреблять очень мало (< 0,5мА) для хороших результатов. Метки RFID на рынке содержат очень маленькие накопительные конденсаторы. Поэтому они не могут модулировать сильно без риска потерять питание. Но, вы можете обойти это ограничение и модулировать до максимума. Так демодуляция будет работать гораздо лучше, даже далеко.
Вот примерь о том, что возможно реализовать.
Резонанс происходит между Lx и Cx, и получается амплитуда от 3,5в (или больше, если нам повезло). Накопительный конденсатор Cp стабилизирует напряжение, чтобы напитать электронику. Если электроника потребляет ток Ic, и частота потока данных Fd (2-4 Кгц очень обычно), и мы не хотим потерять более 5% напряжения на накопительным конденсаторе когда модулируем, нам нужно:
Ic * (0,5/Fd) < Cp * (3,5в * 0,05)
=> Cp > 2,857 * Ic / Fd, где Fd указана в Гц, Ic указан в Амперах, Cp указан в фарадах
Модуляция нагрузки осуществляется путем подавления резонанса, когда транзистор включен. Так Сх + 4,5*Сх вообще смещают частоту резонанса далеко от частоты несущей. Это один из самых простых способов сделать это.
Электроника транспондера может быть микроконтроллер, работающий на очень низкой тактовой частоте, или аналоговый датчик, генерирующий частоту модуляции, пропорциональную измеряемому значению.
Пример реализации с большое катушки считывателя и купленным транспондером на рынке:
Здесь простой пример без считывания, но с беспроводным питанием на 125Кгц.