Bài tập lớn tìm hiểu và sử dụng cảm biến RFID (có code đầy đủ)

Nguyên lí hoạt động Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số nhất định, khi thiết bị RFID tag trong vùng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng điện từ này và thu nhận năng lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA: CƠ KHÍ -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THUỘC HỌC PHẦN:CẢM BIẾN VÀ HỆ

THỐNG ĐO

TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỌC MÃ VẠCH DÙNG CẢM BIẾN RFID

NHÓM 1 Sinh viên: Nguyễn Văn Anh MSV:2018603336

Sinh viên: Chu Quốc An MSV:2018601631

Sinh viên: Ngô Việt Anh MSV:2018603696

Lớp: Cơ Điện Tử 2 - Khóa 13 GVHD: Lê Ngọc Duy

Hà Nội–Năm 2020

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đọc mã vạch sử dụng cảm biến RFID

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Phân tích nguyên lý, cấu tạo của cảm biến RFID

- Nội dung 2: Lựa chọn cảm biến với thông số phù hợp

- Nội dung 3: Tính toán, xây dựng hệ thống đo và xử lý tín hiệu

- Nội dung 4: Kết nối và mô phỏng hệ thống

- Nội dung 5: Hiển thị và lập trình hệ thống

- Nội dung 6: Viết báo cáo

3 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch bài tập lớn

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Bài giảng môn học Cảm biến và hệ thống đo và các tàiliệu tham khảo

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án(nếu có): Máy tính

Lê Ngọc Duy

NỘI DUNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN RFID

Cấu tạo hệ thống cảm biến RFID

Một hệ thống hay một thiết bị RFID được cấu tạo từ hai thành phần cơ bảnkhông thể thiếu là thiết bị phát mã RFID (thẻ RFID) và phần thiết bị đọc Thiết

bị đọc này sẽ được gắn antenna phát sóng điện từ, thiết bị phát RFID sẽ đượcgắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bị RFID tag chứa một mã số nhất định vàkhông trùng nhau

Nguyên lí hoạt động

Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số nhất định, khi thiết

bị RFID tag trong vùng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng điện từ này và thu nhận năng lượng từ đó phát lại cho thiết bị RFID Reader biết mã số của mình

Từ đó thiết bị RFID reader nhận biết được tag nào đang trong vùng hoạt động

chạm 13,56 MHz có tụ cộng hưởng của Microchip

Thông số:

Đặc trưng

• Đọc và viết không tiếp xúc với thuật toán chống va chạm

• 1024 bit (32 khối) trong tổng bộ nhớ

• 928 bit (29 khối) bộ nhớ lập trình người dùng

• ID thẻ 32 bit duy nhất (được lập trình tại nhà máy)

• 32 bit cho dữ liệu và 16 bit cho CRC mỗi khối

• Bảo vệ ghi

• Tốc độ đọc dữ liệu 70 Kbit / s (định dạng Manchester)

• Bit đặc biệt (Đọc nhanh) để nhận dạng nhanh và các ứng dụng chống giả (EAS)

• Mã hóa PPM 1 trong 16 để ghi dữ liệu

• Hoạt động của Interrogator-Talks-First (ITF) hoặc Tag-Talks-First (TTF)

• Tầm xa để đọc và viết

• Thuật toán chống va chạm tốc độ cao để đọc và viết

• Chế độ nhanh và bình thường để ghi tốc độ dữ liệu

• Tính năng chống xé cho các giao dịch ghi an toàn

• Hoạt động không đồng bộ cho mức tiêu thụ điện năng thấp và lựa chọn linh hoạt các dải tần số sóng mang

• Tụ cộng hưởng bên trong

• Ba kết nối pad cho mạch ăng ten ngoài

• Thiết kế CMOS công suất rất thấp

• Chết trong gói bánh quế, bánh wafer, bánh wafer trên khung, bánh xốp, tùy chọn gói COB, PDIP hoặc SOIC

1.0

MÔ TẢ CÁC TÍNH NĂNG THIẾT BỊ

MCRF451 là một thiết bị RFID thụ động đọc / ghi không tiếp xúc được tối ưuhóa cho tín hiệu sóng mang RF 13,56 MHz Thiết bị cần một mạch cộng hưởng

LC bên ngoài để giao tiếp không dây với Bộ dò tín hiệu Thiết bị được cấpnguồn từ xa bằng cách điều chỉnh tín hiệu RF được truyền từ Bộ dò tín hiệu vàtruyền hoặc cập nhật nội dung của nó từ bộ nhớ dựa trên các lệnh từ Bộ dò tínhiệu

Thiết bị được thiết kế để được sử dụng hiệu quả cho các ứng dụng gắn thẻ cấp

độ vật phẩm, chẳng hạn như quản lý bán lẻ và hàng tồn kho, trong đó một khốilượng lớn thẻ được đọc và ghi trong cùng một trường Bộ dò tín hiệu

Thiết bị chứa 32 khối (B0-B31) bộ nhớ EEPROM Mỗi khối bao gồm 32 bit Bakhối đầu tiên (B0-B2) được phân bổ cho hoạt động của thiết bị, trong khi 29khối còn lại (B3-B31: 928 bit) dành cho dữ liệu người dùng Khối 1 chứa 32 bit

ID thẻ duy nhất ID thẻ được lập trình sẵn tại nhà máy và được bảo vệ chốngghi

Tất cả các khối, ngoại trừ ID thẻ (Khối 1), là khối thông minh có thể ghi ít tiếpxúc bằng các lệnh của Bộ dò tín hiệu Tất cả các khối dữ liệu, ngoại trừ các bit

30 và 31 trong Khối 0, đều có thể chống ghi

Thiết bị có thể được định cấu hình là Tag-Talks-First (TTF) hoặc Talks-First (ITF) Trong chế độ TTF, thiết bị truyền dữ liệu phản hồi nhanh của

Interrogator-nó (tối đa 160 bit) ngay khi được cấp năng lượng, sau đó chờ lệnh tiếptheo Trong chế độ ITF, thiết bị yêu cầu lệnh Interrogator trước khi gửi bất kỳ

dữ liệu nào Các bit điều khiển cho chế độ TTF và ITF là bit 30 và 31 trongKhối 0

Tất cả các lệnh đường xuống từ Bộ dò tín hiệu được mã hóa bằng cách sử dụngĐiều chế vị trí xung 1 trên 16 (PPM) và các xung khoảng cách theo thời gianđặc biệt Biên độ thông tin được mã hóa này điều chỉnh tín hiệu sóng mang RFcủa Bộ dò tín hiệu

Ở đầu bên kia, thiết bị MCRF451 giải điều chế tín hiệu RF nhận được và sau đógửi dữ liệu (từ bộ nhớ) ở tốc độ 70 Kbit/s trở lại Bộ dò tín hiệu ở định dạngManchester

Giao tiếp giữa Bộ dò tín hiệu và thiết bị diễn ra không đồng bộ Do đó, để tăngcường độ chính xác phát hiện của thiết bị, Bộ dò tín hiệu sẽ gửi tín hiệu thamchiếu thời gian (xung hiệu chỉnh thời gian) đến thiết bị, theo sau là dữ liệu lệnh

và chương trình Tín hiệu tham chiếu thời gian được sử dụng để hiệu chỉnh thờigian của bộ giải mã bên trong của thiết bị

Có các tùy chọn thiết bị cho tụ cộng hưởng bên trong giữa ăng ten A và VSS :

100 pF cho MCRF451

Mạch ngoài này, cùng với tụ cộng hưởng bên trong, phải được điều chỉnh theotần số sóng mang của Bộ dò tín hiệu để đạt hiệu suất tối đa

Khi một thẻ (thiết bị có mạch cộng hưởng LC bên ngoài) được đưa đến trường

RF của Bộ dò tín hiệu, nó sẽ phát ra điện áp RF trên toàn bộ mạch ngoài Thiết

bị chỉnh lưu điện áp RF và phát triển điện áp DC (VDD) Thiết bị sẽ hoạt độngngay khi VDD đạt đến mức điện áp hoạt động

Sau đó, thiết bị sẽ gửi dữ liệu được lưu trong bộ nhớ đến Bộ dò tín hiệu bằngcách bật / tắt bóng bán dẫn điều chế bên trong Transitor điều chế bên trong nàynằm giữa ăng ten B và VSS Transitor điều chế có điện trở bật rất nhỏ giữa cáccực Drain (ăng ten B) và Nguồn (VSS) trong thời gian bật

Khi bóng bán dẫn điều chế bật, thành phần mạch cộng hưởng giữa ăng ten B và

VSS, song song với bóng bán dẫn điều chế, bị chập do điện trở bật thấp Điềunày dẫn đến sự thay đổi giá trị LC của mạch Kết quả là, mạch không còn cộnghưởng ở tần số sóng mang của Bộ dò tín hiệu Do đó, điện áp trên toàn mạchđược giảm thiểu

Khi bóng bán dẫn điều chế tắt, mạch sẽ cộng hưởng ở tần số sóng mang của Bộ

dò tín hiệu và phát ra điện áp cực đại Điều kiện này được gọi là khônggiới hạn Do đó, dữ liệu được gửi đến Bộ dò tín hiệu bằng cách bật (che giấu) vàtắt (không gắn) bóng bán dẫn điều chế

Biên độ điện áp của tín hiệu sóng mang trên mạch cộng hưởng LC thay đổi tùythuộc vào biên độ của dữ liệu điều chế Đây được gọi là tín hiệu điều chếkhuếch đại Kênh thu trong Bộ dò tín hiệu phát hiện tín hiệu điều chế biên độnày và tái tạo lại dữ liệu điều chế để giải mã

Thiết bị này bao gồm một thuật toán chống va chạm độc đáo để được đọc hoặcviết hiệu quả trong nhiều môi trường thẻ Để giảm thiểu xung đột dữ liệu, thuậttoán sử dụng ghép kênh phân chia thời gian của phản ứng thiết bị Mỗi thiết bị

có thể giao tiếp với Bộ dò tín hiệu trong một khoảng thời gian khác nhau Cácthiết bị trong trường RF của Bộ dò tín hiệu vẫn ở trạng thái không điều chế nếuchúng không nằm trong khe thời gian nhất định Điều này cho phép Bộ dò tínhiệu liên lạc với nhiều thiết bị cùng một lúc mà không bị xung đột dữ liệu Đểtăng cường tính toàn vẹn dữ liệu cho văn bản, thiết bị bao gồm tính năng chống

xé Tính năng chống xé này cung cấp xác minh tính toàn vẹn dữ liệu cho cácchu kỳ ghi không hoàn chỉnh do giao tiếp không thành công giữa Bộ dò tín hiệu

và thiết bị trong các trình tự ghi

1.1

Thiết bị liên lạc với thiết bị dò tìm

Thiết bị có thể được vận hành ở chế độ Yêu cầu đọc nhanh (FRR) hoặc Bỏ quađọc nhanh (FRB), tùy thuộc vào trạng thái của bit 31 (FR: bit) của Khối 0 Nếubit FR được đặt, thiết bị được vận hành trong Chế độ FRR và chế độ FRB, nếubit FR bị xóa Bit FR luôn có thể lập trình lại và không thể ghi được Chế độFRR là một cài đặt mặc định Giao tiếp giữa Bộ dò tín hiệu và thẻ bắt đầu bằnglệnh FRR hoặc FRB

Trong chế độ FRR, thiết bị chỉ gửi phản hồi khi nhận được lệnh FRR chứ khôngphải lệnh FRB

Ngược lại, thiết bị ở chế độ FRB sẽ gửi phản hồi khi chỉ nhận lệnh FRB, khôngphải lệnh FRR.

Nếu thiết bị được đặt ở chế độ FRR và cũng được đặt thành chế độ TTF (TF bit

= set), thiết bị có thể gửi phản hồi FRR ngay khi được cấp năng lượng

Một trong những mục đích chính của việc sử dụng hai chế độ khác nhau (FRR

và FRB) là sử dụng hiệu quả thiết bị trong ứng dụng chuỗi cung ứng cấp vậtphẩm, trong đó cần có một nhận dạng nhanh và quá trình đọc / ghi chống vachạm hiệu quả (nghĩa là để xác định xem đó là một mặt hàng phải trả tiền haychưa thanh toán, hoặc liệu nó có vượt qua một điểm quan tâm cụ thể haykhông) Điều này có thể được thực hiện bằng cách kiểm tra trạng thái của bit FRhoặc bằng cách kiểm tra phản hồi của thẻ với lệnh Vì lý do này, bit FR cònđược gọi là bit Giám sát bài viết điện tử (EAS)

1.1.1 Hoạt động của tag trong chế độ FRR

Nếu thiết bị ở chế độ FRR (FR bit = set), giao tiếp giữa Bộ dò tín hiệu và thiết

bị có thể bắt đầu theo hai cách, tùy thuộc vào trạng thái của TF (Bit 30 của Khối0) Nếu bit TF bị xóa, nó được gọi là chế độ ITF Trong trường hợp này, thẻchờ lệnh FRR của Interrogator và gửi dữ liệu phản hồi FRR khi thấy lệnhFRR Nếu bit TF được đặt, thiết bị ở chế độ TTF Trong trường hợp này, thẻ gửiphản hồi FRR ngay khi được cấp năng lượng, ngay cả khi không có lệnhFRR Thẻ có cửa sổ nghe ngắn (1 ms) ngay sau phản hồi FRR Bộ dò tín hiệugửi lệnh tiếp theo của nó trong cửa sổ nghe này

Phản hồi FRR bao gồm 32 bit ID thẻ và FRF (Khối 3 -5) Bộ dò tín hiệu xácđịnh thẻ nào trong trường bằng cách nhận phản hồi FRR của chúng

Dựa trên phản hồi FRR, Bộ dò tín hiệu sẽ gửi Mã khớp 1 (MC1) hoặc Mãkhớp 2 (MC2) trong cửa sổ lắng nghe của thẻ Tag Interroga-tor gửi MC1 đểđặt thẻ vào chế độ Ngủ Các thẻ trong chế độ Ngủ không bao giờ trả lời bất kỳlệnh nào Loại bỏ năng lượng RF của Bộ dò tín hiệu khỏi thiết bị là cách duynhất để đánh thức thiết bị

Nếu thẻ cần xử lý đọc / ghi thêm, Bộ dò tín hiệu sẽ gửi MC2, theo sau là lệnhĐọc hoặc Ghi Sau khi hoàn thành việc đọc hoặc ghi dữ liệu khối, Bộ dò tínhiệu sẽ gửi lệnh Kết thúc để đưa thẻ vào chế độ Ngủ

Việc đọc và viết của các thiết bị FRR diễn ra ở chế độ Chống va chạm Chẳnghạn, nếu có nhiều thẻ trong trường, Bộ dò tín hiệu chọn một thẻ tại một thờiđiểm bằng cách kiểm soát khe thời gian của thẻ Thẻ cho phản hồi FRR Bộ dòtín hiệu lặp lại trình tự này cho đến khi tất cả các thẻ trong trường của nó được

xử lý:

- gửi lệnh FRR

- nhận phản hồi FRR

- gửi Mã kết hợp 1 hoặc 2 tại cửa sổ danh sách Thẻ s

- gửi lệnh Đọc khối / hoặc gửi lệnh Ghi dữ liệu và dữ liệu

- xác minh phản hồi đọc / ghi

- gửi lệnh kết thúc

- xác minh phản hồi lệnh End

- tìm kiếm các phản hồi FRR của thẻ khác

1.1.2 Hoạt động của tag trong chế độ FRB

Giao tiếp với thiết bị ở chế độ FRB chỉ được bắt đầu bằng lệnh FRB Nếu thiết

bị nhìn thấy lệnh FRB của Bộ dò tín hiệu , nó sẽ gửi ID thẻ 32 bit của nó vàchờ MC2 Tiếp theo là lệnh Đọc hoặc Viết Khi thiết bị được đọc hoặc ghi, Bộ

dò tín hiệu sẽ gửi lệnh Kết thúc Không giống như chế độ FRR, việc đọc vàghi thẻ được xử lý ở chế độ không chống va chạm

Tối thiểu

Tối đa

Các đơn

Dòng cuộn dây từ đỉnh đến đỉnh

-Nhiệt độ môi trường xung

quanh với nguồn điện được áp

-Lưu ý: Các ứng suất trên các mức được liệt kê trong xếp hạng Tối đa của ED có

thể gây hư hỏng vĩnh viễn cho thiết bị Đây chỉ là một đánh giá căng thẳng

và hoạt động chức năng của thiết bị ở những điều kiện hoặc bất kỳ điều kiệnnào khác trên những điều kiện được nêu trong danh sách hoạt động củathông số kỹ thuật này không được ngụ ý Việc tiếp xúc với các điều kiệnxếp hạng tối đa trong thời gian dài có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của thiết

Chế độ bình

thường

Hoạt động hiện tại

V DD = 2,8V trong khi đọc ở 25 ° C

Thiết bị đầu cuối cống và nguồn của

bóng bán dẫn điều chế ở

V DD = 2,8V

Chế độ nhanh, 70 kHz ± 17%

Thời lượng biểu

tượng của 1 trong

trong khi đọc

mạch hạn chế trở nên hoạt động

Thời gian

viết

Thời gian giải mã

biểu tượng và khởi động của thiết bị

phản ứng

Thời lượng lệnh

175 μ vị trí s / x 9 xung xung

FRB)

13,56 MHz và ở 25 ° C (MCRF451)

13,56 MHz và ở 25 ° C (MCRF452)

Tụ điện

13,56 MHz và ở 25 ° C (MCRF455)

Lưu ý 1: Đã thử nghiệm trong sản xuất tại V DD = 2,8 V DC và 5,0

V DC

BẢNG 2-4 PAD COORDINATE (MICRONS)

giấy

Tập giấy Tên đệm

Còn lại X

Còn

Chiều rộng pad

Chiều cao pad

Lưu ý 1: Tất cả các tọa độ được tham chiếu từ tâm của khuôn

BẢNG 2-5 DIE MECHANICAL DIMENSIONS

Thông số kỹ thuật

Tối

Tối

-Mil

µm Lưu ý 1 , Lưu ý 2

-Độ dày backgrind 7,5 số 8 8,5 Mil Cưa 8 wafer trên khung

• wafer chưa được chỉnh sµmửa (tùy chọn = W)

• 8 cú va chạm bất ngờ wafer (tùy chọn = WB), (Lưu ý 3)

Lưu ý 1: Kích thước miếng đệm trái phiếu là kích thước của việc mở thụ động Kim

loại chồng lên sự thụ động của miếng đệm liên kết ít nhất 0,1 triệu 2: Thành phần pad kim loại là 98,5% nhôm với 1% Si và 0,5% Cu

3: Khi độ dày khuôn giảm, độ nhạy cảm với vết nứt tăng Chúng tôi đề nghị rằng khuôn phải dày như ứng dụng sẽ cho phép

4: Các thụ động dày Die (1,3 μ m) có thể khác nhau tùy theo thiết

bị tùy thuộc vào mặt nạ bộ sử dụng Sự thụ động được hình thành bởi:

- Lớp 1: Oxit (oxit không pha tạp)

- Lớp 2: PSG (oxit pha tạp)

- Lớp 3: Oxynitride (lớp trên cùng) 5: Tỷ lệ chuyển đổi là 25,4 μ m / triệu

Lưu ý: Cần hết sức cẩn thận trong việc xử lý và lắp ráp các sản phẩm chết vì

chúng dễ bị hư hỏng cơ học và tĩnh điện

BẢNG 2-6: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Ghi chú: Phối hợp các đơn vị trong μ m

0,089 mm x 0,089 mm

HÌNH 2-3: CẤU HÌNH CIRCUIT NGOẠI TẤT CHO MCRF451

NỘI DUNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU

CÁCH THỨC LÀM:

- Dùng 1 cảm biến MCRF4521 loại gói PDIP(“P”)

- Dùng mạch khuếch đại không đảo 1 tầng LM358N

- Dùng 1 microchip pic18f4520

- Dùng một màn hình LCD 20x2

- Dùng một volt kế để đo điện áp so sánh (chân AN2 &AN3) cho ADC

- Dùng 1 volt kế đo điện áp Vin từ cảm biến MCRF4521

- Các điện trở và biến trở như hình dưới

HỆ SỐ KHẾCH ĐẠI:

(lần)

NỘI DUNG 4: KẾT NỐI VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

THIẾT LẬP HỆ THỐNG:

- Giả sử hệ thống muốn thiết lập để tìm ti vi, điều hòa, quạt gió, tủ lạnh

có xung quanh không nhờ bằng thiết bị RFID sử dụng tần số radio để

dò Do trong Proteus không có con chip MCRF4521 nên chúng em môphỏng thay thế bằng một biến trở, với mỗi giá trị điện áp vào cụ thể thìLCD sẽ báo là thiết bị có trong phạm vi và mã vạch nó như thế nào

- Chúng em đã giả định rằng với:

+ Vin=1,67V (Vout=1,67x2) tương đương với tần số thiết bị đọcđược từ thẻ RFID với mã vạch là 1100001111(ADC=760), giả thiết đó

là mã vạch của một cái ti vi

+ Vin=1,72V (Vout=1,72x2) tương đương với tần số thiết bị đọcđược từ thẻ RFID với mã vạch là 1100001111(ADC=783), giả thiết đó

là mã vạch của một cái điều hòa

+ Vin=1,12V(Vout=1,12x2) tương đương với tần số thiết bị đọcđược từ thẻ RFID với mã vạch là 0111111111(ADC=511), giả thiết đó

là mã vạch của một cái quạt gió

+ Vin=1,07V (Vout=1,07x2) tương đương với tần số thiết bị đọcđược từ thẻ RFID với mã vạch là 0111101000(ADC=488), giả thiết đó

là mã vạch của một cái tủ lạnh

- Với điện áp so sánh được đặt bên ngoài là 4,5V qua chân AN2 vàAN3 Với điện áp so sánh VREF- chân AN2=0V