Hệ thống RF ID song công và bán song công

2.3 Phân loại và nguyên lý hoạt động của RFID

2.3.2 Phân loại theo phương thức truyền dữ liệu giữa thẻ và đầu đọc

2.3.2.2 Hệ thống RF ID song công và bán song công

2.3.2.2.1.1 Nguồn cung cấp cho thẻ

Hình 2. 14 Hệ thống RFIDghép điện cảm [2]

Một thẻ ghép điện cảm bao gồm một thiết bị điện tử mang dữ liệu (thông thường là một chíp đơn) và một cuộn dây có diện tích lớn có chức năng như một ăng ten. Thẻ ghép điện cảm hầu như là các thẻ thụ động. Điều này có nghĩa là tất cả năng lượng cần cho hoạt động của vi chíp trên thẻ phải được cung cấp bởi đầu đọc (hình 2.14). Với mục

44

đích đó, cuộn dây ăng ten đầu đọc phải phát ra một trường điện từ ở tần số cao và cường độ lớn, trường này sẽ xuyên qua mặt cắt ngang của cuộn dây ăng ten đầu đọc và môi trường xung quanh. Bởi vì bước sóng của dải tần số được sử dụng (<135 kHz: 2400 m, 13.56 MHz: 22.1m) lớn hơn vài lần so với khoảng cách giữa ăng ten đầu đọc và thẻ, trường điện từ được tạo ra bởi đầu đọc đươc xem như là một trường biến thiên đơn thuần theo khoảng cách giữa đầu đọc và thẻ.

Một phần nhỏ trường được phát ra xuyên vào cuộn dây ăng ten của thẻ được đặt ở một khoảng cách nào đó so với đầu đọc. Một điện áp cảm ứng URiR được tạo ra trên cuộn dây ăng ten thẻ. Điện áp này được chỉnh lưu và sau đó được sử dụng như là nguồn cung cấp cho vi chíp trên thẻ. Một tụ CRrRđược nối song song với cuộn dây ăng ten đầu đọc, giá trị điện dung của tụ này được chọn sao cho nó cùng với điện cảm của cuộn dây ăng ten tạo thành một mạch cộng hưởng song song tại tần số phát của đầu đọc. Dòng điện lớn được tạo ra trong cuộn dây ăng ten đầu đọc do hiện tượng cộng hưởng của mạch cộng hưởng song song. Dòng điện này được cung cấp cho thẻ hoạt động.

Cuộn ăng ten của thẻ cùng với tụ điện CR1R tạo thành một mạch cộng hưởng song song để dò sóng phát ra từ đầu đọc. Khi đặt thẻ trong vùng đọc của một đầu đọc thích hợp, điện áp trên cuộn dây ăng ten thẻ sẽ đạt cực đại do sự cộng hưởng xảy ra trong mạch cộng hưởng song song đó.

Hình 2. 15 Các thiết kế khác nhau của thẻ ghép điện cảm [2]

45

Bố trí của hai cuộn dây có thể được xem giống như một máy biến áp (ghép biến áp), trong trường hợp này chỉ có một ghép nối rất yếu giữa hai cuộn dây (hình 2.15). Hiệu suất truyền năng lượng giữa ăng ten đầu đọc và thẻ tỷ lệ với tần số hoạt động f, số vòng dây n của cuộn dây, diện tích của cuộn dây ăng ten thẻ, góc tương đối giữa hai cuộn dây ăng ten (của đầu đọc và của thẻ) và khoảng cách giữa hai cuộn dây.

Khi tần số tăng, cảm kháng của cuộn dây tăng và như vậy để giảm cám kháng thì phải giảm số vòng dây từ đó có thể thu nhỏ được kích thước của thẻ. Bởi vì điện áp cảm ứng trên thẻ tỉ lệ với tần số hoạt động nên việc giảm số vòng dây của cuộn ăng ten ảnh hưởng không lớn đến hiệu suất truyền năng lượng giữa đầu đọc và thẻ. Hình 2.16 thể hiện một đầu đọc trong hệ thống RFID ghép điện cảm.

Hình 2. 16 Đầu đọc RFID ghép điện cảm hoạt động ở tần số < 135KHz [2]

2.3.2.2.1.2 Truyền dữ liệu từ thẻ đến đầu đọc 2.3.2.2.1.2.1 Điều chế tải (Load modulation)

Như đã mô tả ở trên, hệ thống ghép điện cảm dựa trên kiểu ghép nối của cuôn dây máy biến áp, giữa một cuộn sơ cấp trong đầu đọc và một cuộn thứ cấp trong thẻ. Điều này đúng khi khoảng cách từ thẻ đến đầu đọc không vượt quá 0.16 λ, như vậy thẻ phải được đặt trong trường gần của ăng ten đầu đọc.

46

Nếu một thẻ cộng hưởng (tức là thẻ có tần số cộng hưởng tương ứng với tần số phát của đầu đọc) được đặt trong từ trường biến thiên của ăng ten đầu đọc, thẻ sẽ nhận năng lượng từ trường gần. Kết quả tác động trở lại của thẻ lên đầu đọc có thể được thể hiện dưới tham số trở kháng chuyển đổi ZRT R(từ thứ cấp sang sơ cấp) trong cuộn dây ăng ten của đầu đọc. Như vậy, việc tắt hay bật một điện trở tải ở ăng ten thẻ sẽ gây ra một thay đổi của trở kháng ZRTR, và do đó điện áp sẽ thay đổi tại ăng ten đầu đọc. Điều này có thể dẫn đến điện áp URLRtrên ăng ten đầu đọc có thể được điều chế bởi thẻ. Nếu việc tắt bật điện trở tải trên thẻ được điều khiển bởi dữ liệu thì dữ liệu đó có thể được truyền từ thẻ đến đầu đọc. Kiểu truyền dữ liệu này được gọi là điều chế tải (Load modulation).

Để thu lại được dữ liệu tại đầu đọc, tín hiệu điện áp tại ăng ten đầu đọc được tách sóng (chỉnh lưu).

Hình 2. 17 Hệ thống RFID truyền dữ liệu bằng phương pháp điều chế tải[2]

2.3.2.2.1.2.2 Điều chế tải với sóng mang phụ

Do sự ghép nối yếu giữa ăng ten đầu đọc và ăng ten thẻ, sự thay đổi của điện áp trên ăng ten thẻ (thể hiện tín hiệu hữu ích) nhỏ hơn điện áp ra của đầu đọc. Trong thực tế, với hệ thống 13.56MHz, điện áp tại ăng ten đầu đọc là 100V thì tín hiệu hữu ích cũng khoảng 10mV, như vậy tỷ lệ tin hiệu/ nhiễu là -80dB. Bởi vì việc phát hiện sự thay đổi điện áp nhỏ yêu cầu độ phức tạp của mạch đầu thu cao, điều chế dải biên (modulation sideband) được tạo ra từ điều chế biên độ được sử dụng (hình 2.17).

47

Hình 2. 18 Phổ tần của tín hiệu điều chế tải với sóng mang phụ [2]

Nếu điện trở tải trong thẻ được bật/tắt với tần số cao fRSR thì sẽ tạo ra hai vạch phổ cách tần số trung tâm phát ra bởi đầu đọc (fRReader R > fRSR) một khoảng ±fRSRvà dễ dàng được phát hiện (trong thuật ngữ vô tuyến điện tử thì tần số fRSRđược gọi là sóng mang phụ). Hai biên tần này có thể được tách ra từ tín hiệu mạnh hơn rất nhiều của đầu đọc (được xem là nhiễu với tín hiệu hữu ích đang xét) nhờ một bộ lọc thông dải (BP-bandbass) trên một trong hai dải tần fRreaderR±fRSR. Ngày khi tín hiệu sau khi lọc được khuếch đại nó sẽ được giải điều chế rất dễ dàng.

Bởi vì trong điều chế tải với sóng mang phụ yêu cầu băng thông lớn nên phương pháp này chỉ được sử dụng trong dải ISM ở một số tần số như 6.78 MHz, 13.56MHz và 27.125MHz.

2.3.2.2.2 Ghép điện từ tán xạ ngược (backscatter) 2.3.2.2.2.1 Nguồn cấp cho thẻ

Hệ thống RFID trong đó khoảng cách giữa đầu đọc và thẻ lớn hơn 1m được gọi là hệ thống phạm vi xa (long-range system). Những hệ thống này hoạt động ở tần số UHF 868MHz (ở châu âu) và 915MHz (ở Mỹ), và tại dải tần viba 2.5GHz và 5.8GHz. Sóng ngắn trong các dải tần này thích hợp cho việc tạo ăng ten với kích thước nhỏ và hiệu suất lớn hơn nhiều so với dải tần dưới 30MHz.

48

Để có thể khảo sát phương thức truyền năng lượng giữa đầu đọc và thẻ đầu tiên ta tính tổn hao trong không gian tự do liên hệ với khoảng các r giữu đầu đọc và thẻ, độ lợi (gain) của ăng ten thẻ (GRTR) và ăng ten đầu đọc (GRRR) và tần số hoạt động của hệ thống

αRFR= -147.6 + 20log(r) + 20log(f) -10log(GRTR) – 10log(GRRR)

Trong trường hợp đang xét, tổn hao trong không gian tự do là số đo quan hệ giữa công suất phát ra từ đầu đọc và công suất thu được tại thẻ. Ngày nay, sử dụng công nghệ bán dẫn công suất thấp, vi chíp của thẻ có thể được tạo ra với công suất tiêu thụ nhỏ hơn 5àW. Mạch tỏch súng tớch hợp cú hiệu suất từ 5-25% trong dải UHF và viba. Giả sử hiệu suất của mạch này là 10%, như vậy để thẻ hoạt động thì yêu cầu công suất nhận được ở thẻ là 50àW. Điều này cú nghĩa là nếu cụng suất bức xạ đẳng hướng phỏt ở đầu đọc là 0.5W thì để đảm bảo cho thẻ hoạt động, tổn hao trong không gian tự do giữa đầu đọc và thẻ không được vượt quá 40dB. Như vậy, với giả thiết trên, một hệ thống hoạt động ở 868MHz có bán kính vùng đọc không quá 3m, với hệ thống hoạt động tại 2.5GHz thì khoảng cách đó là nhỏ hơn 1m.

Để đạt được phạm vi đọc lớn hơn 15m hay có thể sử dụng các vi chíp với mức tiêu thụ công suất lớn hơn, thẻ trong hệ thống RFID tán xạ ngược có thể có một nguồn pin dự phòng cho vi chíp trên thẻ (hình 3.20). Để ngăn chặn việc pin phải chịu tải không cần thiết, vi chíp thường có chế độ tiết kiệm năng lượng là “power down” hoặc “stand-by”.

Nếu thẻ di chuyển ra khỏi vùng đọc, nó sẽ tự động chuyển sang trạng thái tiết kiệm năng lượng. Trong trạng thỏi này, dũng tiờu thụ chỉ vài àA. Thẻ sẽ khụng được kớch hoạt lại cho đến khi nó đi vào vùng đọc của đầu đọc và nhận được một tín hiệu đủ mạnh, khi đó thẻ được đánh thức và chuyển sang chế độ hoạt động bình thường. Tuy nhiên, pin của loại thẻ này (thẻ bán thụ động) không bao giờ được cấp cho quá trình truyền dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ, mà chỉ dùng riêng để cấp nguồn cho vi chíp trên thẻ. Dữ liệu được truyền giữa đầu đọc và thẻ chỉ dựa vào năng lượng của trường điện từ phát ra từ đầu đọc.

49

Hình 2. 19 Thẻ RFID tán xạ ngược có pin cấp nguồn cho vi chíp[2]

2.3.2.2.2.2 Truyền dữ liệu từ thẻ tới đầu đọc

2.3.2.2.2.2.1 Điều chế phản xạ mặt cắt (Modulated reflection cross-section)

Chúng ta đã biết từ lĩnh vực kỹ thuật Ra-đa rằng sóng điện từ sẽ bị phản xạ khi nó bị chặn bởi một đối tượng cú kớch thước lớn hơn ẵ bước súng. Diện tớch hiệu dụng mà cùng với nó đối tượng gây ra sự phản sạ sóng điện từ được gọi là mặt cắt phản xạ của đối tượng (reflection cross-section). Những đối tượng có khả năng cộng hưởng với sóng đập vào chúng, chẳng hạn như ăng ten hoạt động tại tần số thích hợp với tần số của trường bức xạ, sẽ có mặt cắt phản xạ đặc biệt lớn.

Công suất PR1R được phát ra từ ăng ten đầu đọc, chỉ một phần nhỏ của nó (do suy hao trong không gian tự do) đến đươc thẻ (hình 2.20). Công suất PR1R’ mà thẻ nhận được sẽ được chỉnh lưu bởi các đi-ốt D1 và D2. Điện áp sau chỉnh lưu có thể được sử dụng để kích hoạt các trạng thái của thẻ (trạng thái tiết kiệm năng lượng hay trạng thái hoạt động bình thường). Đi-ốt được sử dụng ở đây là đi-ốt schottky bởi nó có điện áp ngưỡng rất thấp. Điện áp này cũng só thể được dùng để cấp nguồn cho thẻ.

Một phần công suất PR1R’ bị phản xạ bởi ăng ten thẻ và quay trở lại đầu đọc (công suất PR2R). Đặc tính phản xạ của ăng ten (= mặt cắt phản xạ) của ăng ten thẻ có thể được thay đổi bằng cách thay đổi trở kháng tải nối vào ăng ten. Để dữ liệu được truyền từ thẻ đến đầu đọc, một điện trở tải RRLRnối song song với ăng ten phải được bật / tắt tương tứng với luồng dữ liệu được phát đi. Biên độ của công suất phản xạ PR2R như vậy có thể được điều chế (điều chế tán xạ ngược).

Công suất PR2Rphản xạ từ thẻ được bức xạ vào không gian tự do. Chỉ một phần nhỏ công suất này thu được ở ăng ten đầu đọc (do suy hao trong không gian tự do). Tỷ số của

50

công suất phát bởi đầu đọc và công suất phản xạ nhận được ở đầu đọc (PR1R/PR2R) có thể được ước lượng nhờ sử dụng phương trình ra-đa.

Hình 2. 20 Nguyên lý hoạt động của thẻ RFID tán xạ ngược [2]

2.3.2.2.3 Hệ thống RFID ghép gần (Close coupling) 2.3.2.2.3.1 Nguồn cấp cho thẻ

Hệ thống ghép gần được thiết kế cho phạm vihoạt động từ 0.1 cm đến tối đa 1cm.

Thẻ muốn hoạt động phải được cho vào trong (hoặc đặt trên) đầu đọc. Việc này làm cho cuộn dây của thẻ được đặt đúng vị trí vào khe hở của một lõi hình nhẫn hay hình chữ U trên đầu đọc. Sắp xếp của cuộn dây trên đầu đọc và cuộn dây trên thẻ tương ứng như trong cuộn biến áp (hình 2.21), trong đó cuộn dây đầu đọc đóng vài trò như cuộn sơ cấp còn cuộn dây thẻ là cuộn thứ cấp. Một dòng điện biến thiên với tần số cao trong cuộn sơ cấp sẽ tạo ra một trường biến thiên với tần số cao trong lõi và khe hở không khí của lõi.

Trường này xuyên qua cuộn dây của thẻ và tạo ra một điện áp cảm ứng trên cuộn dây.

Điện áp này được chỉnh lưu để cung cấp nguồn cho vi chíp trên thẻ.

51

Hình 2. 21 Đầu đọc và thẻ trong hệ thống ghép gần[2]

Bởi vì điện áp cảm ứng U trên thẻ tỷ lệ với tần số f của dòng điện kích thích, như vậy tần số được lựa chọn để truyền công suất giữa đầu đọc và thẻ càng cao càng tốt.

Trong thưc tế, tần số trong khoảng 1-10 MHz được sử dụng. Để giữ cho tổn hao trong lõi ở mức thấp chất fe-rit (chất liệu rất thích hợp cho dảitần số này) được chọn làm lõi.

Bởi vì, trái ngược với hệ thống ghép cảm kháng và hệ thống sử dụng sóng viba, hiệu suất truyền năng lượng từ đầu đọc tới thẻ rất tốt, hệ thống ghép gầnrất thích hợp cho hoạt động của vi chíp có dòng tiêu thụ lớn (như vi xử lý, công suất tiêu tụ lên tới 10mW…).

2.3.2.2.3.2 Dữ liệu truyền từ đầu đọc tới thẻ 2.3.2.2.3.2.1 Ghép từ trường

Điều chế tải với sóng mang phụ cũng được sử dụng cho truyền dữ liệu qua ghép từ trường từ thẻ đến đầu đọc trong hệ thống ghép gần.

2.3.2.2.3.2.2 Ghép điện dung

Hình 2. 22 Ghép điện dung giữa đầu đọc và thẻ trong hệ thống ghép gần[2]

52

Do khoảng cách ngắn giữa đầu đọc và thẻ, hệ thống ghép gầncũng có thể sử dụng phương pháp ghép điện dung để truyền dữ liệu. Các tụ điện dạng đĩa được tạo thành từ các mặt ghép (tấm kim loại) được cách ly với nhau, các mặt ghép kim loại này được bố trí trên thẻ và đầu đọc sao cho khi thẻ đặt vào đầu đọc thì chúng (mặt ghép kim loại trên đầu đọc và thẻ) sẽ song song với nhau (hình 2.22).

2.3.2.3 Hệ thống RFID tuần tự

Nếu việc truyền dữ liệu và năng lượng giữa đầu đọc và thẻ được thực hiện xen kẽ với việc truyền dữ liệu từ thẻ lên đầu đọc, thì hệ thống RFID đó được gọi là hệ thống tuần tự.

2.3.2.3.1 Hệ thống RFID tuần tự ghép điện cảm 2.3.2.3.1.1 Nguồn cung cấp cho thẻ

Hệ thống tuần tự sử dụng phương pháp ghép điện cảm hoạt động ở tần số 135KHz. Một ghép nối kiểu cuộn biến áp được tạo ra giữa cuộn dây đầu đọc và cuộn dây của thẻ. Điện áp cảm ứng được tạo ra trên cuộn dây thẻ do tác động của trường biến thiên phát ra từ đầu đọc được chỉnh lưu và được dùng để cấp nguồn cho thẻ.

Không giống như hệ thống song công hay bán song công, trong hệ thống tuần tự bộ phát của đầu đọc không hoạt động liên tục. Năng lượng thu được tại thẻ trong quá trình phát của đầu đọc được dùng để nạp điện cho tụ dự trữ năng lượng trên thẻ (charging capacitor). Vi chíp trên thẻ chuyển sang trạng thái tiết kiệm năng lượng (power down hay stand-by) trong suốt quá trình nạp điện cho tụ (cũng là quá trình phát của đầu đọc), như vậy hầu như toàn bộ năng lượng thu được, được dùng để nạp điện cho tụ. Sau một thời gian nạp điện cố định cho tụ, đầu đọc sẽ ngừng phát.

Năng lượng được lưu trữ trong tụ trên thẻ bây giờ được dùng để gửi lại phản hồi từ thẻ lên đầu đọc. Giá trị điện dung nhỏ nhất của tụ điện này có thể được tính từ điện áp tối thiểu để chíp hoạt động và dòng tiêu thụ của chíp.

53

Trong đó, VRmaxR, VRminR là các giá trị điện áp giới hạn không thể vượt quá, I là dòng tiêu thụ của chíp và t là thời gian cần thiết để truyền dữ liệu từ thẻ lên đầu đọc. Ví dụ, với các tham số I = 5μA, t = 20 ms, VRmaxR = 4.5V và VRminR = 3.5V thì giá trị của tụ lưu điện trên thẻ là C=100nF.

2.3.2.3.1.2 Truyền dữ liệu từ thẻ tới đầu đọc

Trong hệ thống tuần tự (hình 2.23), một chu kỳ truyền dữ liệu bao gồm hai pha:

pha nạp điện cho tụ tích điện (trên thẻ) và pha thu dữ liệu phát ra từ thẻ (hình 2.24).

Kết thúc pha nạp điện cho tụ được phát hiện nhờ một bộ phát hiện kết thúc nạp điện (end of burst detector), thiết bị này sẽ quan sát chiều của dòng điện đi qua tụ lưu điện và từ đó phát hiện ra thời điểm đầu đọc ngừng phát (khi đó tụ ngừng nạp điện và chuyển sang phóng điện – dòng điện qua tụ đổi chiều). Tại cuối pha nạp điện, một bộ dao động tích hợp trong chíp của thẻ được kích hoạt. Bộ dao động này là một mạch cộng hưởng sử dụng cuộn cảm của thẻ để xác định tần số dao động. Tín hiệu HF tạo ra từ bộ dao động này được phát ra môi trường nhờ cuộn cảm của thẻ, và như vậy đầu đọc có thể thu được. Để có thể điều chế được tín hiệu phát ra mà không cần dùng nguồn cung cấp, một tụ điều chế được thêm vào. Tụ này sẽ được nối song song vào mạch cộng hưởng hoặc được hở mạch phụ thuộc vào dữ liệu phát ra (được điều khiển bởi luồng dữ liệu phát ra). Như vậy, tần số dao động của mạch cộng hưởng và do đó tần sô phát sẽ được thay đổi theo dữ liệu phát - tín hiệu được điều chế 2FSK.

Sau khi tất cả dữ liệu được phát, tụ tích điện sẽ được phóng hết điện để chuẩn bị cho quá trình truyền dữ liệu tiếp theo.