آموزش ساخت ماژول RFID

تگ‌های RFID با فرکانس ۱۲۵ کیلوهرتز عموماً بر پایه آی‌سی‌های EM4200 و EM4305 طراحی و تولید می‌شوند. این آی‌سی‌ها در دو گروه اصلی «فقط‌خواندنی (Read Only)  » و «خواندنی/نوشتنی (Read/Write) » طبقه‌بندی می‌شوند.

در این نوشتار، تمرکز ما بر بررسی شیوه عملکرد و نحوه پردازش داده در تگ‌های نوع «فقط‌خواندنی» خواهد بود.

EM4200

ساختار داخلی یک تگ ۱۲۵ کیلوهرتزی، در ساده‌ترین حالت، از یک آی‌سی ترانسپاندر RF، یک سلف و یک خازن متصل به‌صورت موازی تشکیل شده است. این ترکیب، یک مدار تشدیدکننده (رزونانسی) را پدید می‌آورد که در حضور میدان الکترومغناطیسی فعال می‌شود.

تگ با قرارگرفتن در میدان الکترومغناطیسی تولیدشده توسط ریدر، از طریق سلف خود انرژی لازم را دریافت می‌کند. این انرژی، علاوه بر تأمین توان موردنیاز آی‌سی، سیگنال کلاک لازم برای پردازش و ارسال داده را نیز فراهم می‌سازد.

باتوجه‌به مصرف توان بسیار پایین آی‌سی EM4200، این تگ‌ها نیازی به مدارهای جانبی پیچیده یا خازن‌های ذخیره‌کننده انرژی اضافی ندارند و ساختار آن‌ها به شکلی ساده و بهینه طراحی شده است.

در ترمینال ورودی آی‌سی، خازنی با ظرفیت ۷۴ پیکوفاراد تعبیه شده است که در کنار سلف مدار، یک شبکه تشدیدکننده LC را شکل می‌دهد. این ترکیب به‌گونه‌ای طراحی شده که مدار، دقیقاً در فرکانس ۱۲۵ کیلوهرتز به حالت رزونانس برسد.

با بررسی دیاگرام داخلی آی‌سی EM4200 می‌توان درک دقیق‌تری از سازوکار عملکرد آن به دست آورد.

این آی‌سی زمانی فعال می‌شود که در معرض میدان الکترومغناطیسی با شدت کافی و فرکانس مناسب قرار گیرد. پس از دریافت سیگنال متناوب (AC) از سیم‌پیچ یا همان سلف، سیگنال ورودی به یک مدار یکسوساز داخلی هدایت می‌شود. این یکسوساز ساده، ولتاژ متناوب القاشده را به ولتاژ مستقیم (DC) تبدیل می‌کند و از این طریق، توان الکتریکی موردنیاز برای راه‌اندازی و تغذیه تمامی بخش‌های داخلی تراشه را فراهم می‌سازد.

واحد Memory Array شامل ۶۴ بیت داده است که در مرحله تولید، به‌صورت دائمی بر روی آی‌سی برنامه‌ریزی می‌شود و پس از آن قابلیت تغییر ندارد. این داده‌ها شناسه یکتای تگ را تشکیل می‌دهند.

بیت‌های ذخیره‌شده، تحت کنترل واحد Sequencer، به‌صورت مرحله‌به‌مرحله سازمان‌دهی و برای ارسال در میدان الکترومغناطیسی آماده می‌شوند. در واقع،Sequencer  جریان منظم خروج داده را مدیریت می‌کند و ترتیب ارسال بیت‌ها را تعیین می‌نماید.

علاوه بر این، واحد Sequencer مشخص می‌کند که داده‌ها با کدام روش کدگذاری ارسال شوند؛ روش‌هایی همچون PSK،Biphase  یا Manchester که هر یک شیوه خاصی برای نمایش منطقی صفر و یک در سیگنال خروجی دارند.

واحد Data Modulator بر اساس داده‌ای که از بخش پیشین دریافت می‌کند، میزان جریان القایی عبوری از سیم‌پیچ را کاهش یا افزایش می‌دهد. این تغییرات کنترل‌شده در جریان، موجب تغییر در شدت میدان بازتابی منتشرشده در محیط می‌شود.

به بیان دیگر، تگ با اعمال این تغییرات بسیار ظریف در جریان سیم‌پیچ، اطلاعات خود را از طریق میدان الکترومغناطیسی به ریدر منتقل می‌کند؛ روشی که به آن «مدولاسیون بار» (Load Modulation) گفته می‌شود.

در نهایت می‌توان چنین جمع‌بندی کرد که تگ، داده‌های خود را از طریق مدولاسیون دامنه (AM) بر روی فرکانس ۱۲۵ کیلوهرتز ارسال می‌کند. بدین معنا که تغییرات اطلاعاتی، به‌صورت تغییر در دامنه سیگنال حامل ظاهر می‌شوند و توسط ریدر قابل آشکارسازی هستند.

براین‌اساس، برای دریافت و بازیابی داده‌های ذخیره‌شده روی تگ، مراحل زیر باید طی شود:

• تولید یک سیگنال سینوسی پایدار با فرکانس ۱۲۵ کیلوهرتز
• ایجاد و انتشار میدان الکترومغناطیسی و درعین‌حال دریافت میدان القایی بازتاب‌شده از تگ
• دمدولاسیون سیگنال دریافتی به‌منظور جداسازی مؤلفه اطلاعاتی از حامل
• تقویت سیگنال (در صورت نیاز) و استخراج بیت‌های حاصل از فرایند دمدولاسیون
• اعمال دیکودر مناسب با توجه‌ به روش کدگذاری مورداستفاده (PSK،Biphase یاManchester ) که معمولاً به‌صورت نرم‌افزاری پیاده‌سازی می‌شود

مدار پیشنهادی:

توضیح عملکرد مدار

مجموعه سمت چپ مدار، متشکل از سه ترانزیستور است که در کنار یکدیگر یک تقویت‌کننده جریان را تشکیل می‌دهند. این بخش، سیگنال PWM را از یک منبع کنترلی (برای مثال میکروکنترلر) دریافت کرده و پس از تقویت، آن را به سطح جریان مناسب برای راه‌اندازی مدار تشدیدکننده می‌رساند.

خروجی این تقویت‌کننده به کانکتوری متصل می‌شود که محل اتصال آنتن، یعنی سیم‌پیچ (سلف)، است. در این بخش، سلف به همراه خازن C2 یک مدار LC تشکیل می‌دهد که باید با دقت بر روی فرکانس ۱۲۵ کیلوهرتز تنظیم (تیون) شود. تنظیم صحیح این مدار تشدید، نقش تعیین‌کننده‌ای در ایجاد میدان الکترومغناطیسی پایدار و بیشینه‌سازی انتقال انرژی به تگ دارد.

با تنظیم درست سلف و خازن، تمام هارمونیک‌های نامطلوب سیگنال مربعی ورودی فیلتر می‌شود و فقط یک سینوسی خالص باقی می‌ماند. این سیگنال سینوسی ۱۲۵ کیلوهرتزی پس از عبور از سلف، میدان الکترومغناطیسی لازم برای تغذیه و فعال‌سازی تگ را ایجاد می‌کند.

در ادامه، تگ از طریق پدیده القای متقابل و با اعمال تغییرات کنترل‌شده در بار مدار خود، داده‌های ذخیره‌شده را بر میدان منتشرشده سوار کرده و به ریدر بازمی‌گرداند. بدین ترتیب، فرایند تبادل اطلاعات میان ریدر و تگ شکل می‌گیرد.

در نتیجه، سیگنال AM بازتاب‌شده از سوی تگ، از طریق سلف دریافت شده و به مدار دمدولاتور AM هدایت می‌شود. در این مرحله، اطلاعاتی که بر دامنه موج حامل سوار شده‌اند، از سیگنال استخراج می‌گردند.

با این‌حال، خروجی دمدولاتور معمولاً دارای اندکی مؤلفه DC یا افست مستقیم است. برای حذف این بخش ناخواسته، سیگنال از یک فیلتر بالاگذر (متشکل از یک خازن سری و یک مقاومت موازی) عبور داده می‌شود. این فیلتر، مؤلفه DC را مسدود کرده و تنها تغییرات وابسته به داده را عبور می‌دهد، تا سیگنال آماده پردازش و بازیابی بیت‌های اطلاعاتی شود.

در این مرحله، سیگنال خروجی دمدولاتور شامل دیتای خام کارت است؛ بااین‌حال، سطح آن بسیار پایین و ضعیف است و برای پردازش دیجیتال مستقیم مناسب نیست.

برای افزایش کیفیت سیگنال، ابتدا ولتاژ آن با استفاده از تقسیم مقاومتی R11 و R13 مقایسه می‌شود تا سطح مناسبی تعیین گردد و سپس توسط مدار تقویت‌کننده، سیگنال تقویت می‌شود. پس از این مرحله، داده‌ها آماده پردازش دیجیتال و اعمال دیکدینگ مناسب بر اساس روش کدگذاری مورداستفاده (PSK،Biphase  یاManchester ) هستند.

حالا که تحلیل کامل مدار را متوجه شده‌اید با دیدن شکل موج تعدادي از نقاط کلیدی مدار عملکرد آن کاملاً مشهود می‌شود:

سیگنال ورودی ترانزیستور PWM_RFID

سیگنال روی خازن C2

همان‌طور که می‌بینید موج مربعی پس از عبور از فیلتر LC به یک سینوسی تمیز تبدیل شده است.

همچنان سیگنال روی خازن C2 پس از قراردادن تگ در میدان آنتن

همان سیگنال سینوسی شکل قبل است که دامنه در نقاطی تغییر کرده است، در‌واقع دیتا روی سینوسی سوار شده. (توجه کنید که سیگنال zoom out شده تا جزئیات بیشتری دیده شود.)

سیگنال آبی روی خازن C3

با مقایسه دو سیگنال زرد و آبی می‌توانید ببینید که مدار دمدولاتور AM به‌خوبی عمل کرده است و با حذف  carrier فقط دیتای روی دامنه را نگه‌داشته است.
 (بهتر بود که مقدار R2 کوچک‌تر انتخاب می‌شد  تا خازن C3 زودتر دشارژ شود و سیگنال در نقاط صفر سریع‌تر دَمپ شود.)

سیگنال قبل و بعد از خازن C3

فیلتر بالا‌گذر مقدار DC را بلاک کرده است.

سیگنال‌های ورودی آپ‌امپ اول

طبقه اول آپ‌امپ در نقش مقایسه‌گر تمام ولتاژهای بیشتر یا کمتر از مقدار تقسیم مقاومتی را به صفر و یک تبدیل می‌کند و طبقه دوم آپ‌امپ تقویت‌کننده است.

⚠ توجه داشته باشید

باتوجه‌به آنچه تاکنون بیان شد، می‌توان نتیجه گرفت که برای عملکرد کامل این مدار، تنها یک میکروکنترلر کافی است؛ میکروکنترلری که بتواند سیگنال PWM با فرکانس ۱۲۵ کیلوهرتز تولید کند و همچنین سیگنال دریافتی از تگ را دیکد کند.

جزئیات پیاده‌سازی این مراحل، شامل تولید دقیق PWM و پردازش دیجیتال سیگنال‌های دریافتی، در قسمت بعدی آموزش به طور کامل تشریح خواهد شد.

و در پایان دو سؤال مطرح می‌کنم که امیدوارم بتوانید در کامنت‌ها ایده‌هاتون با ما به اشتراک بزارید یا از نظرات دوستان دیگر استفاده کنید.

• آیا این امکان وجود داره که رنج خواندن تگ رو افزایش داد؟
• برای ساده‌سازی یا کاهش مصرف مدار چه ایده‌ای‌هایی دارید؟

⬇️ فایل این پروژه رو از اینجا دانلود کنید.