podstawy projektowania
advertisement
Podział według zasady transmisji danych 1 1-bit transponder (RF) Transpondery 1-bitowe są najprostszymi transponderami używanymi w systemach RFID. Przy ich pomocy reprezentowane mogą być tylko 2 stany logiczne (1 i 0). Co ogranicza się do sprawdzenia czy transponder znajduje się w polu czytnika czy nie. Głównym zastosowaniem tego rodzaju systemu są zabezpieczenia antykradzieżowe w sklepach (ESA - electronic article survellance). System taki składa się z czytnika z anteną, transpondera i elementu deaktywującego transponder po uiszczeniu zapłaty. 2 Radio frequency 1-bit transponder (RF) Jednobitowe systemy RFID oparte są na układach rezonansowych LC, w których częstotliwość czytnika jest zgodna z częstotliwością transpondera. Czytnik (detektor) generuje zmienne pole magnetyczne o częstotliwości radiowej, jeśli w obręb pola magnetycznego generowanego przez czytnik wprowadzony zostanie transponder nastąpi zmiana impedancji układu. Zmiana amplitudy napięcia detektora, powstała na skutek umieszczenia w polu detektora transpondera, jest niewielka i trudna do wykrycia. Ponieważ częstotliwość rezonansowa transpondera może nie pokrywać się dokładnie z częstotliwością czytnika (dokładność produkcji) - czytnik przemiata częstotliwość w zakresie +/-10% swojej częstotliwości nominalnej. 3 Radio frequency 1-bit transponder (RF) 4 Radio frequency 1-bit transponder (RF) W systemie tym antena najczęściej ma postać prostokątnej cewki o stosunkowo dużej powierzchni (usytuowaną przy wyjściu ze sklepu). Zakresy częstotliwości pracy systemów 1-bitowych: - 1,86 - 2,18 MHz, - 7,44 - 8,73 MHz, - 7,30 - 8,70 MHz, - 7,40 - 8,60 MHz. Poważnym problemem jest unikanie fałszywych alarmów spowodowanych poprzez elementy, których częstotliwość rezonansowa leży w zakresie częstotliwości przemiatanych przez czytnik. 5 Radio frequency 1-bit transponder (RF) 6 1-bit transponder (microwaves) Transpondery 1-bitowe działające w zakresie mikrofalowym wykorzystują generowanie częstotliwości harmonicznych w elementach o nieliniowej charakterystyce (np. diody). Częstotliwość generowana przez transponder jest całkowitą wielokrotnością częstotliwości generowanej przez czytnik. Najczęściej w celu generowania harmonicznych wykorzystuje się diody pojemnościowe ze względu na to, że liczba harmonicznych i ich natężenie zależy od pojemności diody. Ze względu na straty tylko niewielka część energii czytnika jest przetwarzana w transponderze na wyższe harmoniczne. Dzięki temu, że częstotliwość sygnału z transpondera jest całkowitą wielokrotnością sygnału czytnika ograniczona zostaje możliwość wywołania fałszywego alarmu. Transpondery te występują najczęściej w postaci sztywnego paska lub breloczka i są używane do zabezpieczania odzieży. Po uiszczeniu opłaty transpondery są odpinane. 7 1-bit transponder (microwaves) 8 1-bit transponder (microwaves) W celu zwiększenia odporności na fałszywe alarmy stosuje się dodatkowo modulację (np. ASK). 9 1-bit transponder (frequency divider) Metoda ta operuje na falach długich od 100kHz do 135,5kHz. Transpondery składają się z układu scalonego oraz układu rezonansowego (cewki i kondensatora). Układ scalony jest zasilany z obwodu rezonansowego. Odebrana częstotliwość jest dzielona w układzie scalonym i nadawana do czytnika. Podobnie jak w rozwiązaniach mikrofalowych można stosować tu modulację w celu uniknięcia fałszywych alarmów. 10 1-bit transponder (acoustomagnetic) Metoda wykorzystuje efekt magnetostrykcji. Transponder jest wykonany w postaci paska z materiału magnetostrykcyjnego. Geometrię transpondera dobiera się tak, aby jego mechaniczna częstotliwość rezonansowa była zgodna z częstotliwością pola magnetycznego generowanego przez nadajnik. Zmienne pole nadajnika powoduje wprowadzenie elementu magnetostrykcyjnego w drgania. Po wyłączeniu nadajnika element ciągle drga generując pole magnetyczne, które może być wykryte przez odbiornik. Jeśli po wyłączeniu nadajnika układ nie wykrywa pola o danej częstotliwości oznacza to że w obszarze czytnika nie znajduje się transponder. 11 1-bit transponder (acoustomagnetic) W stanie aktywnym element akustomagnetyczny jest namagnesowany. W celu deaktywacji elementu należy go rozmagnesować. Dokonuje się tego poprzez zastosowanie zmiennego pola o malejącej amplitudzie. Nie można deaktywować elementu magnesem trwałym. Typowe parametry systemu akustomagnetycznego 12 Transmisja full duplex, half duplex, sekwencyjna Transpondery jednobitowe wykorzystują zjawiska fizyczne w celu wykrycia czy w obszarze czytnika znajduje się element zabezpieczający. Bezprzewodowe nośniki danych wymagają wydajnej dwukierunkowej transmisji. Transmisja half duplex (HDX) - transmisja pomiędzy nadajnikiem, a odbiornikiem dokonywana jest na przemian (nie występuje jednoczesna transmisja w obie strony). Energia do transpondera jest dostarczane ciągle. Transmisja full duplex (FDX) - jednoczesna transmisja danych w obie strony. Energia do transpondera jest dostarczane ciągle. Transmisja sekwencyjna (SEQ) - przesyłanie danych następuje tak jak w transmisji HDX, energia przesyłana jest tylko w trakcie nadawania przez czytnik. Czasami ten rodzaj transmisji jest nazywany half duplex. 13 Transmisja full duplex, half duplex, sekwencyjna 14 Sprzężenie magnetyczne - transfer energii Transpondery indukcyjnie sprzęgane z czytnikami najczęściej są elementami pasywnymi. Aby mogły działać muszą pobrać energię z czytnika. W tym celu antena czytnika musi generować odpowiednio silne zmienne pole magnetyczne, aby przy słabym sprzężeniu z czytnikiem wygenerować w nim odpowiednią ilość energii. Ponieważ długości fali wytwarzana przy częstotliwościach stosowanych w sprzężeniach indukcyjnych jest kilkukrotnie większa niż odległość pomiędzy elementami układu (<135 kHz: 2400m, 13.56MHz: 22.1m), całość można traktować jako prosty układ ze sprzężeniem magnetycznym. 15 Sprzężenie magnetyczne - transfer energii 16 Sprzężenie magnetyczne - transfer energii Część strumienia magnetycznego generowanego przez czytnik przenika cewkę transpondera. Zaindukowane w cewce transpondera napięcie jest prostowane, filtrowane i wykorzystywane do zasilania elektroniki transpondera. W celu zwiększenia sprawności przekazywania energii stosuje się układy rezonansowe zarówno w układzie czytnika jak i transpondera. Sprawność przekazywania energii jest zależna od współczynnika sprzężenia pomiędzy układami. Sprzężenie jest zależne głównie od: - odległości pomiędzy cewkami, - wzajemnego ułożenia cewek między sobą, - częstotliwości generowanego pola magnetycznego, - ilości zwojów (powierzchni) cewek. 17 Sprzężenie magnetyczne - transfer energii Zgodnie z prawem Faradaya napięcie indukowane w cewce jest proporcjonalne do strumienia magnetycznego przenikającego cewkę oraz do częstotliwości pola magnetycznego: U=dΦ/dt. Zwiększając częstotliwość pola magnetycznego generowanego przez czytnik można przekazać większą ilość energii przy tych samych rozmiarach anteny (ewentualnie tą samą ilość energii przy mniejszych rozmiarach). 18 Transfer danych: transponder → czytnik Modulacja obciążenia Systemy oparte na zmiennym polu magnetycznym działają na zasadzie słabego sprzężenia magnetycznego. Uzwojeniem pierwotnym jest cewka czytnika, a uzwojeniem wtórnym - cewka transpondera. Taki układ można rozpatrywać jako proste sprzężenie magnetyczne o ile odległość pomiędzy cewkami nie przekracza 0,16 λ (długości fali). Znajdując się w bliskim polu czytnika transpoder pobiera z niego energię, skutkiem czego jest zmiana impedancji anteny czytnika. Zmiana impedancji czytnika pociąga za sobą zmianę napięcia cewki czytnika. Jeśli zmiana obciążenia cewki transpondera jest sterowana przez dane, które mają zostać przesłane to dane te mogą zostać odebrane przez czytnik jako zmiana jego impedancji (lub napięcia). 19 Transfer danych: transponder → czytnik Modulacja obciążenia 20 Transfer danych: transponder → czytnik Modulacja obciążenia Modulacja obciążenia generuje dwa prążki o częstotliwości fczytnika±fs. Poddając odebrany sygnał filtracji oraz wzmocnieniu można dalej demodulować i odbierać dane jakie wysyła transponder. Ze względu na to że ten rodzaj transmisji wymaga szerokiego pasma stosowany może być on tylko w paśmie ISM. 21 Transfer danych: transponder → czytnik Modulacja obciążenia Zasilanie transpondera: Napięcie indukowane w obwodzie L1, C1 jest podawane na mostek prostowniczy. Następnie jest filtrowane przez kondensator i ograniczane przez diodę 5V6. Modulacja: Sygnał o częstotliwości nadawanej przez czytnik jest podawany na wejście dzielnika częstotliwości. Sygnał z dzielnika częstotliwości jest bramkowany szeregowo wysyłanymi danymi i podawany na tranzystor sterujący obciążeniem. 22 Close coupling - systemy krótkiego zasięgu Systemy krótkiego zasięgu są projektowane na odległości od 1 do 10 mm. W systemach tych transponder jest wkładany w szczelinę czytnika lub przykładany do odpowiednio wyznaczonego miejsca czytnika tzw. touch & go. Umieszczanie transpondera w szczelinie czytnika pozwala na precyzyjne umieszczenie cewek transpondera i czytnika względem siebie. Rozmieszczenie cewek w obu urządzeniach musi być znormalizowane. 23 Close coupling - systemy krótkiego zasięgu Ze względu na to że napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym jest proporcjonalne do częstotliwości pola magnetycznego dąży się do pracy na stosunkowo dużych częstotliwościach (1-10 MHz). Aby przy takich częstotliwościach pracy straty w rdzeniu były małe stosuje się odpowiednie materiały na rdzenie cewek czytnika. Systemy krótkiego zasięgu ze względu na małą odległość i duże sprzężenie charakteryzuje się dużą sprawnością przesyłu energii. Dzięki temu mogą zasilać czytniki wymagające dużej ilości energii (rzędu 10 mW). Transmisja danych odbywa się analogicznie jak w układach ze sprzężeniem indukcyjnym. Mechaniczne i elektryczne parametry tych kart opisuje standard ISO 10536 24 Sprzężenie pojemnościowe (Systemy krótkiego zasięgu) Ze względu na niewielką odległość czytnik-transponder w celu zasilania czytnika i przesyłania danych wykorzystywana jest też metoda pojemnościowa. Dzięki mechanicznemu pozycjonowaniu karty transpondera w czytniku (poprzez jej wsunięcie) można uzyskać równoległe powierzchnie tworzące kondensator płaski. W celu zamknięcia obwodu tworzy się dwa takie kondensatory. Jedna z okładek każdego kondensatora jest tworzona w transponderze, a druga w czytniku. Mechaniczne i elektryczne parametry tych kart opisuje standard ISO 10536 25 Sprzężenie pojemnościowe W systemach sprzężonych pojemnościowo czytnik generuje silne pole elektryczne o wysokiej częstotliwości. Odpowiednie pole elektryczne jest generowane przy pomocy napięcia o wartości od kilkuset do kilku tysięcy woltów. Antena transpondera jest wykonana w postaci dwóch płaskich powierzchni najczęściej z folii przewodzącej i tworzy okładki kondensatora. 26 Sprzężenie pojemnościowe Transmisja reader→transponder Podczas przesyłania danych z czytnika do transpondera najczęściej stosuje się modulację ASK ze względu na łatwość demodulacji. Możliwe są też modulacje FSK oraz PSK. 27 Procedury sekwencyjne Zasilanie transpondera - sprzężenie indukcyjne W sprzężeniu indukcyjnym zmienne pole magnetyczne generowane przez czytnik indukuje napięcie w cewce transpondera. Indukowane napięcie zmienne jest następnie prostowane, filtrowane i stabilizowane. Aby osiągnąć większą efektywność przesyłu energii i danych częstotliwość transpondera musi zgadzać się z częstotliwością czytnika. W celu możliwości dostrojenia tych częstotliwości w czytniku stosuje się kondensator o regulowanej pojemności. W systemie sekwencyjnym energia do transpondera nie jest wysyłana ciągle. Podczas ładowania kondensatora transponder wyłącza się lub przechodzi w tryb uśpienia. Po 'naładowaniu transpondera' czytnik przechodzi w stan odczytu danych (nie nadaje - nie wysyła energii). 28 Procedury sekwencyjne Zasilanie transpondera - sprzężenie indukcyjne Energia zgromadzona w transponderze jest używana do wysłania danych. Minimalna pojemność kondensatora gromadzącego energię w transponderze wynosi: 29 Procedury sekwencyjne Zasilanie transpondera - sprzężenie indukcyjne W systemie HDX i FDX energia jest przesyłana ciągle, co pozwala na ciągłą pracę transpondera. Porównanie sprawności przesyłu energii dla systemów FDX/HDX i SEQ 30 Procedury sekwencyjne Transmisja danych - sprzężenie indukcyjne 31
