RFID Principii Fund Amen Tale de Function Are

RFID – Principii fundamentale de functionare

1

Sistem de identificare prin Radiofrecventa (RFID)- Principii fundamentale de functionare -

Cuprins

1. Tagul de 1-bit.............................................................................................................................3

1.1 Sisteme de securitate bazate pe radio-frecventă...................................................................3

1.2 Sisteme de securitate bazate pe utilizare microundelor.......................................................7

1.3 Sisteme de securitate bazate pe divizarea frecventei...........................................................8

1.4 Sisteme de securitate care functionează pe baza câmpului electromagnetic.......................9

1.5. Sisteme de securitate bazate pe fenomene acusto-magnetice...........................................11

2 . Proceduri Full şi Half Duplex...................................................................................................13

2.1.Principiul cuplajului inductiv.................................................................................................14

2.1.1 Alimentarea tagurilor pasive..........................................................................................14

2.1.2. Transferul de date între tag si cititor............................................................................16

3. Bibliografie :...............................................................................................................................19


2

Aceasta lucrare descrie interactiunile de bază între tag şi cititor, în particular între sursa de alimentare şi tag şi transferul de date dintre tag şi cititor.

1. Tagul de 1-bit

Bitul este cea mai mică unitate de informatie, care poate avea doar două stari: 1 si 0. Asta inseamnă că doar 2 stări pot fi reprezentate de către sistemul bazat pe tagul de 1-bit :„tag-ul in zona de interogatie” si „în zona de interogare nu este nici un tag ”. In ciuda limitărilor datorate informatiei minimale, tagurile de 1-bit sunt foarte răspandite – principalul domeniu de aplicatie fiind la realizarea dispozitivelor antifurt din magazine (EAS, electronic article surveillance- sistem electronic de supraveghere a articolelor).

Un sistem EAS este alcătuit din următoarele componente: antena cititorului, elementulde securitate sau tag-ul şi optional sistemul de dezactivare pentru dezactivarea tagului după ce produsul a fost plătit. În sistemele moderne, dezactivarea tagului are loc când este înregistrată efectuarea plătii la casă. Unele sisteme EAS încorporează şi un activator , careeste folosit ca să reactiveze tagul după dezactivare. Caracteristica principală a sistemelor EAS este viteza de recunoastere sau de detectare a tagului în functie de lărgimea portii ( distanta maximă între tag şi antena interogatorului) .

Procedurile de verificare si testare a sistemelor de supraveghere a articolelor sunt descrise în ghidul VDI 4470 intitulat „Sisteme antifurt pentru mărfuri—porti de detectie. Ghidul de inspectie pentru clienti”. Ghidul contine definitii şi proceduri de testare pentru calcularea ratei de detectare şi a ratei alarmelor false. Acest ghid poate fi folosit în comertul cu amănuntul în baza unor contracte de vânzare sau pentru monitorizarea performantlor sistemului permanent instalat. Pentru producătorii de sisteme de securitate, ghidul de inspectie pentru clienti reprezintă un punct de reper eficace în dezvoltarea şi optimizarea de solutii integrate ale proiectelor de securitate (în conformitate cu VDI 4470).

1.1 Sisteme de securitate bazate pe radio-frecventă

Procedura de radio-frecventă (RF) se bazează pe circuite rezonante LC ajustate pe o frecventă de rezonantă fR . Versiunile mai vechi contineau rezistente inductive făcute din fire de cupru emailate şi un condensator într-o cutie de plastic (tagul greu). Sistemele moderne contin bobine gravate între folii de plastic sub formă de etichete. Pentru a asigura că rezistenta de pierderi a bobinei nu devine prea mare şi reduce calitatea circuitului rezonant la un nivel inacceptabil, grosimea conductorului de aluminiu este de 25 µm iar folia de polietilenă trebuie să fie de cel putin 50 µm. Folia intermediară de 10 µm grosime este folosită pentrut fabricarea plăcilor condensatorului. Cititorul generează un câmp magnetic variabil în domeniul de radio-frecventă (vezi Figura 3.2). Dacă circuitul rezonant LC se deplasează în apropierea câmpului magnetic, acest câmp magnetic variabil va transfera energie către circuitul rezonant (legile lui Faraday). Dacă frecventa fG a câmpului


3

corespunde cu frecventa de rezonantă fR a circuitului LC , în circuitul rezonant se produce o oscilatie la rezonantă.

4


Figura 1. Prezentarea diferitelor principii de functionare a sistemelor RFID

Curentul care trece prin circuitul rezonant se va opune variatiei câmpului magnetic extern al cititorului. Acest efect se pune în evidentă printr-o scădere relativ mică a tensiunii de la bornele bobinei generatorului de semnal şi în final duce la o scădere a puterii câmpului magnetic măsurabil. O modificare a valorii tensiunii induse poate fi detectată de o bobină suplimentară care este un senzor de câmp magnetic şi care va sesiza imediat ce un circuit oscilant este prezent în câmpul magnetic al bobinei generatoare. Mărimea relativă a acestei scăderi de câmp magnetic depinde de distantele dintre bobine (distanta bobina generator - element de securitate, distanta element de securitate- bobina senzor) şi de factorul de calitate Q al circuitului rezonant din elementul de securitate (tag). Modificarea relativă de tensiune la bornele bobinei generatoare şi la bornele bobinei senzor este în general foarte mică şi deci dificil de detectat. Pe de altă parte semnalul ar trebui să fie cât mai bun posibil astfel încât elementul de securitate să poată fi detectat cu uşurintă. Pentru a putea detecta cu uşurintă prezenta tagului se utilizează unele mici trucuri şi anume frecventa câmpului magnetic generat nu este constantă, aceasta are o variatie lineară între o valoare minimă şi o valoare maximă. Domeniul de variatie a frecventei este între 8.2MHz ±10%. Atunci când frecventa generatorului corespunde exact cu frecventa de rezonantă a circuitului rezonant situat pe tag, circuitul rezonant de pe tag începe să oscileze şi va produce o scădere vizibila a tensiunii la bornele generatorului şi la bornele bobinei senzor ( Figura 3).

5


Figura 2. Principiul de functionare al unui sistem EAS de radiofrecventă

Figura 3. Aparitia unei variatii a impedantei bobinei generatorului la frecventa de rezonantăa elementului de securitate (Q= 90, k=1%). Frecventa generatorului fG variază linear între

cele 2 frecvente de tăiere. Un tag RF prezent într-un câmp magnetic al cititorului generează un semnal clar la frecventa fR.

Toleranta frecventei de rezonantă al elementului de securitate, care depinde de tolerantele de fabricatie ale componentelor şi care poate să varieze dacă în apropiere este un mediu metalic, nu mai are un rol important datorită variatiei lineare a frecventei generatorului şi deci a „scanării” întregului domeniu de frecventă. Orice frecventă de rezonantă acircuitului oscilant de pe tag care se încadrează în domeniul de variatie liniară a frecventei generatorului va putea fi detectată.

Deoarece tagurile nu sunt eliminate de pe produse în momentul efectuării plătii lacasă acestea trebuie să fie dezactivate astfel încât să nu activeze sistemul antifurt. Pentru dezactivarea tagului, vânzătorul pune produsul protejat într-un dispozitiv- dezactivator- care

6


generează suficient câmp magnetic încât curentul indus în circuitul oscilant al tagului distruge condensatorul din acesta. Condensatoarele de pe taguri sunt construite cu puncte de scurtcircuitare, care se numesc adâncituri (dimples). Distrugerea condensatoarelor de petaguri este ireversibila şi duce la dezacordarea circuitul rezonant astfel încât nu mai poate fi excitat de către semnalul generator.

Antene sub formă de cadru cu arie largă de acoperire sunt folosite pentru a genera câmpul magnetic necesar în zona de detectie. Antenele cadru sunt integrate în coloane şi combinate sub forma de porti. Forma clasică a unor astfel de antene poate fi văzut la intrările în marelor magazine (vezi Figura 3.4).

Figura 4. Stanga, forma tipică a unei antene pentru un sistem RF (lătime 1.20-1.60 m), dreapta tipuri de taguri (elemente de securitate).

Se pot realiza porti cu lătimea de până la 2 m în cazul tehnologiei RF. Rata de detectie relativ scăzuta, de aproximativ 70% este influentată în mod diferit de către anumite materiale. În particular metalele (foliile din metal pentru ambalajul bunurilor alimentare) afectează frecventa de rezonantă a tagurilor şi cuplarea semnalului generat de acestea la bobina detectoare avand un efect negativ asupra ratei de detectie (scade rata de detectie). Pentru antenele de dimensiunile prezentate mai sus şi pentru a obtine ratele de detectie specificate mai sus trebuie să fie folosite taguri de 50mm x 50mm.

TABEL 1. Parametrii tipici ai unui sistem RF (VDI 4471)

Factorul de calitate Q al elementului de sigurantă >60-80Puterea minimă a câmpului de dezactivare HD 1.5 A/mPuterea maximă a câmpului in zona de dezactivare 0.9A/m

TABEL 2. Domenii de frecvente pentru sisteme de securitate de tip RF

S y s t e m 1 S y s t e m 2 S y s t e m 3 S y s t e m 4 Frecventa(MHz) 1.86-2.18 7.44-8.73 7.30-8.70 7.40-8.60Sweep frecv(Hz) 141 141 85 8

Unele produse care au frecvente propii de rezonantă pot să introducă alarme false dacă sunt introduse în câmpul magnetic al bobinelor şi prezinta o mare provocare pentru producătorii de sisteme pentru a elimina alarmele false. Dacă aceste frecvente de rezonantă ale produselor sunt în domeniul de frecventă 8.2MHz ±10%, întotdeauna se vor declanşa alarme false.

7


1.2 Sisteme de securitate bazate pe utilizare microundelor

Sistemele EAS care functionează în domeniul microundelor exploatează generarea de armonici ale unui semnal sinusoidal prin utilizarea componentelor neliniare (de exemplu diodele varicap). Armonica unei tensiuni sinusoidale A cu frecventa fA este o tensiune B, a cărei frecventă fB este un multiplu întreg al frecventei fA . Prin urmare armonicile frecventei fA se vor găsi la frecventele 2fA ,3 fA, ,4fA etc. Frecventele mutiplicate cu N ale frecventei de bază se numesc armonici de ordinul N, iar frecventa care le generază se numeşte frecventă purtătoare.

In principiu orice element cu 2 terminale care este neliniar generează armonici ale frecventei purtătoare. În cazul rezistentelor neliniare energia armonicilor este disipată sub formă de căldură, astfel că doar o mică parte din puterea primei armonici este convertită în oscilatii cu frecventa multiplu a frecventei de bază. In conditii favorabile, multiplicarea frecventei purtătoare cu N se face cu un randament η =1/N2 fată de puterea frecventei purtătoare. Pe de altă parte dacă stocarea energiei neliniare este utilizată pentru multiplicareafrecventei, atunci în cazul ideal nu exista pierderi.

Diodele cu capacitate variabilă (varicap) sunt utilizate pentru înmagazinarea de energie neliniară şi pentru multiplicarea de frecventă. Numărul şi intensitatea armonicilorcare sunt generate, depind de profilul de dopare al diodelor varicap şi de linia caracteristică a gradientului de dopare. Se cunoaşte expresia generală a dependetei capacitătii de tensiunea aplicată la o diodă varicap care are exponentul n (uneori notat cu γ ) şi care este o măsură pentru gradientul de dopare al diodei. Pentru diode difuzate simple, acesta este de 0.33 (ex BA110), pentru diode aliate este de 0.5 şi pentru diode PN cu o jonctiune hiperabruptă este aproximativ 0.75.

Caracteristica capacitate-tensiune a diodelor varicap are o alură patratică şi prin urmare este foarte potrivită pentru dublarea frecventei. Diodele difuzate pot fi folosite pentru a produce armonici de ordin superior.

Figura 5. Circuitul de bază şi constructia tipică a unui tag cu microunde

Structura tagurilor de 1 bit pentru generarea de armonici este extrem de simplă: o diodă varicap este conectată la bornele unui dipol ajustat pe frecventa purtătoarei ( Figura 5). În cazul unei purtătoare cu frecventa de 2 .45GHz dipolul are o lungime de 6 cm. Frecventele purtatoare folosite sunt de 866MHz in Europa (915MHz în SUA), 2.45GHz sau 5.6GHz. Dacă tagul se află în interiorul domeniului de lucru al transmitătorului , atunci trecerea curentului prin dioda varicap produce armonici ale semnalului purtător care sunt retransmise de antenă. În general se vor obtine armonica a 2-a şi a 3-a în functie de tipul de diodă utilizat.

8


Tagurile de acest fel sunt turnate în plastic (taguri rigide) şi sunt folosite în special pentru a

9


proteja materiale textile. Tagurile sunt îndepărtate după ce produsul a fost plătit iar apoi sunt refolosite.

În figura 6 se arată un tag plasat în domeniul de functionare al unui cititor cu microunde la care frecventa de lucru este de 2.45 GHz. A doua armonică de 4.90GHz, este generată de dioda varicap şi este retransmisă de tag şi detectată de către receptor, care este ajustat exact la frecventa armonicii a doua.

La receptionarea unui semnal de frecventa celei de-a doua armonici se declanşeazăsistemul de alarmă.

Figura 6. Tag cu microunde în zona de interogare a unui cititor

Dacă purtătoarea este modulată în frecventă sau amplitudine (ASK, FSK) atunci toate armonicile vor avea acelaşi tip de modulatie. Modulatia poate fi folosită pentru a face diferenta între interferente datorate unor sisteme care emit semnale de frecventa armonicii şi semnalul util, prevenind astfel alarmele false datorate unor semnale externe. In exemplul de mai sus, purtătoarea este modulată în amplitudine cu un semnal de 1KHz (100%ASK). A doua armonică generată de tag este de asemenea modulata ASK cu 1KHz. Semnalul receptionat de către receptor este demodulat şi trece prin detectorul de 1KHz. Interferentele datorate unor semnale externe care au o frecventa de 4.90GHz, nu pot declansa alarme false pentru că nu sunt modulate şi daca sunt, au o modulatie diferită.

1.3 Sisteme de securitate bazate pe divizarea frecventei

Tehnica divizării frecventei se utilizează în domeniul undelor lungi adică la frecvente de 100-135.5KHz. Tagurile utilizate în acest caz contin un circuit semiconductor (microcip) şi un circuit rezonant care contine o bobina făcută din sârmă de cupru emailat. Se realizează un circuit rezonant cu frecventa de rezonantă egală cu frecventa de lucru a sistemului EASprin utilizarea unui condensator în paralel cu bobina. Asemenea taguri sunt făcute în formă de taguri din plastic rigide care sunt apoi eliminate de pe produsul care a fost cumpărat.

Microcipul din tag este alimentat de către câmpul magnetic al cititorului. Frecventa semnalului din bobina tagului este divizată la doi de către microcip si apoi retransmisă înapoi spre cititor. Semnalul care are frecventa jumatate din frecventa initială este introdus în bobina tagului printr-o priză intermediară a acestei bobine.

TABEL 3. Parametri de baza ai sistemului EAS cu divizare de frecventăFrecventa 130KHz

Tipul de modulatie 100% ASK

Frecventa de modulatie/semnal modulator 12.5Hz sau 25Hz,dreptunghiular 50%

10


Câmpul magnetic al sistemului de securitate este modulat cu un semnal de frecventă joasă

Figura 7. Schema de principiu a unui sistem EAS cu divizare de frecvanta: tagul şi detectorul tagului (cititorul).

(ASK) cu indice de modulatie 100% pentru a îmbunătăti rata de detectare a tagurilor. La fel ca la principiul generării de armonice, prin modularea purtătoarei (ASK sau FSK) se mentine modularea şi la subarmonica de frecventă jumătate din frecventa purtătoarei. Prin acestsistem de modulare se poate face diferenta dintre semnalele de interferentă care au aceiaşi frecventă de lucru cu sistemul de securitate şi semnalul util al tagului. Sistemul EAS cu divizare de frecventă functionează aproape fără alarme false. Antenele cadru , descrise în sectiunea 1.1, sunt folosite ca antene senzor şi în acest caz.

1.4 Sisteme de securitate care functionează pe baza câmpului electromagnetic

Aceste sisteme de securitate functionează pe baza unor câmpuri magnetice puternice cu frecvente de lucru în domeniul frecventelor joase de la 10 Hz până la 20KHz. Elementele de securitate contin benzi dintr-un metal amorf cu caracteristică magnetică moale şi care are o curbă de histerezis abruptă. Magnetizarea acelor fâşii de metal este inversată periodic iar materialul magnetic din aceste benzi ajunge la saturatie datorită intensitătii mari a câmpului magnetic aplicat. Relatia puternic neliniară dintre intensitatea câmpului magnetic H şiinductia magnetică B în apropierea saturatiei materialului magnetic, plus schimbarea bruscă a intensitătii fluxului magnetic B în apropierea trecerii prin 0 a câmpului magnetic H , generează armonici ale frecventei de bază aplicate elementului de securitate, acele armonici pot fi receptionate şi evaluate de către sistemul de securitate.

Sistemele de securitate bazate pe câmp electromagnetic pot fi optimizate prinadăugarea de semnale cu o frecventa mai mare ca semnalul de bază. Dacă se presupune că semnalul de bază are frecventa fS= 20Hz, iar semnalele aditionale au frecventele de f1=3.5 kHz şi respectiv f2= 5.3KHz, atunci vor fi generate următoarele semnale la o aproximatie de ordinul unu:

f1 +f2 =f1+2 = 8.80 KHz f1 -f2 =f1-2 = 1.80 KHz fS +f1 =fS+1 = 3.52 KHz şi asa mai departe

Dispozitivul de securitate nu va reactiona în acest caz la armonicile semnalului de bază, ci mai degrabă la semnalul care este dat de suma sau diferenta frecventelor semnalelor aditionale.

Tagurile sunt disponibile în formă de fâşii auto-adezive, cu dimensiuni de la câtiva centimetrii la 20 de cm. Datorită frecventei de lucru scăzute, sistemele bazate pe câmp

11


electromagnetic sunt singurele sisteme adecvate pentru produse care contin metal. Pe de altă parte aceste sisteme au dezavantajul faptului că functionarea tagului depinde de pozitia sa: pentru o mai buna detectie liniile câmpului magnetic ale sistemului de securitate trebuie sa fie perpendiculare pe suprafata benzilor din metal magnetic moale. În figura 8 se prezintă o fotografie al unui sistem de securitate bazat pe câmp electromagnetic.

Figura 8. Sistem de securitate bazat pe câmp electromagnetic , antena (în stânga) şi forme posibile a tagurilor (în drepta).

Dezactivarea tagurilor se poate face dacă sunt acoperite cu un strat de material magnetic dur sau partial acoperite de placi de metal magnetic dur. În momentul cumpărării produsului, persoana de la casă aplică un câmp magnetic puternic benzilor de metal magnetic pentru a dezactiva sistemul de securitate. Acest câmp magnetic magnetizează puternic plăcutele de metal magnetic dur. Benzile de metal sunt astfel proiectate încât câmpul magnetic remanent de pe plăcutele metalice din materialul magnetic dur va fi suficient de puternic încât să mentină la saturatie benzile din material magnetic moale astfel încâtsistemul de securitate să nu se activeze la aplicarea câmpului magnetic alternativ.

Tagurile pot fi oricând reactivate prin demagnetizarea plăcilor din materialul magnetic dur. Procesele de dezactivare şi reactivare pot fi făcute de nenumarate ori. Din acest motiv , sistemele de protectie electromagnetice erau folosite initial în librarii. Pentru că tagurile au dimensiuni mici şi sunt ieftine, aceste sisteme au început să fie folosite din ce in ce mai mult in industria alimentara (Fig. 9).

Tabel 4. Parametrii tipici ai unui sistem de securitate de tip electromagnetic

Frecventa de functionare 70HzFrecvente aditionale diferite 12Hz, 215Hz, 3.3KHz, 5KHzIntensitatea câpului magnetic în zona de detectie Heff 25-120 A/mIntensitatea minimă a câmpului pentru dezactivare Hmin 16.000 A/m

Pentru a asigura intensitatea câmpului magnetic necesar pentru demagnetizarea fâşiilor din permaloy, câmpul magnetic este generat de către un sistem cu 2 bobine situate pe ambele părti ale unui traseu îngust de trecere. Cateva bobine individuale, de obicei între 9 şi

12


12, sunt pozitionate pe cei 2 piloni ai portaului de trecere şi acestea generează un câmp magnetic slab în centru şi puternic în afară. Se pot realiza porti cu lătime de până la 1.50m cu aceasta metodă, păstrandu-se rata de detectare de 70 % ( Figura 10)

Figura 9. Taguri de tip electromagnetic utilizate la marcarea cosmeticelor.

Figura 10. Exemplu practic de antene ale sistemelor de securitate de tip electromagnetic

1.5. Sisteme de securitate bazate pe fenomene acusto-magnetice

Sistemele de securitate de tip acusto-magnetic constau în carcase de plastic extrem de mici, de aproximativ 40 mm lungime şi 8 până la 14 mm lătime şi doar un milimetru grosime. Carcasele contin două benzi metalice, o bandă metalică făcută din material magnetic dur conectată permanent la carcasa de plastic şi o banda făcută din metal amorf, pozitionată astfel încât să poată vibra mecanic.

Metalele feromagnetice (nichel, crom, etc) îşi modifică usor lungimea la introducerea lor într-un câmp magnetic sub influenta intensitătii câmpului magnetic H. Acest efect este denumit magnetostrictiune şi este rezultul unor mici modificări ale distantelor interatomice datorită magnetizării. Într-un câmp magnetic alternantiv o bandă de metal magnetostrictiv vibrează cu frecventa câmpului pe directie longitudinală. Amplitudinea vibratiilor este mare

13


dacă frecventa câmpului magnetic corespunde cu frecventa (acustică) de rezonantă a benzii metalice. Acest efect se pune în evidentă în particular la metalele amorfe.

Factorul decisiv în functionarea sistemelor de securitate pe baza acestui efect este proprietatea de reversibilitate a acestui fenomen. Aceasta înseamnă că dacă o bandă din metal magnetostrictiv oscilează atunci va genera câmp magnetic alternativ. Sistemele de securitate acusto-magnetice sunt proiectate astfel încât frecventa câmpului alternativ generat va coincide cu frecventa de rezonantă a benzii metalice din elementul de securitate. Benzile de metal amorf încep să oscileze sub influenta câmplui magnetic. Dacă câmpul magneticalternativ este oprit după ceva timp, benzile magnetice excitate continuă să vibreze pentru un anumit timp şi astfel aceste benzi metalice generază un câmp magnetic alternativ care poate fi detectat cu uşurintă de sistemul de securitate (Figura 11).

Figura 11. Sistem acusto-magnetic ce cuprinde emitătorul şi detectorul (receptorul) . Dacă un element de securitate se află în câmpul magnetic al bobinei, acesta oscilează ca un

diapazon în acord cu frecventa bobinei generatoare. Caracteristica tranzitorie amortizată a oscilatiei care apare după încetarea câmpului magnetic generat, poate fi detectată de un

sistem electronic.

Marele avantaj al acestei proceduri este faptul că sistemul de securitate nu transmite în timp ce elementul de securitate răspunde şi receptorul detectorului poate fi proiectat cu un anumit grad de sensibilitate.

In starea activată , elementele de securitate acusto-magnetice sunt magnetizate deci banda magnetică din material magnetic dur mentionată mai sus are un câmp magnetic remanent de nivel ridicat şi prin urmare formează un magnet permanent. Pentru dezactivarea elementului de securitate banda din material magnetic dur tebuie demagnetizată. Prin demagnetizare se dezacordează frecventa de rezonanta a benzii de metal amorf şi aceste benzi nu mai pot fi excitate de către semnalul la care functionează sistemul de securitate. Banda de metal magnetic dur poate fi demagnetizată doar cu un câmp magnetic puternic care se va diminua treptat în timp pentru a înlătura câmpul remanent prin parcurgerea caracteristicii de histerezis de la valori maxime ale câmpului magnetic şi inductiei magnetice la zero. Este

14


aproape imposibil ca elementul de securitate să fie manipulat cu ajutorul unor magneti permanenti aduşi în magazin de către clienti.

Tabelul 5. Parametrii tipici ai unui sistem acusto-magnetic (VDI 4471)

Parametru Valoare normală

Frecventa de rezonantă f0 58KHzToleranta de frecventă ±0.52%Factorul de calitate Q >150Puterea minimă a câmpului pt. activare HA >16 000 A/m Durata de functionare a câmpului 2ms Pauza(OFF duration) 20 ms Întârzierea elementului de securitate 5ms

2 . Proceduri Full şi Half DuplexÎn contrast cu tagurile de 1 bit , care în mod normal exploatează fenomene fizice simple

(proceduri de stimulare a oscilatiilor, generarea de armonici ale unui semnal prin utilizarea diodelor sau a materialelor magnetice cu caracteristică de histerezis neliniară) taguriledescrise în acest subcapitol, folosesc un microcip electronic ca purtător de date. Un asemenea microcip poate să aibă o capacitate de stocare de date de ordinul zeci de kiloocteti. Pentru a putea citi sau scrie date pe un asemenea microcip, trebuie să fie posibilă comunicarea de date între tag şi transponder. Transferul de date poate să aibă loc conform uneia din cele două posibile protocoale : full sau half duplex, care sunt descrise în această sectiune şi sisteme secventiale.

În cazul procedurii half duplex (HDX) transferul de date de la tag la cititor alterneazăcu transferul de date de la cititor la tag. La sistemele care functionează cu frecvente sub 30MHz, aceasta este o metodă adeseori folosită împreună cu procedura de modulatie a sarcinii, cu sau fără o subpurtătoare şi care se poate realiza cu circuite simple. Asemănător cu procedura de modulatie a sarcinii este procedura de modulare a suprafetei de reflectie a antenei văzută în sectiune transversală care este asemănătoare cu cea folosită la tehnologia radar şi care se foloseşte la semnale cu frecvente de peste 100MHz. Procedurile de modulatie de sarcină şi modulatia suprafetei de reflectie transversală a antenei modifică direct câmpul magnetic sau electromagnetic generat de către cititor şi de aceea asemenea proceduri sunt cunoscute ca proceduri armonice.

În cazul procedurii full duplex (FDX), transferul de date de la tag la cititor are loc în acelaşi timp cu transferul de date de la cititor la tag. Acest sistem de transmisie include proceduri în care datele sunt transmise de la tag la o fractiune din frecventa cititorului, denumita procedura subarmonică, sau la o frecventă complet independentă de frecventa cititorului denumita procedură anarmonică.

Pe de altă parte ambele proceduri (HDX, FDX) au în comun faptul că transferul de energie de la cititor la tag est continu şi este independent de directia de transmitere a datelor. In sistemele secventiale (SEQ) transferul de energie de la cititor la tag are loc într-o perioadă limitată de timp ( functionare în impulsuri- sisteme în impulsuri).

În cazul sistemelor secventiale (SEQ) transferul de date de la tag la cititor are loc înpauzele alimentării tagului. În Figura 12. se observă reprezentarea în timp pentru sistemeleHDX, FDX şi SEQ.

În literatura referitoare la sistemele RFID nu se prezintă o clasificare foarte clară a acestor variante. În unele cazuri au fost făcute confuzii şi clasificări inconsistente ale sistemelor RFID în procedurile half şi full duplex.

15


Figura 12. Reprezentarea în timp a sistemelor half duplex, full duplex şi secvential.Transferul de date de la cititor al tag se numeşte downlink, iar de la tag al cititor se numeşte

uplink.

De exemplu sistemele în impulsuri au fost denumite deseori sisteme half duplex- care este corect din punct de vedere al transferului de date şi toate sistemele care nu functionează în impulsuri sunt greşit clasificate ca sisteme full duplex. În acest curs sistemele care functionează în impulsuri se numesc sisteme secventiale (SEQ).

2.1.Principiul cuplajului inductiv

2.1.1 Alimentarea tagurilor pasiveUn tag cuplat inductiv cuprinde un microcip care retine datele şi o bobină realizată pe

o suprafată relativ mare care functionează pe post de antenă. Tagurile cuplate inductiv functionează de cele mai multe ori pasiv. Asta înseamnă că toată energia necesară pentru functionarea microcipului trebuie să vină de la cititor (Figura 13). Pentru acest scop,antena-bobină a cititorului generează un câmp electromagnetic puternic şi de frecventă înaltă, care trece prin sectiunea bobinei tagului şi în jurul acesteia. Datorită lungimii de undă a frecventelor din domeniul utilizat, care este de câteva ori mai mare decât distanta dintre antena cititorului şi tag, câmpul electromagnetic poate fi considerat ca un simplu câmp magnetic variabil, din punct de vedere al distantei dintre tag şi antenă. O mică parte a câmpului emis trece prin bobina-antenă a tagului care se află la o distantă oarecare fată de bobina cititorului. În bobina-antenă a tagului se generază o tensiune Ui, datorită inductantei bobinei. Această tensiune este redresată şi utilizată ca sursă de energie pentru purtătorul de informatie (microcip). Un condensator Cr este conectat în paralel cu antena cititorului, capacitatea acestui condensator fiind astfel aleasă încât să formeze cu inductanta bobinei antenei un circuit rezonant paralel cu o frecventă de rezonantă care corespunde cu frecventa de transmisie a cititorului. Datorită fenomenului de rezonantă din circuitul paralel format din bobina cititorului şi din condensator, se generează curenti mari în bobina antenei, care pot fi folositi pentru a alimenta cu energie, la distantă, tagul.

16


Figura 13. Alimentarea unui tag cuplat inductiv de la energia câmpului magnetic generat decititor.

Figura 14. Diferite forme constructive ale tagurilor cuplate inductiv. În figură se arată tagul pe jumătate realizat şi tagul înainte de a fi montat într-o carcasă de plastic.

Figura 15. Structura internă a unui cititor pentru taguri cuplate inductiv la frecvente maimici de 135KHz, cu antena integrată.

Antena-bobină a tagului şi condensatorul C1 formează un circuit rezonant paralel acordat pe frecventa semnalului transmis de cititor. Tensiunea U din bobina tagului ajunge la

17


o valoare maximă datorita fenomenului de creştere, la rezonantă, a tensiunii la bornele bobinei.

Amplasarea celor 2 bobine poate fi considerată ca un transformator (cuplaj prin transformator), dar în acest caz cuplajul dintre cele două înfăşurări este destul de slab (Figura14). Randamentul transferului de putere dintre cele două bobine este proportional cu:

frecventa de functionare f , numărul de spire ale bobinei n , suprafata închisă (A) a bobinei tagului, unghiul relativ al fiecărei bobine în raport cu cealaltă şi cu distanta dintre acestea.

Pe măsura ce frecventa f creşte, inductanta necesară pentru bobina tagului şi numărul de înfăşurări n scade. Deoarece tensiunea indusă în bobina tagului este proportională cu frecventa f , reducerea numărului de spire al bobinei afectează putin randamentul de tranfer al puterii la frecvente înalte. În Figura 15 se prezintă un cititor pentru un tag cuplat inductiv..

2.1.2. Transferul de date între tag si cititor

În continuare se va prezenta modulatia de sarcină. După cum a fost prezentat mai înainte, sistemele cu cuplaj inductiv se bazează pe un cuplaj de tip transformator, între bobina primară a cititorului şi bobina secundară a tagului. Acest fenomen de cuplaj de tip transformator apare atunci când distanta dintre bobine nu depăşeşte 0.16 λ, astfel încât tagulse află în câmpul apropiat al antenei cititorului.

Tabelul 6. Valorile uzuale ale puterii consumate de diferite blocuri RFID-ASIC.( Conform companiei ATMEL din 1994). Tensiunea minimă pentru functionarea microcipului este de1.8V iar cea maximă de 10V.Tipul CI Memoria

în octeti

Distanta descriere/citire

Putereaconsumată

Frecventade lucru

Aplicatiile uzuale

ASIC#1 6 15 cm 10 µ A 120kHz Identificarea animalelorASIC#2 32 13 cm 600 µ A 120kHz Fluxul de produse, sisteme de accesASIC#3 256 2 cm 6 µ A 128kHz Transportul publicASIC#4 256 0,5 cm ~ 1mA 4MHz Fluxul de produse, Transportul

publicASIC#5 256 <2 cm ~ 1mA 4/13,6MHz Fluxul de produseASIC#6 256 100 cm 500 µ A 125kHz Sisteme de accesASIC#7 2048 0,3 cm 10 mA 4,91MHz Carduri cu cip fără contactASIC#8 1024 10 cm ~ 1mA 13,56MHz Transportul publicASIC#9 8 100 cm ~ 1mA 125kHz Fluxul de produseASIC#10 128 100 cm ~ 1mA 125kHz Sisteme de acces

Dacă un tag prevăzut cu un circuit rezonat este plasat în câmpul magnetic alternativ generat de antena cititorului (frecventa circuitului rezonant trebuie să corespundă cu frecventa semnalului emis de cititor) , tagul ia energie din acest câmp magnetic. Influenta antenei tagului asupra antenei cititorului poate fi reprezentata ca o impedantă ZT reflectată în antena bobinată a cititorului. Prin comutarea închis/deschis a unei rezistente la bornele bobinei tagului se modifică şi impedanta reflectată ZT a antenei cititorului. Aceasta modificare a impedantei reflectate va determina o modulatie în amplitudine a tensiunii UL la antena cititorului datorită prezentei la distantă a tagului. Dacă datele transmise de la tag modifică cuplarea sau decuplarea rezistentei de încărcare conectată în paralel pe antenă atunci aceste date vor fi transmise către cititor. Acest tip de transfer de date este numit modulatie de sarcină.

18


Pentru a recupera date transmise de tag la cititor trebuie ca variatia de tensiune din antena cititorului să fie redresată. În acest mod se face demodularea unui semnal modulat în amplitudine. Un exemplu de circuit de demodulare va fi prezentat in capitolele următoare.

Modulatia de sarcină cu subpurtătoare. Datorită cuplajului slab dintre antena cititorului şi antena tagului, fluctuatiile de tensiune din antena cititorului, care reprezintă semnalul util, sunt cu câteva ordine de mărime mai mici ca tensiunea de ieşire a cititorului.

În practică la un sistem pe frecventa de 13.56MHz, la care tensiunea pe antenă este de100V ( datorată creşterii tensiunii la rezonantă cu factorul de calitate al bobinei) semnalul util receptionat de la tag este de aproximativ 10 mV ( deci un raportul semnal-zgomot de 80 dB). Detectarea acestei tensiuni mici necesită circuite foarte complicate, astfel că se utilizează modulatia cu benzi laterale care va rezulta în urma modulatiei în amplitudine a tensiunii de pe antenă (Figura 16).

Figura 16. Realizarea modulatiei de sarcină la un tag prin comutarea rezistentei drenă-sursă a unui tranzistor FET situat pe cipul semiconductor. Cititorul din figură este proiectat pentru

detectia cu subpurtătoare.

Figura 17. Modulatia de sarcină cu subpurtătoare crează 2 benzi laterale la o distantă +/- fS

fată de frecventa de transmisie a cititorului fT. Informatia utilă se află în benzile laterale alesubpurtătoarei, care sunt create la modularea subpurtătoarei.

Dacă rezistenta aditională de pe tag este conectată şi deconecată la o frecventă destul de mare fS, vor apare 2 linii spectrale la o distantă ± fS în jurul frecventei cititorului fT , care pot fi uşor detectate (frecventa fS trebuie să fie mai mică decât fT). În terminologia radio, noua frecventă elementară este numită subpurtătoare. Transferul de date de la tag la cititor se face prin modulatia ASK, FSK sau PSK a subpurtătoarei.

Modulatia de sarcină cu subpurtătore, crează la antena cititorului 2 benzi laterale situate la distanta +/- fS de frecventa de functionare a cititorului fT (Figura 17). Aceste benzi

19


laterale pot să fie separate de semnalul mult mai puternic emis de cititor, cu un filtru trece bandă centrat pe una din cele două frecvente f T±fS . Subpurtătoarea extrasă cu acest filtru trece bandă este apoi amplificată şi deci mult mai uşor de demodulat .

Datorită benzii largi necesară pentru transmiterea subpurtătoarei, această metodă este folosită doar în domeniile de frecvente ISM pentru care se permite o variatie a frecventei de bază cu lărgimea de bandă respectivă, adică 6.78MHz, 13.56MHz si 27.125MHz

Exemple de circuite cu modulatie de sarcină cu subpurtătoare. În Figura 18 se prezintă un exemplu de circuit pentru taguri care folosesc modulatia de sarcină cu subpurtătoare. Acest circuit este proiectat pentru o frecventă de functionare de 13.56MHz şi utilizează o subpurtătoare de 212KHz.

Figura 18. Exemplu de circuit pentru modulatia de sarcină cu subpurtatoare la taguri cu cuplaj inductiv.

Tensiunea indusă în bobina L1 a tagului de către câmplul magnetic alternativ al cititorului este redresată cu puntea de diode (D1-D4) şi apoi filtrată de condensatorul C1. Această tensiune reprezintă tensiunea de alimentare cu energie a tagului. Dioda stabilizatoare (DZ 5V6) previne creşterea peste limitele admise a tensiunii de alimentare când tagul se apropie de antena cititorului.

O parte din tensiunea de înaltă frecventă din antenă (13.56MHz), se aplică la intrareade tact a divizorului de frecventă (CLK) prin rezistenta de protectie R1, care va asigura generarea semnalului de tact al tagului. După divizarea cu 26 (=64) se va obtine la iesirea Q7 semnalul de tact al subpurtătoarei de 212KHz. Datele de transmis (DATA) vor controla semnalul de tact al subpurtătoarei, care va comanda comutatorul T1. Dacă semnalul de date (DATA) este la nivel logic ridicat (1 logic), atunci semnalul de tact al subpurtătoarei trece spre comutatorul T1. Rezistenta de sarcină (R2) este conectată şi deconectată în sincronismcu frecventa subpurtătoarei.

Circuitul rezonant al tagului poate să fie adus la frecventa de rezonantă, de 13.56MHz, prin adaugarea condensatorului C1. Prin aducerea la rezonantă, domeniul de functionare ” minimal” al acestui tag poate fi semnificativ mărit.

În continuare se va prezenta procedura subarmonică. Subarmonicile unei tensiuni sinusoidale cu frecventa fA sunt tensiuni sinusoidale care au frecventele fA/2, fA/3, fA/4 ,etc... În cazul procedurii de transfer subarmonice, a doua frecventă fB se obtine prin divizarea numerică cu 2 a frecventei de transmisie fA a cititorului. Factorul de divizare este 2 sau o

20


putere a lui 2 pentru că divizarea se face cu metode numerice. Semnalul de ieşire divizat numeric fB , se poate modula cu fluxul de date de la tag. Semnalul modulat este apoi returnat în antena tagului printr-un amplificator de ieşire.

Cea mai uzuală frecventă de functionare în cazul procedurii subarmonice este frecventa de 128KHz. În acest caz frecventa subpurtătoarei de răspuns a tagului este de64KHz.

Antena tagului constă dintr-o bobină cu priză mediană, la care de la un capăt se obtine tensiunea de alimentare. Semnalul de răspuns al tagului se conectează la ce-a de-a doua înfăşurare a bobinei (Figura 19).

Figura 19. Circuitul de bază al unui tag care functioneză cu procedure subarmonică. Semnalul de tact receptionat este divizat cu 2 , datele modulează acest semnal de tact şi se

aplică la o înfăşurare secundară a bobinei din antenă .

3. Bibliografie :

- www.google.com

- www.wikipedia.com

http://www.wikipedia.com/

http://www.google.com/

RFID Principii Fund Amen Tale de Function Are

Documents

Transcript of RFID Principii Fund Amen Tale de Function Are