作者：樊文輝

這個(gè)制作中RFID讀卡器的印制電路板裝有集成電路EM4095(b)讀卡器，其功能是將RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通過(guò)已經(jīng)安裝的電路板上一些SMD元器件傳輸?shù)紸TM18測(cè)試板。

也可以用微處理器ATtiny2313制作RFID讀卡器，可以隨意的從EM4102中讀取數(shù)據(jù)，其中包括從軟件下載的數(shù)據(jù)。這個(gè)制作更有趣的部分是向我們展示如何隨心所欲的做你自己的RFID標(biāo)簽。我們接著看到如何將傳感器連接到標(biāo)簽，并且與讀卡器的傳感器讀卡器建立通信傳遞數(shù)據(jù)。這些傳感器在電氣上是絕緣的并且能在空間自由移動(dòng)。

一、能量傳遞

EM41022型號(hào)的電子標(biāo)簽的能量獲得是需要通過(guò)頻率為125kHz時(shí)的電感耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，作者認(rèn)為這個(gè)設(shè)備能勝任的，自制RFID標(biāo)簽就不成問(wèn)題。此外，通過(guò)EM4102提供的數(shù)據(jù)速率不是很高，簡(jiǎn)單的微型控制器都適用。

下圖中電路是用來(lái)確定從接收線(xiàn)圈傳遞來(lái)的能力有多大。RFID讀卡器適用下列推薦數(shù)據(jù)：電感L=750μH，直徑為0.25mm，線(xiàn)圈匝數(shù)為85匝，漆包線(xiàn)直徑為0.25mm，線(xiàn)圈直徑為50mm。

接收線(xiàn)圈(L1)為95匝、1mH，并聯(lián)于L1的諧振電容C1調(diào)諧與125KHz。發(fā)送和接收線(xiàn)圈的位置高于其他元件，且相距20mm。電流和電壓的曲線(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)R測(cè)出如下圖示。下圖(a)是測(cè)量電壓與電流的函數(shù)關(guān)系，而下圖(b)顯示的是傳輸在負(fù)載上功率曲線(xiàn)。三條曲線(xiàn)分別顯示調(diào)諧于200pF、遠(yuǎn)大于，遠(yuǎn)小于200pF的情況，以示失諧情況的影響。下圖中可以看到在輸出3V電壓時(shí)它能耦合數(shù)十毫瓦的能量。一個(gè)ATtiny微型控制器在時(shí)鐘頻率為1MHz，電壓為3V的情況下電流大概為2mA；在125kHz的情況下電流是低于O.1mA。因此看起來(lái)提供微型控制器運(yùn)行所需的足夠功率不是難題。

RFID集成電路EM4102通過(guò)調(diào)制讀卡器負(fù)載來(lái)傳送ID。每個(gè)數(shù)據(jù)位傳遞需要占據(jù)125kHz載波的64個(gè)時(shí)鐘周期，折合為波特率為1953.125BPS。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包32.768ms內(nèi)完成傳輸。使用125kHz信號(hào)作為RFID控制器的時(shí)鐘是可以的。這種自動(dòng)化確保位時(shí)鐘與讀卡器同步，由于上述時(shí)鐘的慢擺動(dòng)，電流消耗是非常低的。也意味著CPU只需要計(jì)數(shù)64個(gè)時(shí)鐘周期才轉(zhuǎn)移到下一位：這就是對(duì)CPU(ATtiny3)進(jìn)行匯編編程的原因。

下圖顯示制作的電子標(biāo)簽的完整電路圖。通過(guò)L1和C1形成的諧振回路提供微型控制器時(shí)鐘。同時(shí)125kHz的AC信號(hào)經(jīng)過(guò)二極管整流提供給CPU電源（或功率）。NMOS管T1的導(dǎo)通使諧振電路加上R3負(fù)載使振蕩幅度減小，并且它通過(guò)調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)微型控制器傳輸數(shù)據(jù)。但是，信號(hào)幅度必須不能過(guò)度減少，否則微型控制器因時(shí)鐘失步而造成出錯(cuò)。

本制作的印制電路板的電路如下圖（略）。線(xiàn)圈并聯(lián)在C1，并且焊接在C1引線(xiàn)腳的兩側(cè)相鄰近的焊點(diǎn)上。

AVR/GCC)嵌入。讀卡器的最佳設(shè)計(jì)是元器件使用SMD封裝，本制作使用C(AVR/GCC)編程并燒錄芯片。

讀卡器的電路如下下圖示，是非常簡(jiǎn)單的并且很容易手工繪制電路板。但是按翻拍會(huì)使制作PCB更簡(jiǎn)單，裝有EM4095的4號(hào)板與5號(hào)板通過(guò)接口K3連接。在電路板上連接點(diǎn)為ANT1和ANT2外接線(xiàn)圈，其電感量為750μH，這并不嚴(yán)格，由于EM4095內(nèi)部有一個(gè)鎖相環(huán)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率。

從RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)串是通過(guò)EM4095解碼]然后以曼徹斯特碼流方式傳給微型控制器。微型控制器的第一項(xiàng)工作是提取數(shù)據(jù)位。這項(xiàng)工作是在中斷服務(wù)程序中實(shí)施的，每秒要進(jìn)行31250中斷，(8MHz/256=31250)。1個(gè)完整的數(shù)據(jù)位占16個(gè)中斷周期見(jiàn)下下圖示。（注：一個(gè)數(shù)據(jù)位占64個(gè)125kHz/8μS脈沖，即512μS：定時(shí)器一個(gè)中斷間隔為1S/31250=32μS，兩者相除512/32=16。可見(jiàn)連續(xù)16個(gè)低電平則為數(shù)據(jù)O，連續(xù)16個(gè)高電平為數(shù)據(jù)1）。

以上為曼徹斯特碼的代碼片斷。碼長(zhǎng)測(cè)量由接口PIND．4的電平實(shí)現(xiàn)：只有輸入數(shù)據(jù)串的位數(shù)與原來(lái)的位數(shù)相同時(shí)電平是穩(wěn)定的。當(dāng)電平改變時(shí)，原有位數(shù)添入了一個(gè)或者兩個(gè)半位。根據(jù)測(cè)量持續(xù)時(shí)間，一個(gè)或者兩個(gè)半位儲(chǔ)存在一個(gè)先進(jìn)先出隊(duì)列中供后續(xù)處理。

解碼程序本身占FIFO隊(duì)列的半位。第一個(gè)任務(wù)是識(shí)別數(shù)據(jù)包的起始位：為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，程序沿著移位寄存器逐個(gè)移動(dòng)半位直到同步序列被找到。后續(xù)的數(shù)據(jù)串被解碼并且在RS232端口輸出（19200波特，8N1格式）。不斷有新的半位數(shù)據(jù)到達(dá)并且在FIFO隊(duì)列等待主程序處理，確保沒(méi)有丟失數(shù)據(jù)。RFID讀卡器能讀取任何標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽且與EM4102兼容。

二、線(xiàn)圈

RFID讀寫(xiě)器與標(biāo)簽都采用最簡(jiǎn)單的自繞線(xiàn)圈，至少在非常少的數(shù)量下，特定規(guī)格現(xiàn)成的線(xiàn)圈無(wú)法購(gòu)得。計(jì)算此類(lèi)電感空芯線(xiàn)圈的公式如下：

電感其中d是導(dǎo)線(xiàn)的直徑，D是線(xiàn)圈的直徑，N是線(xiàn)圈的圈數(shù)。

下表的第4列是根據(jù)公式計(jì)算的電感量，第5列是用電感測(cè)量?jī)x實(shí)測(cè)的電感量，可以看出，后者比前者偏小且不超過(guò)10%，實(shí)際制作時(shí)根據(jù)公式計(jì)算的值已經(jīng)足以使用，也可以根據(jù)實(shí)測(cè)電感找出制作參數(shù)來(lái)。

三、RFID軟件

根據(jù)時(shí)鐘速率為125KHz，半個(gè)數(shù)據(jù)位持續(xù)32個(gè)時(shí)鐘周期，為了避免復(fù)雜的計(jì)算，可以使用定時(shí)器0的PWM功能。

設(shè)置計(jì)時(shí)器O計(jì)數(shù)64就溢出，返回O重新計(jì)數(shù)，(通過(guò)軟件設(shè)置OCROA為64-1=63)，并設(shè)置了PWM值為50%（軟件設(shè)置OCROB為32）。定時(shí)器0的PWM發(fā)生器每到計(jì)數(shù)值到達(dá)32時(shí)，可以安插在高至低的跳變（如圖8最左邊箭頭示）．也可以安插在低至高的跳變。上圖中上面一排是5位曼徹斯特碼流值，下右側(cè)標(biāo)注定時(shí)器計(jì)數(shù)值。

因此，只需通過(guò)改變PWM發(fā)生器的寄存器堆的一位，我們就可以產(chǎn)生符合曼徹斯特碼編碼的一個(gè)0或1。這一過(guò)程在中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。

寄存器IntBit包括了被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位，并且將IntMail設(shè)置為1作為應(yīng)答，表示確認(rèn)該位已被接收。主程序只是逐位傳輸數(shù)據(jù)及產(chǎn)生校驗(yàn)碼，確保系統(tǒng)在一個(gè)不穩(wěn)定的電源電壓系統(tǒng)下能穩(wěn)定工作，將欠壓檢測(cè)閾值設(shè)置為1.8V且啟動(dòng)看門(mén)狗。

四、數(shù)據(jù)包和有效載荷

一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，形成如下表所示。

數(shù)據(jù)包包括9個(gè)部分。前導(dǎo)的同步碼連續(xù)9個(gè)1不能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)包的其他地方，因此可以用來(lái)識(shí)別它的開(kāi)始。正確的數(shù)據(jù)位和有效荷載在前同步碼的后面。有效載荷由十組4位二進(jìn)制數(shù)或半字節(jié)組成。前兩個(gè)半字節(jié)是客戶(hù)ID后面是8位半字節(jié)數(shù)據(jù)跟隨。先發(fā)送一個(gè)半字節(jié)列校驗(yàn)位（每列10個(gè)二進(jìn)制數(shù)中有奇數(shù)個(gè)1為1否則為0），緊隨其后的是一個(gè)0。所以總的數(shù)據(jù)包包含9（起始）+10×(4+1)（有效載荷）+4（列校）+1（最后位0）=64bits。每位持續(xù)64位的125kHz的時(shí)鐘周期，所以比特率是1935.125BPS。故一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包需要32.768mS傳輸。

使用此協(xié)議的RFID標(biāo)簽，內(nèi)部含有有8個(gè)半字節(jié)數(shù)據(jù)和兩個(gè)半字節(jié)ID碼，總共有10位十六進(jìn)制數(shù)字或40位二進(jìn)制數(shù)。這足以傳輸大量信息。如果需要進(jìn)一步擴(kuò)展，也可照此類(lèi)推。

五、RFID標(biāo)簽的建設(shè)和擴(kuò)展

為了使RFID標(biāo)簽更容易地調(diào)整諧振電路，電容器和線(xiàn)圈可以通過(guò)插頭和插座相接，以便用不同的線(xiàn)圈來(lái)替代試用。經(jīng)驗(yàn)表明，諧振電容的最佳值是理論計(jì)算值的110%左右。

因?yàn)楸局谱髦蠷FID標(biāo)簽已經(jīng)寫(xiě)入用戶(hù)碼，做一個(gè)新的RFID標(biāo)簽就需要修改程序重新寫(xiě)入。

在印制電路板上的插頭Kl可以用來(lái)連接開(kāi)關(guān)、電位器和通過(guò)讀卡器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)訪問(wèn)的其它線(xiàn)圈。

線(xiàn)圈可旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)盡可能實(shí)現(xiàn)讀標(biāo)簽，同理還可以在高壓環(huán)境進(jìn)行電氣隔離。在液態(tài)物質(zhì)中線(xiàn)圈操作暫停，在干燥的情況下又可以恢復(fù)。

六、動(dòng)態(tài)ID和狀態(tài)請(qǐng)求

第一個(gè)例子，我們認(rèn)為一個(gè)RFID標(biāo)簽可以經(jīng)過(guò)編程在兩個(gè)ID代碼之間進(jìn)行切換，這個(gè)思路可以用來(lái)制作來(lái)一把RFID鑰匙開(kāi)多把RFID鎖。

第一個(gè)方案是使用一個(gè)開(kāi)關(guān)在兩種代碼之間來(lái)選擇。有兩種實(shí)施辦法：遙控改變開(kāi)關(guān)的位置，或通過(guò)按鈕改變標(biāo)簽的ID。此開(kāi)關(guān)是連接接口B．4（ATtiny13的第3腳）和GND之間的端口。

第二個(gè)方案多數(shù)字輸入量的采集。自從RFID標(biāo)簽使用了微控制器，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)有很寬范圍的選項(xiàng)。設(shè)計(jì)者必須始終考慮電流消耗，因?yàn)闃?biāo)簽所有的能量最終均來(lái)自傳輸線(xiàn)圈。一個(gè)簡(jiǎn)單的選項(xiàng)用移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)并行到串行的轉(zhuǎn)換。如下圖所示，8個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)串行通過(guò)PB4經(jīng)過(guò)K1接口連接到RFID的主板上。

七、帶有兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的RFID

ATtiny13有兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)此性能來(lái)制作可以無(wú)線(xiàn)測(cè)量電壓的RFID標(biāo)簽。

該軟件包中包括實(shí)現(xiàn)兩路A/D轉(zhuǎn)換的程序，將模擬量轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量，并且將這些數(shù)字量通過(guò)ID代碼方式返回至讀卡器。A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓取自ATtiny13的供電的電壓，這有一定的好處也有缺點(diǎn)：例如，如果有必要去讀取的兩個(gè)電位器的位置時(shí)，它們可以輕易地與ATtiny13的電源連接，滑動(dòng)片接模擬輸入端。其結(jié)果是，轉(zhuǎn)換的結(jié)果與電源電壓無(wú)關(guān)，被測(cè)電壓高低只是與電源電壓‘比例’在變化：稱(chēng)之為比例轉(zhuǎn)換。所以被測(cè)傳感器必需與ATtiny13同電源供電。如MMA7260加速度測(cè)量傳感器。測(cè)量?jī)陕芳铀俣冉?jīng)過(guò)比例轉(zhuǎn)換，結(jié)果只與加速度有關(guān)而與電源電壓無(wú)關(guān)。如果不是電位器而是獨(dú)立電源的話(huà)，結(jié)果就不是這樣。這種情況下，用Zener二極管或微型3.3V穩(wěn)壓器用來(lái)為微控制器和傳感器提供電源穩(wěn)壓。用來(lái)測(cè)量絕對(duì)電壓。也就是供應(yīng)RFID標(biāo)簽的電壓等于A/D轉(zhuǎn)換參考電壓，此電壓一定要大于3.3V或更高。這就取決于標(biāo)簽與讀卡器的距離。還有另一種設(shè)計(jì)方案是使用如LM385低功耗參考電壓源（如2.5伏）給一路A/D轉(zhuǎn)換器輸入，另一路則是被測(cè)電壓的比例轉(zhuǎn)換，并以此來(lái)校準(zhǔn)電源電壓的影響。經(jīng)過(guò)精確的測(cè)量和校準(zhǔn)，然后才能算出被測(cè)電壓。

八、RFID溫度傳感器

Dallas/MaximDS1820的溫度傳感器通過(guò)它的單總線(xiàn)接口的連接。這個(gè)接口很容易在軟件中實(shí)現(xiàn)，盡管它速度相對(duì)緩慢。當(dāng)訪問(wèn)DS1820的溫度傳感器時(shí)，RFID標(biāo)簽中的微控制器必須停止對(duì)讀卡器的響應(yīng)。

這對(duì)讀卡器來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，因?yàn)樗l(fā)送起始碼期間通常需要等待片刻，經(jīng)過(guò)與傳感器IC通信完成，溫度值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制值，然后被轉(zhuǎn)為ID代碼格式。因此，RFID傳感器提供的溫度值幾乎為“純文本”。下圖顯示了如何將DS1820連接至RFID主板。原則上，軟件可以處理若干溫度傳感器或其他單總線(xiàn)集成電路。

九、RFID傳感器調(diào)試

我們前面討論的例子展示它是如何建立自己的RFID標(biāo)簽。當(dāng)你測(cè)試自己的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和調(diào)試必須始終牢記。最簡(jiǎn)單的方法是使用ISP接口技術(shù)。然而，靠來(lái)自線(xiàn)圈的能量不足以維持標(biāo)簽的微控制器編程需要，并為此開(kāi)發(fā)了如下圖的適配器接口。可以通過(guò)ISP的接口對(duì)包含了RFID和傳感器的軟件的ATtiny13進(jìn)行編程，而且像RFID主板上的K1一樣，同樣的傳感器可以連接到K3的這塊板上。適配器上的插座K2與讀卡器上的K4連接，然后讀卡器提供給ATtiny13125KHz時(shí)鐘，通過(guò)它在PB1口進(jìn)行數(shù)據(jù)流輸出。這種方法可以很方便的測(cè)試新的RFID傳感器軟件。