作者：樊文輝

這個制作中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標簽的數(shù)據(jù)通過已經(jīng)安裝的電路板上一些SMD元器件傳輸?shù)紸TM18測試板。

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標簽。我們接著看到如何將傳感器連接到標簽，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。

一、能量傳遞

EM41022型號的電子標簽的能量獲得是需要通過頻率為125kHz時的電感耦合來實現(xiàn)的，作者認為這個設(shè)備能勝任的，自制RFID標簽就不成問題。此外，通過EM4102提供的數(shù)據(jù)速率不是很高，簡單的微型控制器都適用。

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

接收線圈(L1)為95匝、1mH，并聯(lián)于L1的諧振電容C1調(diào)諧與125KHz。發(fā)送和接收線圈的位置高于其他元件，且相距20mm。電流和電壓的曲線通過調(diào)節(jié)R測出如下圖示。下圖(a)是測量電壓與電流的函數(shù)關(guān)系，而下圖(b)顯示的是傳輸在負載上功率曲線。三條曲線分別顯示調(diào)諧于200pF、遠大于，遠小于200pF的情況，以示失諧情況的影響。下圖中可以看到在輸出3V電壓時它能耦合數(shù)十毫瓦的能量。一個ATtiny微型控制器在時鐘頻率為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。因此看起來提供微型控制器運行所需的足夠功率不是難題。

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

下圖顯示制作的電子標簽的完整電路圖。通過L1和C1形成的諧振回路提供微型控制器時鐘。同時125kHz的AC信號經(jīng)過二極管整流提供給CPU電源（或功率）。NMOS管T1的導(dǎo)通使諧振電路加上R3負載使振蕩幅度減小，并且它通過調(diào)制信號實現(xiàn)微型控制器傳輸數(shù)據(jù)。但是，信號幅度必須不能過度減少，否則微型控制器因時鐘失步而造成出錯。

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

AVR/GCC)嵌入。讀卡器的最佳設(shè)計是元器件使用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，是非常簡單的并且很容易手工繪制電路板。但是按翻拍會使制作PCB更簡單，裝有EM4095的4號板與5號板通過接口K3連接。在電路板上連接點為ANT1和ANT2外接線圈，其電感量為750μH，這并不嚴格，由于EM4095內(nèi)部有一個鎖相環(huán)會自動調(diào)節(jié)頻率。

從RFID標簽的數(shù)據(jù)串是通過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工作是提取數(shù)據(jù)位。這項工作是在中斷服務(wù)程序中實施的，每秒要進行31250中斷，(8MHz/256=31250)。1個完整的數(shù)據(jù)位占16個中斷周期見下下圖示。（注：一個數(shù)據(jù)位占64個125kHz/8μS脈沖，即512μS：定時器一個中斷間隔為1S/31250=32μS，兩者相除512/32=16?？梢娺B續(xù)16個低電平則為數(shù)據(jù)O，連續(xù)16個高電平為數(shù)據(jù)1）。

以上為曼徹斯特碼的代碼片斷。碼長測量由接口PIND．4的電平實現(xiàn)：只有輸入數(shù)據(jù)串的位數(shù)與原來的位數(shù)相同時電平是穩(wěn)定的。當電平改變時，原有位數(shù)添入了一個或者兩個半位。根據(jù)測量持續(xù)時間，一個或者兩個半位儲存在一個先進先出隊列中供后續(xù)處理。

解碼程序本身占FIFO隊列的半位。第一個任務(wù)是識別數(shù)據(jù)包的起始位：為了實現(xiàn)這個目的，程序沿著移位寄存器逐個移動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)到達并且在FIFO隊列等待主程序處理，確保沒有丟失數(shù)據(jù)。RFID讀卡器能讀取任何標準的RFID標簽且與EM4102兼容。

二、線圈

RFID讀寫器與標簽都采用最簡單的自繞線圈，至少在非常少的數(shù)量下，特定規(guī)格現(xiàn)成的線圈無法購得。計算此類電感空芯線圈的公式如下：

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

下表的第4列是根據(jù)公式計算的電感量，第5列是用電感測量儀實測的電感量，可以看出，后者比前者偏小且不超過10%，實際制作時根據(jù)公式計算的值已經(jīng)足以使用，也可以根據(jù)實測電感找出制作參數(shù)來。

三、RFID軟件

根據(jù)時鐘速率為125KHz，半個數(shù)據(jù)位持續(xù)32個時鐘周期，為了避免復(fù)雜的計算，可以使用定時器0的PWM功能。

設(shè)置計時器O計數(shù)64就溢出，返回O重新計數(shù)，(通過軟件設(shè)置OCROA為64-1=63)，并設(shè)置了PWM值為50%（軟件設(shè)置OCROB為32）。定時器0的PWM發(fā)生器每到計數(shù)值到達32時，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)標注定時器計數(shù)值。

因此，只需通過改變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0或1。這一過程在中斷服務(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)生校驗碼，確保系統(tǒng)在一個不穩(wěn)定的電源電壓系統(tǒng)下能穩(wěn)定工作，將欠壓檢測閾值設(shè)置為1.8V且啟動看門狗。

四、數(shù)據(jù)包和有效載荷

一個完整的數(shù)據(jù)包，形成如下表所示。

數(shù)據(jù)包包括9個部分。前導(dǎo)的同步碼連續(xù)9個1不能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)包的其他地方，因此可以用來識別它的開始。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位二進制數(shù)或半字節(jié)組成。前兩個半字節(jié)是客戶ID后面是8位半字節(jié)數(shù)據(jù)跟隨。先發(fā)送一個半字節(jié)列校驗位（每列10個二進制數(shù)中有奇數(shù)個1為1否則為0），緊隨其后的是一個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的時鐘周期，所以比特率是1935.125BPS。故一個完整的數(shù)據(jù)包需要32.768mS傳輸。

使用此協(xié)議的RFID標簽，內(nèi)部含有有8個半字節(jié)數(shù)據(jù)和兩個半字節(jié)ID碼，總共有10位十六進制數(shù)字或40位二進制數(shù)。這足以傳輸大量信息。如果需要進一步擴展，也可照此類推。

五、RFID標簽的建設(shè)和擴展

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

因為本制作中RFID標簽已經(jīng)寫入用戶碼，做一個新的RFID標簽就需要修改程序重新寫入。

在印制電路板上的插頭Kl可以用來連接開關(guān)、電位器和通過讀卡器進行無線訪問的其它線圈。

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

六、動態(tài)ID和狀態(tài)請求

第一個例子，我們認為一個RFID標簽可以經(jīng)過編程在兩個ID代碼之間進行切換，這個思路可以用來制作來一把RFID鑰匙開多把RFID鎖。

第一個方案是使用一個開關(guān)在兩種代碼之間來選擇。有兩種實施辦法：遙控改變開關(guān)的位置，或通過按鈕改變標簽的ID。此開關(guān)是連接接口B．4（ATtiny13的第3腳）和GND之間的端口。

第二個方案多數(shù)字輸入量的采集。自從RFID標簽使用了微控制器，實現(xiàn)這一目標有很寬范圍的選項。設(shè)計者必須始終考慮電流消耗，因為標簽所有的能量最終均來自傳輸線圈。一個簡單的選項用移位寄存器來實現(xiàn)并行到串行的轉(zhuǎn)換。如下圖所示，8個開關(guān)的狀態(tài)串行通過PB4經(jīng)過K1接口連接到RFID的主板上。

七、帶有兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的RFID

ATtiny13有兩個A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計者可以根據(jù)此性能來制作可以無線測量電壓的RFID標簽。

該軟件包中包括實現(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：例如，如果有必要去讀取的兩個電位器的位置時，它們可以輕易地與ATtiny13的電源連接，滑動片接模擬輸入端。其結(jié)果是，轉(zhuǎn)換的結(jié)果與電源電壓無關(guān)，被測電壓高低只是與電源電壓‘比例’在變化：稱之為比例轉(zhuǎn)換。所以被測傳感器必需與ATtiny13同電源供電。如MMA7260加速度測量傳感器。測量兩路加速度經(jīng)過比例轉(zhuǎn)換，結(jié)果只與加速度有關(guān)而與電源電壓無關(guān)。如果不是電位器而是獨立電源的話，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)壓器用來為微控制器和傳感器提供電源穩(wěn)壓。用來測量絕對電壓。也就是供應(yīng)RFID標簽的電壓等于A/D轉(zhuǎn)換參考電壓，此電壓一定要大于3.3V或更高。這就取決于標簽與讀卡器的距離。還有另一種設(shè)計方案是使用如LM385低功耗參考電壓源（如2.5伏）給一路A/D轉(zhuǎn)換器輸入，另一路則是被測電壓的比例轉(zhuǎn)換，并以此來校準電源電壓的影響。經(jīng)過精確的測量和校準，然后才能算出被測電壓。

八、RFID溫度傳感器

Dallas/MaximDS1820的溫度傳感器通過它的單總線接口的連接。這個接口很容易在軟件中實現(xiàn)，盡管它速度相對緩慢。當訪問DS1820的溫度傳感器時，RFID標簽中的微控制器必須停止對讀卡器的響應(yīng)。

這對讀卡器來說不是問題，因為它發(fā)送起始碼期間通常需要等待片刻，經(jīng)過與傳感器IC通信完成，溫度值轉(zhuǎn)換為十進制值，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標簽。當你測試自己的應(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試必須始終牢記。最簡單的方法是使用ISP接口技術(shù)。然而，靠來自線圈的能量不足以維持標簽的微控制器編程需要，并為此開發(fā)了如下圖的適配器接口。可以通過ISP的接口對包含了RFID和傳感器的軟件的ATtiny13進行編程，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時鐘，通過它在PB1口進行數(shù)據(jù)流輸出。這種方法可以很方便的測試新的RFID傳感器軟件。