În numărul trecut am prezentat teoria, factorii de care depinde distanţa de citire a sistemelor de identificare prin radiofrecvenţă şi unele probleme ce pot apare.
Acum continuăm cu un exemplu concret de proiectare al unui asemenea sistem.
Deoarece în domeniul identificării articolelor cu ajutorul tagurilor nu există aplicaţii “tipice” (fiecare aplicaţie are cerinţe diferite, uneori complet deosebite), ne vom concentra pe o aplicaţie cu rază de citire medie, şi vom da indicaţii despre variaţiile posibile care permit îndeplinirea diferitelor cerinţe reale. Opţiunile prezentate ilustrează modul de proiectare pentru o gamă destul de largă de sisteme RFID.
Iată cerinţele aplicaţiei folosite ca exemplu:
Limitele dimensiunilor tagului: diametrul 2.5cm, grosimea 25mm;
Limitele mărimii cititorului: 20cm x 20cm x 4cm;
Raza de citire impusă: 40cm;
Cerinţe de memorie: 760 biţi, re-inscripţionabilă;
Numărul maxim de taguri aflate în orice moment în câmpul cititorului: 25;
Condiţii de mediu: apă, chimicale, nu există piese metalice mari.
Pasul 1: Alegerea unui dispozitiv RFID.
Cum raza de citire este dublul aperturii maxime a antenei cititorului, iar diametrul tagului este mai degrabă mic, este indicat de folosit un tag cu factor de calitate mare. Este mai uşor de fabricat un tag cu Q ridicat la frecvenţa de 13.56MHz decât la 125kHz, deoarece sunt necesare numai 4-5 spire pentru bobina antenei, faţă de 200-300 de spire la 125kHz.
Numărul relativ mare de biţi şi cerinţa ca informaţia să poată fi inscripţionată limitează şi mai mult alegerea dispozitivului. Vom folosi integratul MCRF450 pentru tag. Acest dispozitiv are o capacitate totală de memorie de 1K bit de date, din care o parte sunt consumaţi de propriul său Cod unic de identificare (Unique ID Code) şi alţi regiştrii de control, dar mai rămân pentru utilizator 864 de biţi de memorie. Această memorie poate fi rescrisă, şi poate fi protejată la scriere cu o parolă cunoscută doar de utilizator. Deoarece în lista noastră cu specificaţii nu s-a precizat pentru ce vor fi rezervaţi cei 760 biţi, este posibil ca inginerul să fi avut de gând să includă în ei numărul de serie (Serial Number), ceea ce ar reduce numărul necesar de biţi pentru utilizator, dar în orice caz circuitul integrat MCRF450 este suficient. MCRF450 mai include şi un algoritm avansat anti-coliziune, ceea ce-i permite să adreseze mult mai mult de 25 de taguri aflate în câmpul cititorului.
Opţiuni:
(a) În acest exemplu s-ar putea folosi un dispozitiv pe frecvenţa de 125kHz, dacă factorul său Q ar putea fi făcut suficient de mare, şi dacă nivelul de tensiune de pornire este suficient pentru a asigura citirea de la o distanţă de 40cm. Ce avantaje ar avea un tag de frecvenţă joasă? Dacă în aplicaţie tagurile ar trebui să vină în contact cu o mulţime de suprafeţe metalice (ceea ce nu este cazul), atunci frecvenţa de 125kHz ar fi o alegere mai bună, tocmai pentru că tagurile la această frecvenţă au un Q mai redus care le face mai imune la deplasarea acordului. Dar în acest caz cerinţa referitoare la raza de citire ar trebui scăzută, deoarece inevitabil factorul Q este mai redus. Trebuie menţionat că dispozitivele pe 13.56MHz pot fi transformate în taguri cu Q scăzut, dacă este cazul, folosind una din următoarele metode: (i) pentru antenă se folosesc paste (cerneluri) conductoare. Sunt disponibile mai multe tipuri de paste conductoare serigrafiabile, dar toate au o rezistivitate mult mai ridicată decât bobinajul cu sârmă de cupru, şi astfel factorul de calitate va fi mai redus; (ii) folosirea unui fir foarte subţire la înfăşurări, care de asemenea duce la o creştere a rezistenţei bobinei; sau (iii) conectarea unui rezistor discret sau cu straturi groase în paralel pe circuitul LC, care îi va reduce factorul de calitate.
(b) Viteza de citire nu a fost specificată în exemplul de faţă. Dacă se impune o viteză de citire foarte ridicată (de exemplu, o bandă transportoare ce se deplasează cu 130 de metri pe minut) este necesar un dispozitiv special. Sunt disponibile astfel de taguri, care se numesc TTF (Tag-Talk-First), cum ar fi modelul MCRF355, dar cerinţa de memorie ar trebui redusă, deoarece MCRF355 oferă doar 154 biţi de date pentru utilizator. Se va realiza un compromis între abordarea cu bază de date centralizată şi cea cu bază de date distribuite, tagul va cuprinde doar un index către informaţiile dorite. Circuitul integrat de tag MCRF355 este proiectat în primul rând ca să memoreze un număr de serie, spre a folosi ca indicator către o bază de date centrală (la fel ca la etichetele cu coduri de bare), în timp ce integratul MCRF450 a fost proiectat cu o memorie mult mai adâncă, astfel ca să poată fi folosit ca o bază de date distribuită, ce nu mai trebuie să apeleze calculatorul central.
(c) Dacă condiţiile de mediu ambiant ar fi fost mai uşoare, iar tagurile puteau fi citite doar unul o dată, se putea folosi o etichetă cu cod de bare bidimensional în loc de tag RFID. Etichetele cu coduri de bare 2-D pot găzdui o mare cantitate de informaţii pentru bazele de date distribuite. Nu au fost precizate cerinţele de preţ: dacă se impunea un preţ foarte scăzut, un cod de bare de uz industrial ar fi putut îndeplini cerinţele. Totuşi, etichetele cu cod de bare, industriale sau nu, bidimensionale sau nu, nu sunt reinscripţionabile şi nu oferă celelalte avantaje ale sistemelor RFID!
(d) Dacă aplicaţia ar fi pusă la punct pentru o regiune sau ţară unde fie că este prezent un zgomot puternic pe frecvenţa de 13.56MHz, fie că reglementările Guvernului limitează foarte mult emisiile în această bandă, problema se poate rezolva simplu folosind integratele MCRF355 şi MCRF450 pe altă frecvenţă purtătoare, cum ar fi 3MHz, 6MHz, 22MHz, etc. Proiectul lor asincron înseamnă că aceste dispozitive folosesc unda purtătoare doar pentru alimentare, nu pentru semnale de sincronizare. Atâta timp cât circuitul oscilant LC este acordat pe noua frecvenţă, ambele dispozitive vor lucra corect pe frecvenţe diferite de 13.56MHz. Are loc un compromis totuşi: dacă se foloseşte o frecvenţă mai joasă, pentru a atinge inductanţa mai mare necesară vor trebui mai multe spire în bobina antenei, astfel că factorul de calitate ar putea fi diminuat.
(e) În acest exemplu de proiectare nu s-au impus cerinţe privind aranjarea în spaţiu a tagurilor. Dacă cele 25 de taguri sunt plasate pe laterală sau distanţate pe orice direcţie cu câte cel puţin un diametru, atunci un tag cu Q ridicat va funcţiona corect. Dar dacă cele 25 de taguri sunt stivuite unul peste celălalt, un factor Q ridicat este dăunător, din cauza efectelor de dezacordare a circuitelor (efecte de inductanţă mutuală). În acest caz trebuie avută în vedere o proiectare pentru factor Q scăzut, fie trecând pe frecvenţa de 125kHz (chiar la această frecvenţă tagurile vor avea nevoie de ajutor pentru a scădea factorul Q la un nivel foarte mic), fie printr-una din tehnicile menţionate în opţiunea (a) de mai sus. De notat că reducerea lui Q inevitabil scade şi raza de citire – întotdeauna există un compromis (trade-off).
Pasul 2: Carcasa tagului.
Din cauza mediului relativ dur, cu apă şi chimicale, nu se poate folosi un tag deschis, de tip etichetă. Trebuie utilizată o carcasă sau o înglobare în răşină care să fie etanşă la apă şi rezistentă la agenţii chimici. Se pot folosi o varietate de răşini epoxidice, PVC sau un disc de plastic. Înfăşurările din interiorul tagului pot fi făcute din sârmă de cupru bobinată în aer, aluminiu sau cupru corodate, sau paste conductoare depuse. Numărul de spire nu este mare, dar se impune un factor de calitate ridicat pentru a asigura raza de citire, aşa că cele mai bune opţiuni pentru aplicaţie ar fi sârmă de cupru de diametru mare sau inserţie de cupru corodat.
(a) Dacă condiţiile de mediu ar permite-o, s-ar putea folosi un tag mai ieftin, de tip etichetă. Aceste taguri nu au carcasă, o bobină cu 4-5 spire este corodată sau depusă pe un dielectric subţire, flexibil. Unele procese folosesc ambele feţe, iar altele o singură faţă a dielectricului, dar în ambele cazuri rezultatul este antenă plată, subţire ca hârtia, ce poate fi lipită în interiorul unei etichete, fie citibilă de către oameni, fie cu cod de bare, sau ataşată direct obiectului ce trebuie urmărit.
(b) Pe de altă parte, dacă raza de citire nu ar fi impusă, şi dacă s-ar fi impus constrângeri mai severe pentru mărime, se putea folosi un tag încapsulat în sticlă, nu mai mare decât un bob de orez! Asemenea taguri miniatură includ o înfăşurare bobinată pe un miez de ferită, ce poate fi proiectat să lucreze fie pe frecvenţa de 125kHz, fie pe 13.56MHz.
Pasul 3: Proiectarea circuitului LC.
Toate sistemele de tagging RFID care sunt pasive şi cu cuplaj inductiv folosesc circuite LC paralele în antena tagului şi circuite LC serie în antena cititorului. Aceasta se face pentru a asigura un cuplaj cât mai bun şi transferul maxim de energie de la cititor către tag. Pentru a genera de la aparatul de citire câmpul magnetic maxim, curentul maxim prin înfăşurare trebuie să fie atins la frecvenţa de rezonanţă – deoarece curentul prin bobină este cel care generează un câmp magnetic. De aceea pentru antena cititorului se foloseşte un circuit oscilant LC serie, a cărui impedanţă devine zero la rezonanţă. Corespunzător, în tag vrem să maximizăm câştigul de tensiune la rezonanţă. De aceea se foloseşte un circuit oscilant LC, a cărui impedanţă tinde la infinit în momentul rezonanţei.
Ecuaţia pentru acordul ambelor tipuri de circuite este dată de:
De obicei, pentru tag este cel mai bine să începem cu o valoare pentru condensator care să fie uşor disponibilă în producţie, şi apoi să calculăm inductanţa L necesară şi să bobinăm înfăşurările pentru atingerea valorii date de această ecuaţie. În acest exemplu, alegem o valoare de 100pF pentru condensator. Rezolvând ecuaţia 1 pentru inductanţă avem L = 1/(22p2Cf2) = 1.38mH.
La bobinarea unei inductanţe spirele folosim următoarea ecuaţie:
unde:
a = distanţa de la centrul spiralei la centrul înfăşurării, în cm;
b = lăţimea înfăşurărilor, în cm;
N = numărul de spire.
inductanţa L se exprimă în mH.
Rezolvând ecuaţia pentru N folosind a = 1 cm şi b = 0.5 cm (valori care să se încadreze bine în limitele de dimensiuni pentru tag) găsim că N = 4,3 ture.
Ecuaţia se modifică atunci când se foloseşte un conductor plat, cum ar fi un intrând depus sau corodat, iar realizarea antenei implică aproape totdeauna ceva încercări şi verificări, datorită spaţierii înfăşurărilor, dificultăţii în a realiza ultima spiră egală cu 0,3 etc., dar această valoare reprezintă un bun punct de plecare.
Antena cititorului necesită adeseori o tehnică de proiectare specială, ca să maximizeze câmpul magnetic local (pentru a asigura o rază de citire suficientă) concomitent cu minimizarea emisiilor de câmp electric la o distanţă de 30m (ca să nu depăşească limitele impuse de reglementări).
În acest exemplu vom face doar o antenă simplă, cu o singură buclă, ce poate fi corodată pe placa de cablaj imprimat a cititorului. În loc să alegem mai întâi condensatorul, vom alege în primul rând dimensiunile inductorului nostru. Pentru a maximiza raza de citire, vom vrea să folosim toată circumferinţa disponibilă pe placa de cablaj a cititorului. O dată ce am determinat pe L folosind ecuaţia 3, putem calcula capacitatea C folosind ecuaţia 1. Observăm că ecuaţia pentru această antenă (mai simplă!) este mult mai complexă decât ecuaţia 2 pe care am folosit-o pentru inductanţa multitur bobinată cu fir
Unde
a = lungimea unei laturi a buclei pătrate, în inci;
t = grosimea materialului, în inci;
N = numărul de spire (ture);
w = lăţimea traseului conductor, în inci;
L se exprimă în mH.
Introducând dimensiunile cablajului nostru (presupunem că se lasă o margine pentru carcasă, etc.), vom folosi valorile a = 7 inci, w = 0.25 inch, t = .002” (circuit imprimat acoperit cu strat de cupru in grosime de 50 microni), şi N = 1. Rezolvăm apoi ecuaţia pentru L, găsim L = 0.576 mH. Determinăm valoarea capacităţii cu ecuaţia 1, găsim C = 239pF. O valoare standard este 220pF, iar prin adăugarea unui condensator de 22pF în paralel obţinem un total de 242pF, care introdus în ecuaţie ne dă o frecvenţă f de 13.48MHz, foarte aproape de valoarea ţintă de 13.56MHz. În realitate, inductanţa L nu va fi determinată cu precizie absolută, din cauza inductanţei punctelor de conexiune, a devierilor în jurul coselor de montaj, a separării celor două puncte de conexiune şi a toleranţei de fabricaţie, aşa că adeseori este necesară utilizarea unei diode varicap sau a unui condensator ajustabil pentru a realiza acordul în producţia de serie.
(a) pentru bobina tagului se putea folosi un conductor plat în loc de bobinaj cu sârmă; în acest caz ar trebui să folosim ecuaţia 3 (pentru o bobină pătrată) sau ecuaţia 2 pentru una rotundă.
(b) invers, pentru antena cititorului se poate folosi o bobină cu înfăşurări de fir, în locul unui traseu de cupru pe cablajul imprimat. Datorită inductanţei şi rezistenţei unei spire mari din sârmă de cupru, în general la această frecvenţă ne limităm la o singură spiră. O antenă în formă de bucşă circulară, cu o singură spiră, are inductanţa dată de relaţia:
Unde
a = raza medie a buclei, în cm, iar
d = diametrul firului, în cm
L este în mH
(c) De remarcat că factorul de calitate, Q, nu apare în nici-una din ecuaţiile pentru calculul bobinelor şi condensatoarelor. Aceasta deoarece rezistivitatea, care controlează pe Q, este independentă de parametrii reactivi folosiţi în ecuaţiile pentru acordul circuitelor oscilante. Totuşi, materialele alese pentru înfăşurări vor afecta foarte mult factorul Q, deoarece fiecare material are o rezistenţă caracteristică pe unitatea de lungime. Din acest motiv, materialul trebuie ales cu grijă, având în vedere cerinţele întregii aplicaţii de identificare prin radiofrecvenţă.
În acest articol am văzut că:
1. Optimizarea pentru raza de citire este o complexă problemă de sistem; nu există un singur component sau un singur parametru care să determine bătaia maximă a sistemului. Un circuit integrat pentru tagging, cum sunt cele produse de Microchip Technology, nu are în sine o rază de citire, poate doar să maximizeze sau să minimizeze partea sa din sistem. Numai sistemul pe ansamblu poate să aibă o anumită rază de citire.
2. Actualmente, avem la dispoziţie pentru realizarea tagurilor RFID şi a cititoarelor corespunzătoare o gamă largă de dispozitive semiconductoare, materiale şi tehnici, cu proprietăţi ce diferă considerabil. De aceea este foarte importantă alegerea lor cu grijă, pentru fiecare aplicaţie în parte.
3. Optimizarea razei de citire a tagurilor RFID este mai complicată decât v-aţi imaginat!
4. Însă folosind indiciile, liniile de ghidare şi ecuaţiile prezentate în articol, optimizarea razei de citire a sistemelor RFID devine mai simplă decât vă imaginaţi …
PENTRU REFERINŢE ŞI O TRATARE COMPLETĂ A TEORIEI ŞI PROIECTĂRII ANTENELOR PENTRU RFID, PUTEŢI VEDEA:
– 13.56MHz RFID System Design Guide,
– DS#21299 şi 125kHz RFID System Design Guide,
– DS#51115, de la firma Microchip Technology Inc.
– Ecuaţiile au fost luate din nota de aplicaţii AN710 scrisă de Dr. Youbok Lee, publicată în 1999 de Microchip Technology Inc.
Peter Sorrells
Microchip Technology Inc.
www.microchip.com
Ing. Cristian Malide
e-mail: cmalide@fx.ro