Modulul Emitator-Transponder

Modulul Emitator-Transponder

1. Introducere

Transponderul se alimenteaza prin inscrierea unei bobine de 3VniHM in locasul sau. Cand transponderul este alimentat asteapta un semnal de joasa frecventa de 125KHz emis de statia baza. Pe placuta de citcuit se gaseste 3 bobine: una de dimensiuni  mai mari cu miez de aer situata in partea de sus conectata la pinul LCX si doua bobine cu miez de ferita in partea de jos conectate la pini LCY respectiv LCZ. Aceste bobine detecteaza semnalul de 125KHz din directiile x, y sau z.Transponderul mai are un emitator UHF ce functioneaza pe principiul SAW (Surface Acoustic Wave). O bucla dreptunghiulara imprimata pe circuit constituie antena emitatorului UHF. Trasponderul este prevazut cu doua LED-uri unul verde (D6) ce va clipi cand transponderul recepteaza un semnal valid LF si unul rosu (D7) ce va clipi cand acesta va emite raspunsul UHF (Ultra High Frequency).

Circuitul a fost proiectat sa functioneze fie ca un microcontroler PIC16F636, fie ca un PIC16F639. Cu mici modificari, se poate utiliza si un PIC12F635.

Circuitul dispune de urmatoarele dotari:

pana la 5 butoane configurate ca intrari;

una sau doua iesiri pentru LED-uri;

un emitator cu frecventa de 433.92MHz;

3-axis LF receiver.

Anexa6: Poza modulului emitator-transponder

2. Hardware-ul

Pentru aplicatiile dispozitivului pasiv de actionare la distanta (PKE) se utilizeaza un microcontroler PIC16F639 (figura1) si bobinele aferente receptiei semnalului de joasa frecventa.

Figura1

Cele 4 bobine (S1-S4) ale emitatorului sunt conectate la infasurarile corespunzatoare ale microcontrolerului. Utilizatorul poate confirma orice combinatie de cod. Iesirea RFEN este optionala si nu se utilizeaza deoarece iesirea sa este cu unul din pinii de intrare. Daca iesirea RFEN este validata, se va pierde acel buton de intrare.

Butonul S5 nu este asociat unui bit specific de cod, ci el transmite o functie diferita de utilizator, memorata in memoria EEPROM.

Memoria EEPROM de tip flash poate fi programata prin J1. Acest conector este compatibil cu programatoarele PICKIT1 si PIKIT2.

Modelul de utilizare a dispozitivului pasiv de actionare la distanta( PKE)

2.a.Placa transponderului

Specificatii tehnice

2.b.Emitatorul

Oscilatorul RF (Radio Frequency) utilizeaza un rezistor SAW (Surface Acoustic Wave) ce opereaza pe frecventa de 433,92MHz.

Emitatorul poate fi reconfigurat si/sau reprogramat fara a fi nevoie sa scoata microcontrolerul de pe placa datorita conectorului J1ce permite programarea

Conectorul pentru programare

Anexa7 prezinta schema circuitului emitator-transponder.

2.c.Utilizarea unui microcontroler PIC16F639

Microcontrrolerul PIC16F639 este cel mai potrivit a fi utilizat in aplicatiile ce implica o comunicare bidirectionala la frecvente joase. Dispozitivul include si un microcontroler PIC16F636 si un dispozitiv "front end" pe trei canale LF, in aceeasi capsula SSOP cu 20 de pini.

Cele doua dispozitive sunt conectate intern prin interfata SPI (Serial Parallel Interface). Sectiunea "front end" este optimizata in scopul detectarii semnalelor modulate pe 125KHz. Pentru aceasta, este necesar un circuit LC - rezonant extern. Dispozitivul poate detecta semnale modulate pe 125KHz, de amplitudini de pana la 3m. Aceste intrari de mare sensibilitate permit raze de detectie a semnalelor apreciabile.

Dispozitivul poate transmite date printr-un modulator de joasa frecventa intern in cazul distantelor mici sau printr-un rezonator extern UHF - pentru distante mai mari. Poate emite si recepta date securizate de catre dispozitivul Hardware KEELOQ.

O legatura bidirectionala se poate stabili cu statia de baza (base station) pe o distanta de pana la 3 metri (prin utilizarea rezonatorului intern).

Modulul are 3 canale de intrare de joasa frecventa (LF) fiecare canal avand proprii pini pentru conectarea antenelor externe. Asadar 3 antene pozitionate ortogonal pot fi conectate la dispozitiv pentru detectia semnalelor pe cele 3 axe (x, z si y), ceea ce reduce problemele legate de orientarea antenei la comunicatiile wireless.

Fiecare dintre canale are cate un condensator intern pentru acord fin programabile prin soft de 63pF (un pas de 1pF).

Functiile sectiunii "front end" sunt controlate de registre interne de configurare. MCU (Master Controll Unit) poate reprograma un mod dinamic registrele in functie de informatiile receptionate. Aceasta poate emite semnal nemodulat, semnal de clock sau un semnal de control ce indica puterea semnalului emis (RSSI - curent) prin starea anumitor biti din registrele de control.

Tot aceasta sectiune mai prezinta un filtru pe iesire configurabil in asa fel incat MCU (Master Controll Unit) poate fi "trezit" (wake-up) de catre un singur semnal ales, celelalte fiind ingnorate.

Pentru alimentarea de la baterii dispozitivul este optimizat in asa fel incat sa consume foarte putina energie in cele trei moduri de functionare (sleep, stand-by si active), deasemenea poate functiona in modul "battery back-up" sau chiar fara  baterie cu ajutorul unor circuite externe. Dispozitivul se prezinta in capsule SSOP 20 de pini.

Algoritmul de functionare al MCU

Comunicatia bidirectionala dintre statia baza si transponder este prezentata  in figua2.

Secventele de comunicatie dintre statia baza si transponder

Figura2

Statia baza trimite o comana (semnal de joasa frecventa pe 125KHz) receptioneaza raspunsul transponderului. Statia baza repeta functiile de emisie si receptie cat timp este alimentata figura3 ne arata comanda pe joasa frecventa, formatul datelor si forma de unda.

Figura3

Formatul datelor receptionate este prezentat in figura4.

Formatul datelor receptionate

Figura4

Semnalul comanda emis de statia baza consta dintr-o purtatoare de 125KHz modulata dupa cum urmeaza:

4ms ON pentru stabilizare;

500µs OFF;

2ms ON urmat de 2ms OFF (pentru validarea filtrului la iesire). Acest mod este dependent de setarile de configuratie ale AFE(output enable filter

10 biti de comanda (3C), paritatea si bitul de stop. Primul transmis este bitul LSB (Least Significant Bite). Datele sunt codate de un semnal PWM (Pulse Width Modulation) in figura5.

Datele codate in format PWM

Fgura5

50ms ON pentru esantionarea RSSI (received signal strength indicator

asteptarea unui raspuns valid din partea transponderului.

Teorie privind functionarea microcontrolerului

Microcontrolerul PIC16F639 si dispozitivul MCP2030 (tip de placa) sunt incorporate intr-o singura capsula SSP cu 20 de pini pentru aplicatii ce utilizeaza comunicatii bidirectionale, comunicand printr-o interfata SPI - interna.

Dispozitivul are 12 pini In - Out pentru semnale digitale si 4 pini In - Out pentru semnale analogice. Cei 4 pini pentru semnalele analogice pot fi utilizati pentru detectia semnalelor de joasa frecventa si pentru transmisa datelor. Circuitul rezonant LC extern este conectat la cei 4 pini, acestia fiind optimizati pentru semnalele cu frecventa de 125KHz avand o sensibilitate de intrare de aproximativ 3m

Configuratia registrelor interne

Sectiunea MCP2030 (front end) are 8 registri de configurare. Sase dintre ei se utilizeaza la setarea functionarii dispozitivului, unul este pentru bitii de paritate si ultimul pentru indicarea statusului dispozitivului.

Fiecare registru este format din 9 biti inclusiv un bit de paritate. Toti registrii sunt      read-write cu exceptia celui de status, care este read-only.Registrii sunt accesibili in orice moment prin interfata SPI. Cei trei biti SPI de comunicatie (SDI, , SCLK) sunt legati intern cu pinii sectiunii digitale.

Canalele de intrare pentru LF

Dispozitivul detecteaza semnale individuale utilizand canalele x, y sau z. Cele trei canale individuale pot fi validate sau invalidate pentru reducerea consumului de energie sau fie in functie de aplicatie.

Circuitul retzonant extern LC si condensatorul intern de acord fin

Dispozitivul are nevoie de un circuit LC rezonant extern pentru a receptiona semnale de joasa frecventa sau pentru a transmite date utilizatorului LF (low - frequency) talk - bock.

Fiecare cod de intrare are nevoie de propriul sau circuit rezonant. Tensiunea de intrare culeasa de circuitul rezonant extern este maxima cand circuitul este acordat precis cu frecventa purtatoare semnalului. Tensiunea culeasa de antena este calculata cu ecuatia de mai jos:

=2πfNSQcosα

unde: f = frecventa semnalului incident;

N = numarul de spire al babinei;

S = suprafata infasurarii bobinei

Q = factorul de calitate al bobinei si condensatorului;

= inductia magnetica;

α = unghiul de incidenta al semnalului.

In ecuatia de mai sus factorul de calitate Q este o masura a selectivitatii in frecventa in raport cu semnalul de interes.

Q =

unde: = frecventa de acord al circuitului LC;

B= banda de trecere la 3dB

Frecventa de rezonanta a circuitului LC se defineste cu formula:

Data fiind o bobina pozitionata intr-un anumit mod tensiunea culeasa de aceasta este in functie de unghiul de incidenta α al semnalului respectiv.

Tensiunea de bobina este maxima cand liniile de camp sunt paralele cu aceasta (α=0) si minima cand sunt perpendiculare pe ea (α=) din figura6.

Dependenta tensiunii culeasa de antena in raport cu pozitia sa

Figura6

In aplicatiile PKE (Passive Keyless Entry) pentru o functie sigura se lucreaza cu bobinele pozotionate ortogonal pentru a receptiona semnale dupa toate cele 3 axe x, y si z.

Pnetru a compensa dezacordurile cauzate de conditiile de mediu (temperatura) si de tolerantele componentelor dispozitivul, are un condensator intern programabil prin soft pentru a mentine circuitul LC acordat in orice moment.

Dinamica semnalului de intrare

Circuitul poate detecta semnale de joasa frecventa in gama 3m÷700m. Dispozitivul "front end" limiteaza tensiunea pe bobina sub 11 pentru a proteja circuitul intern de supratensiuni.

Filtre de iesire

Partea digitala a circuitului poare ramane in modelul " sleep" din considerente energetice sau poate executa diferite instructiuni pana cand este disponibila o iesire din sectiunea analogica.

Pentru acest lucru, dispozitivul dispune de un filtru la iesire programabil. Daca semnalul de intrare indeplineste conditiile filtrului, acesta va valida o iesire astfel va tine " inchise" iesirile.

Figura7 arata un exemplu cand filtru este validat si semnalul indeplineste conditiile filtrului. Iesirea demodulata este disponibila dupa filtrarea formei de unda. Daca pinul aferent iesirii demodulate (LFDATA) este conectat la unul din pinii portului A (de intrerupere) partea digitala va iesi din modul "sleep"(datorita intreruperii) si va decoda semnalul de intrare.

Figura8 ne prezinta un exemplu cand semnalul de intrare nu indeplineste conditiile filtrului, iar ca rezultat nu va aparea nici un semnal la iesire. Prin urmare partea digitala nu va iesi din modul "sleep" dat de catre un semnal oarecare

Figura7

Figura8

Cazul in care filtrul nu este activat

Figura9

Selectia tipului de iesire a detectorului de semnal LF

Partea analogicaa (front end) poate emite date demodulate, semnal de ceas sau semnal de indicare a partii semnalului receptionat. Selectia tipului de semnal de emisie se stabileste din registrele de comunicare.

2.l.Transmiterea datelor de la dispozitiv la statia "baza"

Dispozitivul are cate un tranzistor modulator pe fiecare canal, plasat intre antenele de joasa frecventa si pinii LCCOM. Activand sau dezactivand tranzistori modulatori, va avea ca efect "clamping" sau "unclamping" tensiunii pe bobina si se numeste semnal raspuns la joasa frecventa (talk-bock).

Se utilizeaza doua comenzi transmise pe SPI (Serial Parallel Interface)-clamping-ON si clamping-OFF.

Statia baza monitorizeaza schimbarile ce apar la nivelul tensiunii bobinei transponder-ului si reconstituie datele modulate. Acest procedeu se aplica doar pe distante mici,pentru distante mari se foloseste antena UHF(Ultra High Frequency) externa pentru transmisia datelor.

Comunicatia bidirectionala

Un transponder cu un pret scazut ce utilizeaza comunicatia bidirectionala se poate realiza utilizand doua frecvente:

un semnal de LF (Low-Frequencz)-125KHz pentru receptia comenzii de la statia baza;

un smnal in domeniul UHF (Ultra High Frequency) pentru emiterea datelor catre statia baza.

Deoarece dispozitivul nu dispune de o antena UHF (Ultra High Frequency) -aceasta se monteaza extern. Datele modulate sunt generate de catre dispozitiv si apoi sunt emise de catre antena. Semnalul UHF modelat este transmis statiei baza printr-o mica bobina (bucla) imprimata pe PCB-ul (Print Circuit Board) transponderului. Raza tipica de actiune este de aproximativ 100m pentru aplicatii low-power fara licenta de emisie.

Figura10 prezinta un exemplu de utilizare a dispozitivului PKE ce utilizeaza sisteme bidirectionale de comutatie.

Sistemul bidirectional PKE

Figura10

Cand ambele modele (statia baza si transponderul) vor fi alimentate cu tensiunea corespunzatoate sistemul va lucra in felul urmator:

statia baza emite o comanda pe joasa frecventa (125KHz) cerand ID-ul transponderului si valoarea RSSI;

transponderul receptioneaza semnalul statiei baza dat de circuitul rezonamt extern (antena);

transponderul emite date in domeniu UHF-ca raspuns, daca semnalul emis de statia baza este validat;

statia baza receptioneaza datele emise de transponder (codul) -le decodifica si daca sunt valide actioneaza diferite alte dispozitive( relee, incuietori electromagne etc.).

Figura11 ne prezinta semnalul LF si datele demodulate de placa MCP2030.

Semnalul LF si datele demodulate de placa MCP2030

Figura11

Raza de actiune a dispozitivului PKE este limitata de semnalul de 125KHz al statiei baza. Antena transponderului (circuitul LC rezonant) poate culege semnale mai mari de 3m tipice statiei baza la distanta de panala 3m.

3.Software-ul

Transponderul lucreaza ca si un modul RKE (Remote Keyless Entry) cu cinci butoane cand nu primeste semnalulde LF. Microcontrolerul raspunde ca si cum un al sase-lea buton ar fi fost amplasat atunci cand mesajul de LF a fost decodat si validat.

In mod normal transponderul sta in modul "sleep". Cand un comutator este adus in zero sau cand este receptionat semnalul LF, dispozitivul se va "trezi" si va citi optiunile configurate si in functie de aceasta va stabili ce date si ce tip de modulatii vor fi sub forma de cuvinte codate. Acestea vor fi transmise dupa ce butonul a fost apasat si atat timp cat este apasat.

Daca in timpul transmisiei este detectata apasarea altui buton codul aflat in transmisie va fi oprit si un nou cod se va transmite.

Software-ul include 4 lini de cod optionale. Aceste obtiuni sunt validate prin indepartarea semi-coloanei din coloana 1 a linieide cod.

Alegerea procesului-valideaza unul din lista de mai jos:

#DEFINE P12F635 1; Sets environment for PIC12F635;

#DEFINE P16F636 1; Sets environment for PIC16F636;

#DEFINE P16F639 1; Sets environment for PIC16F639.

Selectarea butoanelor portului A astfel incat acesta poate fi conectat la (masa) via unor rezistoate pull-up sau la (+) via unor rezistoare pull-own;

#DEFINE pullup 1 ; Set to select pull-ups on PORT A.

;For pull-downs, comment out.

Deoarece emulatorul in-circuit(incorporat) nu supurta functia "sleep";

#DEFINE ICEmul 1 ; Is set, device will not SLEEP, but will

;loop forever

Selectarea optiunii de codare(criptare) ;

#DEFINE NoEncryption 1

4.Aplicatii

Microcontrolerul PIC16F639 este o alegere buna pentru un senzor LF sau pentru transponderul PKE. Dispozitivul isi gaseste numeroase aplicatii in domeniul auto "automotive" si cel al securitatii.

In industria auto:

Sisteme PKE;

Ca dispozitive pentru deschiderea usilor sau a portilor;

Ca sisteme ce blocheaza motorul;

Initiatoare LF pentru senzori de monitorizare a presiunii pneurilor.

In domeniul securitatii:

Controlul accesului de la distante mari;

Puncte de acces keyless;

Controlul si managementul bunurilor.

Exemple de aplicatii

In figura12 este prezentat un sistem PKE multifunctional. Un singur transponder este     folosit pentru mai multe puncte de acces.

Figura12

Figura 13 arata un exemplu cand dispozitivul este folosit ca un senzor de monitorizare a presiunii pneurilor. Aceasta detecteaza comenzile de la initiatorul LF si transmite datele purtatoatre de informaaii cu privire la presiune modulate cu un semnal UHF statiei baza.

Figura13

5.Concluzii

Microcontrolerul PIC16F639 este folosit atat ca detector de joasa frecventa cat si ca emitator UHF fiind potrivit unei game lagargi de aplicatii "inteligente". Utilizand dispozitivului cu o antena UHF putem construi un transponder ieftin si fiabil. Pnetru comunicatii de date securizate dispozitivul foloseste perifericul sau de criptare a datelor (KEELOQ).

Sensibilitatea ridicata a dispozitivului la semnalele LF de 125KHz il fac potrivit folosirii ca senzor de camp magnetic.

Dispozitivul poate functiona si in modul fara alimentare (baterie) utilizand circuite externe "charge- up".

6.RFID Transponder Coils-5315TC

Bobina 5315TC este cea mai fiabila si cu pretul cel mai scazut, destinata aplicatiilor RFID (Radio frequency identification) pe 125KHz.

Terminalele acesteia au suprafete mari, pentru a asigura un contact ferm cu placa pe care este montata. Spirele sunt infasurate pe o carcasa din plastic ce ii confera acesteia o rezistenta mecanica sporita. Faptul ca aceasta poate suporta de pana la 125, o face aplicabila in medii grele. In plus fata de modelul prezentat producatorul "Coilcraft" poate proiecta si bobine pentru alte frecvente.

Specificatii tehnice