RFID使用说明.pdf

RFID 使用说明 使用说明 1RFID 使用说明使用说明 文件编码：文件编码：HA0090S HT672A 工作电压的建议与工作电压的建议与 VDD测量方式测量方式 HT672A 的工作电压 VDD为 2.2V 以上，其测量方式如下:步骤一 将 HT672A 的 VDD及 VSS接脚拉出如下图所示:RFID 使用说明 使用说明 2 步骤二 将 VDD接上 TDS 420A 示波器，VSS接地，然后将此 Tag 由上而下缓慢靠近Reader 上的天线，便可看到 VDD开始充电到 2.2V 时便可由 Reader 上看到有Data 输出的讯号如下图所示，如此便可量测 VDD。VDD量测值量测值 Reader Output Power 如何测量，建议的如何测量，建议的 Power Output 值值 Reader Output Power 测量方式有两种:使用频谱分析仪 将 RF 测试平台(TC-5003B)接上频谱分析仪，然后再将 Reader 放置于测试平 台的正中央，调整 Reader 天线端的可变电容，使其功率达到最佳。RFID 使用说明 使用说明 3 RF 测试平台测试平台(需接上频谱分析仪使用需接上频谱分析仪使用)使用 Holtek 自行制作的工具 此工具依 Reader 打出来磁场强度经桥式整流得到一 DC 值，再经 LM3915 转换成 LED 显示。依功率大小不同使 Tool 上的 LED 得到不同亮灯数。RFID 工具量测示意图工具量测示意图 RFID 使用说明 使用说明 4 RFID 工具工具 RFID 工具使用方法:输入电压 DC 9V。当工具上的 LED 全亮时，功率为12 dBm 以上。当工具上的 LED 熄一个灯时，功率为12 14 dBm。当工具上的 LED 熄二个灯时，功率为14 16 dBm。当工具上的 LED 熄三个灯时，功率为16 18 dBm。当工具上的 LED 熄四个灯时，功率为18 20 dBm。当工具上的 LED 熄五个灯时，功率为20 22 dBm。建议的建议的 Power Output 值值 当 Reader 使用大天线(2 吋)时，power 应达到8 dBm。当 Reader 使用小天线(1 吋)时，power 应达到13 dBm。RFID 使用说明 使用说明 5FCC Harmonic 规定如何通过规定如何通过?FCC harmonic 的测定标准如下:辐射规范:频率(MHz)Class B(住宅用)Class A(工业用)3088 40 dB 39 dB 88216 43.5 dB 43.5 dB 216960 46 dB 46.4 dB 960 以上 54 dB 49.5 dB 传导规范:频率(MHz)Class B(住宅用)Class A(工业用)0.451.75 48 dB 60 dB 1.7530 48 dB 69.5 dB 注意注意:发射强度一米不可超过 109 dB 本公司 RFID Reader 所作的 FCC 测试如下附件，皆符合标准！RFID 使用说明 使用说明 6 RFID 使用说明 使用说明 7 Tag Antenna 如何设计，有哪些尺寸可供客户选用如何设计，有哪些尺寸可供客户选用?天线的设计天线的设计 在 RFID 系统中，天线可看成两个互相耦合的电感，为了使电感的耦合效率最高，两个电感的谐振频率必须在工作频率(13.56MHz)附近。所以首先必须要知道天线的电感值，以搭配其谐振电容，并依照不同的应用计算天线的 Q 值，以及电感的电阻。天线的电感值 天线的电感值依照不同的形状、大小有不同的计算公式。而利用公式所计算出来的值与实际值可能相差 20%，且在圈数少时(例如一圈)，或圈数多时(因杂散电容的影响)会有较大的误差。若纯粹要以计算方式求得精确的电感值(或电感模型)则必须将所设计的天线形状、大小输入计算机，以 3D或 2D 的电磁场仿真软件仿真，才可求得精确值。所以在实际上使用时，大多先以公式概估所需的大小、圈数，并进行制作，再将制作完的电感的量测结果与计算值比较，再进行微调。或者将预估形状、大小的天线输入计算机，利用电磁场仿真软件，并依照仿真结果对天线的形状作微调，再进行天线的制作。下面介绍几种常用的电感计算公式:RFID 使用说明 使用说明 8 Inductance of Spiral Wound Coil with Single Layer(For Transponder,Reader)The inductance of a spiral inductor is calculated by:EQUATION:1 1 b8 a)(2+=a NL (H)where a:average radius of the coil in cm N:number of turns b:winding depth in cm Spiral Wound Coil with Single Layer Inductance of a Flat Square coil(For Transponder,Reader)EQUATION:+=)(0.2 2 350.9 1 40.0 2 0 32)(2.41 4l o g2l o g0.0 46 721 021 02wtaa Nawtaa NL RFID 使用说明 使用说明 9where L:in H N:number of turns a:side length in inches t:thickness in inches w:width in inches Inductance of a Flat Square Coil Inductance of a Rectangular Coil(For Transponder)EQUATION:pNDllL=1.0 4l n2 (nH)where l:length of one coil N:number of turns D:diameter of wire or width conductor P:power of depends on coil technology P Coil Construction 1.8 Wired coil 1.7 Etched coil 1.51.7 Printed coil RFID 使用说明 使用说明 10 Inductance of a Rectangular Coil 电感的电阻值 在谐振器 Q 值100 的范围内，其大部份损失是由外加负载与电感的导体电阻所产生。外加的负载为已知，所以在此计算电感导体的交流电阻值，便能求出谐振器的无负载 Q 值。由于高频电流仅仅会流过于导体的表面，此即集肤效应，所以导体的电阻值将会与频率有关。而集肤深度(Skin depth)的计算为:=f 1 where f:frequency:permeability of material:conductivity 在 13.56MHz 频率下，铜的集肤深度(skin depth)为:0.1 8 7(m m)0.0 1 7 9)71 0)(5.871 0(41=ff 而圆形金属导体线的交流电阻值约为:2 1)(RA C 为 skin depth 而以圆形金属导线为例，其交流电阻与直流电阻直的关系为:2 a)(R)(RD CA C a coil radius RFID 使用说明 使用说明 11圆形铜线在频率为 13.56MHz 的条件下，若导体的半径小于 0.187mm，则导线的交流电阻值约等于直流电阻值。若使用印刷电路板布局来制作电感，由于电路板的铜箔厚度约0.035mm(视板材而定，范围大约 15-70m，较常使用为 35m)，所以在13.56MHz 时，铜箔厚度小于集肤深度，不必考虑集肤效应所构成的影响，所以电感的电阻值用三用电表测量即可。此电阻与电感串联，若再串联一外加电容，即成串联谐振电路，便可直接估计其谐振器 Q 值。谐振器的 Q 值 在 RFID 系统中，为了增加耦合效率，并减少损失，在 Reader 以及Transponder 端的天线皆为谐振器的形式。而谐振器的 Q 值则直接影响到距离远近、电磁场强度、频宽、组件误差容忍度等参数。下面介绍由电感、电阻以及电容构成的两种谐振器电路:并联谐振电路 并联谐振电路并联谐振电路 在并联谐振电路中，电感 L、电容 C 与电阻 R 决定了谐振频率、谐振器 Q值与频宽 2 R CB1=LCRBfCRRr e a c t a n c er e s i s t a n c e0=L =2f=angular frequency f0=resonant frequency B=bandwidth R=ohmic losses RFID 使用说明 使用说明 12 串联谐振电路 在串联谐振电路中，电感 L、电容 C 与电阻 R 决定了谐振频率、谐振器 Q值与频宽 串联谐振电路串联谐振电路 2 LrB=CLrBfCrrr e s i s t a n c er e a c t a n c e011=L=2f=angular frequency f0=resonant frequency B=bandwidth R=ohmic losses 在 Q 值的选择上，较高的 Q 值有较好的耦合效率，Reader 可以最小的消耗功率产生最大的电磁场。但缺点是:容易受环境影响、频宽窄、且生产时需个别微调。甚至在远距离门禁系统的场合(70cm)，Reader 天线安装后必须再调整一次，以抵销附近金属所造成的谐振频率偏移。而低 Q 值的系统虽耦合效率差，但频宽较宽，可容许较高的数据传输速率，且不易受环境所影响，生产成本低，广泛用于短距离系统中。由于 Reader 的天线是大多使用电路板布局或线绕而成，且天线较大，容易制作高 Q 值的天线。所以 Reader 的天线 Q 值大多比 Transponder 天线高。而 Transponder 由于比较在乎大小与制作成本，以及环境容忍度，所以 Q 值都较低。RFID 使用说明 使用说明 13 谐振器的互感值 在 RFID 系统中，是以两电感的互感来传递能源与信息。而电感的互感值与电感的大小与距离有关。要计算 RFID 所耦合的能量，必须计算两电感的耦合系数。两电感两电感 L1、L2 互相耦合互相耦合 如上图，电感两端的电压关系为:j MIj LRIV21111+=)(V)j MIj LRIV12222+=)(V)其中，M 值为两电感的互感值(mutual inductivity of the transformer)(21LLkM=(H)K 值为两电感的磁场耦合系数(magnetic coupling factor.)以两个圆形空芯电感为例(如下图)，其耦合系数为:23)()22RTR2T2Rrrrc o srrk+=两空芯电感在空间中互感两空芯电感在空间中互感 在应用上，为了达到最好的系统性能，K 值最好设计在 1。当然，在近距离时，K 值会比设计值大很多。若要增加 K 值，有下列几种方法:RFID 使用说明 使用说明 14 降低值 使用两相同大小天线可增加 K 值最大值 降低两天线的距离 两空芯电感(半径分别为 5cm、1.5cm)在空间中互感值与距离的关系，详附图。两空芯电感 两空芯电感(半径分别为半径分别为 5cm、1.5cm)在空间中的互感值与距离的关系图在空间中的互感值与距离的关系图 REFERENCES:V.G.Welsby,The Theory and Design of Inductance Coils,John Wiley and Sons,Inc.,1960.Frederick W.Grover,Inductance Calculations Working Formulas and Tables,Dover Publications,Inc.,New York,NY.,1946.Keith Henry,Radio Engineering Handbook,McGraw-Hill Book Company,New York,NY.,1963.James K.Hardy,High Frequency Circuit Design,Reston Publishing Company,Inc.,Reston,Virginia,1975.可供客户选择的可供客户选择的 Tag antenna 尺寸如下尺寸如下:8cm5cm 4cm4cm 3cm3cm 2cm2cm 0.8cm1.5cm RFID 使用说明 使用说明 15各种 Tag Antenna 尺寸如下图所示:各种各种 Tag 尺寸图尺寸图 可搭配的 Reader 天线分别为大天线(2 吋)及小天线(1 吋)，如下图所示:各种不同的各种不同的 Reader Antenna RFID 使用说明 使用说明 16各天线搭配不同的 Tag 时，其有效距离如下列各表所示:Tag 尺寸(cm)有效距离(cm)当 Reader 使用大天线(2 inch)时，且电压在 6V 85 12 44 6.5 33 7 22 5.5 0.81.5 3.5 当 Reader 使用大天线(2 inch)时，且电压在 4.5V 85 9 44 5 33 6 22 4.5 0.81.5 2.5 当 Reader 使用大天线(2 inch)时，且电压在 3.3V 85 7 44 4 33 5 22 3.5 0.81.5 2 当 Reader 使用小天线(1 inch)时，且电压在 6V 85 10 44 5 33 6 22 4 0.81.5 3 当 Reader 使用小天线(1 inch)时，且电压在 4.5V 85 6 44 4 33 5 22 2.5 0.81.5 2 当 Reader 使用小天线(1 inch)时，且电压在 3.3V 85 4.5 44 3.5 33 4 22 2 0.81.5 1.6 RFID 使用说明 使用说明 17应用电路、实作电路版及配线应用电路、实作电路版及配线/零件零件 allocation 注意事项注意事项?RFID 公版的电路图及实作电路版公版的电路图及实作电路版 VCCC104100pC2104R1010kR31KC17103R9680BT1BATTERYC12100uFR101R14560KR112.2kC103104FR5C2220PC101201PR101120R102750Y113.56MHzQ1022SA733312R8820KC620pD1024148+-U2AHT82V73232184R1310KC8220uF/16VR161kC130.1uR2610KR5150FR3C11104C23200pQ103HE8050S312C14470pR7100KC18104C3220uF/16VL1010.95UHR1575CV101060pQ1HE8550312L1022.7uHC105104C5220uF/16VJ231213Q105HE8050SC182pQ22SC1815Y312C10150pR230k+-U2BHT82V73256784R651KHT48R06123456781112131415161718910PA3PA2PA1PA0PB2PB1/BZPB0/BZVSSRESVDDOSC1OSC2PA7PA6PA5PA4PC0/INTPC1/TMRR251kD1014148S1SW SPDTR10451R1210kR103240PWRGNDANT.OSC.RX.TXosc祇甮钡MCU RFID 公版的电路图公版的电路图(单天线单天线)VCCFR5C130.1uY113.56MHzR1310KR1061kR251kR1210k+-U2AHT82V73232184213Q105HE8050SC3220uF/16VR161kC204100PR2061kQ1HE8550312L2010.95UHR102750C182pC17103R201120C14470pC11104R7100KC620PR1010kR205100KCV101060pQ204HE8050S312R203240L2022.7uHC5220uF/16VC18104CV201060pD1014148R8820KC105104R105100KQ103HE8050S312R31KR101120C205104+-U2BHT82V73256784Q1022SA733312213Q205HE8050SBT1BATTERYR14560KC101201PHT48R06A-1U1123456789181716151413121110PA3PA2PA1PA0PB2PB1/BZ-PB0/BZ+VSSPC0/INT-PA4PA5PA6PA7OSC2OSC1VDDRES-PC1/TMRS1SW SPDTD1024148C104100PC10150pD2024148Q2022SA733312C203104Q101HE8550R20436C8220uF/16VD2014148C102104Q104HE8050S312C23200pR112.2kR651KFR101R1575C103104R5150R202750C202104R9680C201201PR2610KR10436J231C12100uQ201HE8550Q203HE8050S312FR201L1022.7uHR103240Q22SC1815Y312R230KC2220PL1010.95UHFR3IC1HT48R0612345678910111213141516PA3PA2PA1PA0PB0/BZVSSPC0/INTPC1/TMRRESVDDOSC1OSC2PA7PA6PA5PA4爹秆:1CH籔2CH絬癹隔*夹OSC*.GNDCH2CH1CH2*絬*.*.RX.CH1PWR絬*.祇甮祇甮osc钡MCU RFID 公版的电路图公版的电路图(双天线双天线)RFID 公版实作图公版实作图(单天线单天线)RFID 使用说明 使用说明 18 RFID 公版实作图公版实作图(26 个天线个天线)应用电路应用电路 Tag 部份 Tag 是由印刷电路的微带天线、HT672A 及外罩所构成的 PCB。其大小可随着需求有不同的变化。然而内部天线的电感值为 11H，且最佳值随着内部共振电容(一般用 10pF)可做细部调整。Tag 外型如下:?应用电路方面 有 1-chip 及 2-chip 两种解决方案如下:1-chip 解决方案(I)?!?RFID 使用说明 使用说明 19 1-chip 解决方案(II)?#$%?&?!?!?#?2-chip 解决方案?(?)?#?*?+?,-?.!?,?.?配线配线/零件零件 allocation 注意事项注意事项:Reader 在 Layout 时，应分成四个区块，即发射、接收、OSC 及 MCU 四区，再将此四区的接地个别拉至 power 的接地，如此可降低噪声干扰。接收部份应远离 MCU。OSC 部份必须靠近发射区。在公板上 Power Control 不论单天线或双天线一律用 PC1 控制，但是使用者可依所写的 code 自行定义。在公板上双天线的 CH Control 用 PA4&PB0 控制，但是使用者可所写的 code自行定义。发射部分一定和天线 Layout 在一起。电容应使用 NPO 电容。在8050S选择方面，应选择hFE在rank D以上(详细规格请参考8050S的Spec.附件He8050s.pdf)。在单天线的 Reader 上，Q103 及 Q105 必须使用 8050S；在双天线的 Reader上，Q103、Q104、Q105、Q203、Q204 及 Q205 必须使用 8050S，且规格要求须符合第八项，如此在大天线(2 inch)及小天线(1 inch)上，功率才分别可达8 dBm 及13 dBm。在 FR 的选用方面如下所附的规格，公板上所用为向广华电子所购买编号RH-356008 的 FR。RFID 使用说明 使用说明 20FR 的规格的规格 RFID 使用说明 使用说明 21 Software 支持支持 link?目前可使用于 RFID 的 MCU 如下表所示:All HOLTEK Standard/Embedded MCU Part I/O LCD Voice App.HT48 Control HT49 Display HT86 Toy HTG21 Toy 目前 Holtek 搭配 RFID 的 MCU 以 HT86 系列为主，因此在软件支持方面我们便以 HT86 系列为例子来说明。MCU 与与 RFID 界面的结合界面的结合 下图为 HT86 系列与 RFID 结合的简单示意图。HT86 系列与系列与 RFID 结合示意图结合示意图 RFID 使用说明 使用说明 22下图为 HT86 系列的应用电路，我们只要将 RFID Reader 上的 PC1(Control pin)接到 MCU 上的 PC1，PC0(Data pin)接到 MCU 的 PC0，再把 PC0 与 MCU 的INT 连接，如此便可完成硬件界面的连接(请参考 HT86xxx 的 Spec.)。HT86 系列的应用电路 RFID 使用说明 使用说明 23整体设计流程图整体设计流程图 整体设计流程图可分为硬体流程与软体流程，详附图所示。O S C本地振盪射頻放大電路天線電路檢波電路放大電路M CUd a t a i n電源c o n t r o lV c cV c cV c cV c c 硬件设计流程图硬件设计流程图 RFID 使用说明 使用说明 24開始R FI D O N檢查有無D A T A I N檢查是否超過1 0 s e c(秒數可自行從c o d e 中設定)No進入s l e e p m o d eR FI D O FFY e sNo判別Ta g 中之資料與M CU 中是否一致Y e s執行NoY e s 软件设计流程图软件设计流程图