基于ATMEGA64L和TRH031M的RFID讀卡器設(shè)計(jì)

摘要： 基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M讀卡芯片設(shè)計(jì)了工作頻率為13.56MHZ的RFID讀寫器系統(tǒng)，把RFID技術(shù)應(yīng)用到物流系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞： RFID；閱讀器；ATMEGA64L；TRH031M；天線

概述

RFID(無線射頻識(shí)別技術(shù))作為一種新興的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，可工作于惡劣環(huán)境，操作快捷方便，在物流、交通、收費(fèi)、身份識(shí)別等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。RFID技術(shù)在國外發(fā)展的很快，RFID產(chǎn)品種類很多，像TI, MOTOROLA,PHILIPS等世界著名廠商都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品，并且它們的產(chǎn)品各有特點(diǎn)，自成系列。目前，中國射頻識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用處于初級(jí)發(fā)展階段。RFID技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，也已開始在國內(nèi)應(yīng)用,并且應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

本文把RFID技術(shù)應(yīng)用到物流系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)讀寫模塊的通用性和擴(kuò)展性，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想。整個(gè)讀寫模塊由三大部分組成：

.主控MCU，主要提供對(duì)射頻讀寫芯片的控制操作。
.射頻讀寫芯片，負(fù)責(zé)接收主控MCU的控制信息并完成與RFID卡的通信操作。為了正常工作，射頻讀寫芯片須選用合適的并行接口與MCU連接。而為了發(fā)送、接收穩(wěn)定的高頻信號(hào)，射頻讀寫芯片要通過高頻濾波電路與天線部分連接。
.天線部分，包括線圈及匹配電路。
在所設(shè)計(jì)的TRH031M評(píng)估板中，主控MCU主要由微控制器ATMEGA64L和電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、JTAG接口、RS-232串口接口組成；同時(shí)增加了人機(jī)接口顯示電路，采用EDM12864液晶顯示控制器；射頻讀寫芯片采用TRH031M多協(xié)議讀卡器芯片。微控制器ATMEGA64L和TRH031M之間通過鎖存器SN74HC373N連接。TRH031M評(píng)估板總體設(shè)計(jì)見圖1。

圖1  TRH031M評(píng)估板總體設(shè)計(jì)框圖

RFID接口電路

TRH031M是一款三合一的芯片，兼容ISO14443 Type A&B以及ISO15693協(xié)議。TRH031M工作電壓范圍在2.7V-3.6V，最大特點(diǎn)是功耗極低，芯片的封裝方式也特別適合用在手持機(jī)方面的產(chǎn)品上。MCU對(duì)TRH031M的控制是通過對(duì)其內(nèi)部寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)的。TRH031M內(nèi)部共有64個(gè)寄存器，分成8頁，每頁8個(gè)寄存器。
ATmega64L是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

ATmega64L通過TRH031M并行接口實(shí)現(xiàn)對(duì)TRH031M芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。Atmega64L對(duì)TRH031M的并行接口采用獨(dú)立的讀、寫信號(hào)線連接，用兩個(gè)I/0引腳分別控制TRH031M的讀、寫信號(hào)線。為了節(jié)省I/O口，這里采用了地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式，這樣就不需要專門的I/O口來控制地址線。ATmega64L與TRH031M連接示意圖參見圖2。

圖2  ATmega64L與TRH031M連接示意圖

ATmega64L的PTA0～PTA7連接TRH031M的DATA0～DATA7，作為數(shù)據(jù)/地址線，傳輸數(shù)據(jù)及地址信息。由于采用數(shù)據(jù)/地址復(fù)用的連接方式，Atmega64L 的PTA0～PTA7通過鎖存器SN74HC373DBLE與TRH031M的地址線引腳A0，Al，A2連接。

天線電路

TRH031M的天線部分組成,主要分為發(fā)射和接收部分，發(fā)射部分又分為EMC低通濾波器，天線匹配部分和天線線圈。天線直接連接到TRH031M.，圖3為天線的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3 天線結(jié)構(gòu)原理圖

由RTH031M的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，芯片模擬部分(不含接收機(jī)部分)作為負(fù)載時(shí),負(fù)載阻抗最高為15W。這是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)置輸出阻抗為15W時(shí)，這時(shí)可以達(dá)到最低噪音,最大增益和最大輸出功率。

天線的阻抗我們按500W進(jìn)行匹配。

EMC低通濾波器

TRH031M系統(tǒng)工作于13.56MHz頻率下，這一頻率是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生。但是除了13.56MHz以外，還會(huì)有可能以高次諧波的方式向外發(fā)射。為了符合國際EMC 規(guī)定，13.56MHz 中的三次五次和高次諧波要被良好地抑制，因此，必須要有一個(gè)合適的濾波器濾波輸出信號(hào)以滿足此規(guī)定。為了減少信號(hào)線上的干擾，使用了EMC高頻濾波電路。EMC濾波電路和接收電路的原理圖見圖4。低通濾波器由L0和C0組成，它們的值見表1。

表1



圖4  EMC濾波電路和接收電路的原理圖

根據(jù)f=，當(dāng)我們選取=1mH時(shí)，則
TRH031M的內(nèi)部接收電路利用卡的回應(yīng)信號(hào)在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來進(jìn)行工作。采用芯片內(nèi)部產(chǎn)生的VMID作為RX引腳輸入。為了穩(wěn)定VMID的輸出，必須在VMID和GND之間連接一個(gè)電容C4。接收電路需要在RX和VMID之間連接一個(gè)分壓電路。另外，建議在天線線圈和反壓器之間串連一個(gè)電容。這個(gè)接收電路由R1，R2，C3和C4組成，數(shù)值示于表1。
EMC濾波電路仿真