В последнее время приобрели широкую популярность разнообразные проекты на базе RFID ключей, применяемые в системах безопасности, охраны и разграничения доступа. На некоторых предприятиях и организациях такие системы, дополненные специализированным программным обеспечением, применяются для фиксирования рабочего времени, учета материальных ценностей и пр.
Любая система радиочастотной идентификации (RFID) состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда также применяется термин RFID-тег). В статье мы рассмотрим простое устройство для считывания RFID ключей, поддерживающих протокол EM4100 и работающие на частоте 125 кГц. Данный тип RFID-ключей может иметь форму брелока или кредитной карточки (Рисунок 1).
  |
|
| Рисунок 1. | Конструктивное исполнение RFID-ключей. |
Основным компонентом считывающего устройства является микроконтроллер Atmel AVR ATtiny13, который считывает 10-значный уникальный идентификационный номер ключа и передает его в кодировке ASCII по последовательному интерфейсу (UART) со скоростью 2400 бит/с Host-устройству. Другими словами, считыватель представляет собой отдельный модуль, подключаемый к основному процессору или микроконтроллеру системы (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Внешний вид макетной платы модуля RFID считывателя. |
Принципиальная схема RFID считывателя изображена на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Принципиальная схема RFID считывателя. |
Рассмотрим основные особенности работы схемы. Микроконтроллер использует встроенный ШИМ модулятор для генерирования на выходе PB0 прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц. Если на выходе PB0 лог. 0 (спадающий фронт импульса), транзистор T1 находится в закрытом состоянии, и на катушку L1 подается напряжение питания +5 В через резистор R1. Нарастающий фронт на выходе PB0 (лог. 1) открывает транзистор T1, и верхний по схеме вывод катушки подключается к «земле». В этот момент катушка оказывается включенной параллельно конденсатору С2, образуя LC генератор (колебательный контур). Переключение транзистора происходит 125,000 раз в секунду (125 кГц). ). В итоге, катушкой генерируется сигнал синусоидальной формы с частотой 125 кГц (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Сигнал с частотой 125 кГц, генерируемый колебательным контуром, образованным катушкой L1, С2. |
Модуль считывателяя генерирует электромагнитное поле, энергия которого используется для питания RFID-ключа. В основе передачи энергии между RFID-ключом и считывателем лежит принцип работы обычного трансформатора: первичная обмотка трансформатора создает ЭДС индукции во всех остальных обмотках. Для нашего случая первичной обмоткой является катушка считывателя, а вторичной – катушка RFID-ключа. Элементы D1, C3 и R5 образуют демодулятор сигнала с амплитудной модуляцией.
Обмен данными между ключом и считывающим устройством
Процесс обмена данными между RFID-ключом и считывателем очень прост, но продуман до мелочей. Если RFID-ключ должен передать лог. 0, то он к своему источнику питания подключает определенную «нагрузку», что требует больше энергии, передаваемой считывателем. Это вызовет небольшую «просадку» напряжения на стороне считывателя; именно этот уровень воспринимается считывателем как лог. 0 (Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | Кадр передачи последовательности битов ...10101.... |
RFID ключ в общем случае передает 64 бита данных в следующей последовательности (Рисунок 6):
- Первые 9 бит (всегда лог. 1) – стартовые биты, свидетельствующие о начале обмена данными.
- 4 бита – младшие значащие биты пользовательского идентификационного номера (D00 – D03).
- 1 бит (P0) – бит контроля четности предыдущих 4 бит.
- 4 бита – старшие значащие биты пользовательского идентификационного номера (D04 – D07).
- 1 бит (P1) – бит контроля четности предыдущих 4 бит.
- 4 бита – первая часть 32-битного серийного номера RFID ключа (D08 – D11).
- 1 бит (P2) – бит контроля четности предыдущих 4 бит.
- Далее передаются следующие группы по 4 бита серийного номера ключа, каждая с битом контроля четности.
- Затем передаются 4 бита контроля четности битов по столбцам. К примеру, бит контроля четности PC0 для битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36.
- 1 стоп-бит.
 |
|
| Рисунок 6. | Данные (64 битная последовательность), которые передает RFID-ключ. |
Проверка целостности данных осуществляется микроконтроллером посредством вычисления битов контроля четности для каждой строки и столбца и сравнения с полученными данными от RFID-ключа.
Конструкция катушки.
Бескаркасная катушка индуктивности в считывающем устройстве диаметром 120 мм намотана проводом диаметром 0.5 мм и имеет 58 витков, однако автор рекомендует при намотке добавить еще 2 – 3 витка. С целью повышения эффективности катушки и увеличения расстояния считывания данных RFID-ключа необходимо выполнить калибровку колебательного контура. Если, подключив осциллограф в точку соединения R1 и L1, на экране прибора вы увидите искаженные пики (Рисунок 7), то это говорит о необходимости калибровки катушки L1.
 |
|
| Рисунок 7. | Искажения сигнала, генерируемого катушкой L1, говорит о необходимости калибровки. |
Калибровку можно выполнить двумя способами после подачи напряжения питания на модуль.
- Подключите щупы осциллографа в точку соединения R1 и L1 и, увеличивая или уменьшая количество витков катушки L1, добейтесь устранения искажения сигнала.
- Если у вас нет осциллографа, то медленно подносите RFID-ключ к катушке до момента распознавания ключа, о чем свидетельствует звуковой сигнал. Если ключ определяется с расстояния 2 см, то необходимо добавить/удалить несколько витков и после этого снова проверить расстояние, с которого уверенно считывается ключ. С помощью калибровки автор схемы добился уверенного считывания RFID-ключа с 3 см.
При программировании микроконтроллера необходимо установить следующую конфигурацию Fuse-битов: младший байт 0x7A и старший байт 0x1F (микроконтроллер работает от встроенного тактового генератора 9.6 МГц, делитель тактовой частоты на 8 отключен). Программный код занимает в памяти микроокнтроллера 1024 Байт – используется весь доступный объем памяти микроконтроллера ATtiny13. Поэтому в дальнейшем при расширении функционала считывателя лучше использовать другой 8-выводный микроконтроллер AVR, например ATtiny85.
Загрузки:
Исходный код программы микроконтроллера (AVRStudio 6), прошивка (.hex) и принципиальная схема – скачать
Дополнительные материалы
