基于A(yíng)TMEGA64L和TRH031M的RFID讀卡器設計

摘要： 基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M讀卡芯片設計了工作頻率為13.56MHZ的RFID讀寫(xiě)器系統，把RFID技術(shù)應用到物流系統中。
關(guān)鍵詞： RFID；閱讀器；ATMEGA64L；TRH031M；天線(xiàn)

概述

RFID(無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù))作為一種新興的非接觸自動(dòng)識別技術(shù)，通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，可識別高速運動(dòng)物體，可同時(shí)識別多個(gè)標簽，可工作于惡劣環(huán)境，操作快捷方便，在物流、交通、收費、身份識別等眾多領(lǐng)域有廣泛應用。RFID技術(shù)在國外發(fā)展的很快，RFID產(chǎn)品種類(lèi)很多，像TI, MOTOROLA,PHILIPS等世界著(zhù)名廠(chǎng)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，中國射頻識別技術(shù)及應用處于初級發(fā)展階段。RFID技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識別技術(shù)，也已開(kāi)始在國內應用,并且應用領(lǐng)域越來(lái)越廣。

本文把RFID技術(shù)應用到物流系統中，實(shí)現了基于RFID技術(shù)的物流系統的軟硬件原型。

系統硬件設計

為了增強讀寫(xiě)模塊的通用性和擴展性，在硬件設計時(shí)遵循模塊化的設計思想。整個(gè)讀寫(xiě)模塊由三大部分組成：

.主控MCU，主要提供對射頻讀寫(xiě)芯片的控制操作。
.射頻讀寫(xiě)芯片，負責接收主控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(xiě)芯片須選用合適的并行接口與MCU連接。而為了發(fā)送、接收穩定的高頻信號，射頻讀寫(xiě)芯片要通過(guò)高頻濾波電路與天線(xiàn)部分連接。
.天線(xiàn)部分，包括線(xiàn)圈及匹配電路。
在所設計的TRH031M評估板中，主控MCU主要由微控制器ATMEGA64L和電源電路、復位電路、晶振電路、JTAG接口、RS-232串口接口組成；同時(shí)增加了人機接口顯示電路，采用EDM12864液晶顯示控制器；射頻讀寫(xiě)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(guò)鎖存器SN74HC373N連接。TRH031M評估板總體設計見(jiàn)圖1。

圖1  TRH031M評估板總體設計框圖

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方面的產(chǎn)品上。MCU對TRH031M的控制是通過(guò)對其內部寄存器的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現的。TRH031M內部共有64個(gè)寄存器，分成8頁(yè)，每頁(yè)8個(gè)寄存器。
ATmega64L是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega64 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

ATmega64L通過(guò)TRH031M并行接口實(shí)現對TRH031M芯片的控制和數據傳輸。Atmega64L對TRH031M的并行接口采用獨立的讀、寫(xiě)信號線(xiàn)連接，用兩個(gè)I/0引腳分別控制TRH031M的讀、寫(xiě)信號線(xiàn)。為了節省I/O口，這里采用了地址/數據線(xiàn)復用的方式，這樣就不需要專(zhuān)門(mén)的I/O口來(lái)控制地址線(xiàn)。ATmega64L與TRH031M連接示意圖參見(jiàn)圖2。

圖2  ATmega64L與TRH031M連接示意圖

ATmega64L的PTA0～PTA7連接TRH031M的DATA0～DATA7，作為數據/地址線(xiàn)，傳輸數據及地址信息。由于采用數據/地址復用的連接方式，Atmega64L 的PTA0～PTA7通過(guò)鎖存器SN74HC373DBLE與TRH031M的地址線(xiàn)引腳A0，Al，A2連接。

天線(xiàn)電路

TRH031M的天線(xiàn)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(xiàn)匹配部分和天線(xiàn)線(xiàn)圈。天線(xiàn)直接連接到TRH031M.，圖3為天線(xiàn)的結構原理圖。

圖3 天線(xiàn)結構原理圖

由RTH031M的數據手冊可知，芯片模擬部分(不含接收機部分)作為負載時(shí),負載阻抗最高為15W。這是因為優(yōu)化設置輸出阻抗為15W時(shí)，這時(shí)可以達到最低噪音,最大增益和最大輸出功率。

天線(xiàn)的阻抗我們按500W進(jìn)行匹配。

EMC低通濾波器

TRH031M系統工作于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以滿(mǎn)足此規定。為了減少信號線(xiàn)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(jiàn)圖4。低通濾波器由L0和C0組成，它們的值見(jiàn)表1。

表1



圖4  EMC濾波電路和接收電路的原理圖

根據f=，當我們選取=1mH時(shí)，則
TRH031M的內部接收電路利用卡的回應信號在副載波的雙邊帶上都有調制這一概念來(lái)進(jìn)行工作。采用芯片內部產(chǎn)生的VMID作為RX引腳輸入。為了穩定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(xiàn)線(xiàn)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，數值示于表1。
EMC濾波電路仿真