基于ATMEGA64L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讀寫器系統(tǒng)，把RFID技術應用到物流系統(tǒng)中。
關鍵詞： RFID；閱讀器；ATMEGA64L；TRH031M；天線

概述

RFID(無線射頻識別技術)作為一種新興的非接觸自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，可識別高速運動物體，可同時識別多個標簽，可工作于惡劣環(huán)境，操作快捷方便，在物流、交通、收費、身份識別等眾多領域有廣泛應用。RFID技術在國外發(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，自成系列。目前，中國射頻識別技術及應用處于初級發(fā)展階段。RFID技術作為一種新興的自動識別技術，也已開始在國內(nèi)應用,并且應用領域越來越廣。

本文把RFID技術應用到物流系統(tǒng)中，實現(xiàn)了基于RFID技術的物流系統(tǒng)的軟硬件原型。

系統(tǒng)硬件設計

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

.主控MCU，主要提供對射頻讀寫芯片的控制操作。
.射頻讀寫芯片，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，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評估板總體設計見圖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的控制是通過對其內(nèi)部寄存器的讀寫來實現(xiàn)的。TRH031M內(nèi)部共有64個寄存器，分成8頁，每頁8個寄存器。
ATmega64L是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達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并行接口實現(xiàn)對TRH031M芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。Atmega64L對TRH031M的并行接口采用獨立的讀、寫信號線連接，用兩個I/0引腳分別控制TRH031M的讀、寫信號線。為了節(jié)省I/O口，這里采用了地址/數(shù)據(jù)線復用的方式，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)手冊可知，芯片模擬部分(不含接收機部分)作為負載時,負載阻抗最高為15W。這是因為優(yōu)化設置輸出阻抗為15W時，這時可以達到最低噪音,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，必須要有一個合適的濾波器濾波輸出信號以滿足此規(guī)定。為了減少信號線上的干擾，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=，當我們選取=1mH時，則
TRH031M的內(nèi)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(diào)制這一概念來進行工作。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之間連接一個電容C4。接收電路需要在RX和VMID之間連接一個分壓電路。另外，建議在天線線圈和反壓器之間串連一個電容。這個接收電路由R1，R2，C3和C4組成，數(shù)值示于表1。
EMC濾波電路仿真