新しい7400コンテストが発表されており 、何か新しいことが必要です。 昨年優勝した後、泥に直面することはできません;）



漠然としたアイディアがいくつかありましたが、それらは「すごい！」または「あなたはマニアです！」という反応を引き起こすのに十分ではありませんでした。 私は以前の開発レベルである静電容量式スキャナーを維持するために一生懸命働く必要があります。



友達と一緒にブレーンストーミングセッションを行いました。Pedersen、Asbjørn、Flemmingが、すぐにたくさんの面白いアイデアを思いつきました。 そして、フレミングはRFIDについて言及しました（彼はRFIDに基づいたアクセス制御システムの開発者です）。 しかし、これは考えです。 もちろん、最初の考えはRFIDリーダーに関するものでしたが、すでにかなりの数を収集しており、退屈でした。 しかし、RFID タグを作成するというアイデアが浮上しました。 誰が最初にこれに言及したかはわかりませんが、ブレインストーミングでいつものように、アイデアは集合的な心から生まれます。 そこで、7400番目のロジックでのみ組み立てられるRFIDタグを作成することにしました。

ラベルの原理

RFIDタグは、搬送周波数を変調することにより一意のコードを送信します。 ほとんどのタグはパッシブです。タグには独自の電源が含まれておらず、リクエストに応じて識別子のみを送信します。 従来のタグはEM4100プロトコルを使用します。 多くのEM4100互換タグは同じトランスポンダーチップを使用し、コーディングプロトコルとデータレートが異なるいくつかの構成で存在します。 従来のタグトランスポンダには、次の特性があります。

• キャリア周波数：125 kHz、13.56 MHz、433 MHz、通常は振幅変調あり
• コーディング：マンチェスターコード、2フェーズ（二相）または位相シフトキーイング（PSK）
• 伝送速度：1、2、4 kbps以上
• 組み込みの書き換え可能な識別子、オプションで書き換え可能なメモリ
• パリティおよびCRCチェックサム

EM4100トランスポンダーは、振幅変調を使用して125 kHzの周波数で動作します。 あらゆる種類のコーディングがありますが、2 kbit / sの速度でマンチェスターを使用することが多くなります。 トランスポンダーは、32ビットの識別子、8ビットの製造元/バージョンコード、9ビットのヘッダー、14ビットのチェックサム、1つのストップビットを含む64ビットのデータを送信します。 ラベル内のデータは、同期のための一意のパターンが含まれるようにエンコードされます。 EM4100は、データパケットの先頭を除いてどこにも見つからない9ユニットシーケンスを送信します。



このようなタグは、 Itead 、 Seeed 、 Sparkfunなど、どこでも購入できます。 また、それらと連携するRFIDリーダーを見つけることもできます。







開発の技術的なタスクは、一般的なRFIDタグの仕様から簡単に理解できます。

• キャリア125 kHz
• 振幅変調と少なくともマンチェスター符号化
• 2 kbpsの速度またはカスタム
• カスタムデータビット
• タイトルとストップビットを追加する
• 自動チェックサム計算
• パッシブパワーが望ましい

栄養

トランスポンダーの主な特徴は、リーダーの電磁場からエネルギーを受け取ることです。 7400のタグに電磁界のみから電力を供給することは、驚くべき成果です。 既存のRFIDリーダーの場合、簡単なセットアップを使用して測定が行われました。 コイルを取り、125 kHzの共振周波数の並列接続コンデンサを選択し、どれだけのエネルギーを除去できるかを確認します。







ブリッジ整流器（ショットキーダイオード上）が共振回路（3.3 mHおよび470 pF）に接続され、その後に10μFコンデンサと負荷：4.7kΩ、12kΩ、または47kΩ抵抗が接続されます。 電圧が19 Vに達すると、約700μAの負荷電流で最大電力伝送が発生することがわかります。つまり、電磁界から13 mWを超える電力を抽出できます。 3.3 Vでは、最大負荷電流は約2 mAです。 これで多くの74HCxxシリーズチップに電力を供給できます。 （国内アナログ-シリーズ1564。- 約トランス。 ）



74HCxxチップは完全にCMOSであり、静的消費電流はほとんどゼロです。 スイッチング時のみ電力を消費し、入力および出力容量を再充電します。 3.3 Vの供給電圧、700μAの電流、125 kHzのクロック周波数を想定すると、共振回路は1700 pF（U * C = I * T）の合計容量の回路に電力を供給できることがわかります。 これは、多くのチップとI / Oラインに十分な電力が必要であることを意味します。



13.56 MHzなどのより高い周波数でタグを使用すると、はるかに問題が多くなります。 2桁高い周波数は、2桁大きい電力消費を意味します。 したがって、このラベルを高周波数で使用することは事実上不可能です。



HCTシリーズのマイクロ回路（国内のアナログは5564シリーズです。- 約Transl。 ）については、この設計では使用できません。 HCTシリーズは、TTLレベルとの互換性により、アイドル電流が平均的に高く、さらに重要なことに、各入力に追加のリーク電流があります。 HCTシリーズ要素の入力は、電源バスにプルされていない場合、電流源になります。 この電流は、各入力のΔIcc（追加のスタンバイ電流）としてドキュメントに示されています。 その値は、接続された負荷に応じて10〜1000μAです。 これは、多くのエネルギーが浪費されることを意味し、これは完全に望ましくありません。



アナログ部分に関するいくつかの考慮事項。 重要な要素は、共振回路の品質係数です。 一定の共振周波数でより高い品質係数は、より少ないエネルギーが回路から除去されることを意味します。 一方、高品質係数は変調を促進します。 変調は並列抵抗の変化に過ぎず、Q = R * sqrt（C / L）の品質係数の変化を伴います。 動作範囲内で最適なパフォーマンスを得るには、すべての変数R、C、およびLを選択する必要があります。 バランスは実験的に決定する必要があります。

ラベルデザイン

EM4100タグには、データレジスタ、電源、クロック、変調、および制御回路が含まれています。 すべてのコンポーネントはエネルギー効率が高く、最大限の柔軟性を提供します。

回路図

最終ドラフトには、すべてのバグ修正と、プロトタイプ段階で行われたいくつかの追加が含まれていることに注意してください。 以下は、変更に関する詳細情報です。 「multicapits、nioasil！」の感嘆符から読者を保護するために、私はすぐに最終版を提供します。



ページ1、64ビットデータレジスタおよびパリティ計算スキーム：





ページ2、電源、クロック、制御、ラベル識別子、およびタイミング図：





スキーム全体はPDFにあります。

gschem形式のスキーム。

データレジスタ

EM4100タグは64ビットのデータを格納します。つまり、8つの8ビットレジスタ74HC165で構成される64ビットシフトレジスタをデザインに含める必要があります。 64シフトごとにレジスタがリロードされ、データがリセットされて最初からやり直されます。 レジスタの入力のデータは次のとおりです。

• タイミングパターン：9ユニット
• 製造元/バージョン識別子：5ビットの2ブロック、そのうち4ビットはデータ、5番目はパリティ
• 一意の識別子：5ビットの8ブロック、そのうち4ビットはデータ、5番目はパリティ
• チェックサム：列でカウントされた4パリティビット
• ストップビット： "0"

プロトコルの説明を参照してください、美しいタブレットがあります。 データは最上位ビットで転送されます。 ユーザーがスイッチで設定する合計40ビット（8 + 32）があります。 多くのRFIDリーダーは、「製造元/バージョンID」フィールドを無視し、32ビットの一意の識別子（10進数、arrrrr！）のみを生成します。



ラインパリティは4ビットグループ（ニブル）の間でカウントされます。 パリティビットは、次のように4入力XOR（排他的OR）を使用して計算されます。

RPx =D0⊕D1⊕D2⊕D3=（D0⊕D1）⊕（D2⊕D3）、

74HC86の3つの要素に実装されています。 列パリティも同様に計算されますが、10ビットの場合、最初の9ビットに74HC280要素を使用し、10番目に74HC86要素を使用します。



ラベルの大部分には不変の識別子があります。 この設計では、 考えられるすべての識別子を提供できます。スイッチを使用して番号を設定するだけで、パリティ計算は同じままです。 パリティ計算回路には多くのマイクロ回路が含まれているという事実にもかかわらず、静的状態にあるため、ほとんどエネルギーを消費しません。 したがって、柔軟性は、他の特性を損なうことなく、チップを追加するコストでのみ達成できます。

共振回路

電源回路の心臓部は、コンデンサとコイルの共振回路です。 電圧はショットキーダイオードのブリッジによって整流され、ストレージコンデンサに供給されます。 回路の共振は、高い品質係数と組み合わされて、十分に高い電圧を提供します。 入力電圧は、LED +ツェナーダイオードチェーンによって制限されます。 ドライブが充電されるとLEDが点灯し、次に過剰なエネルギーを燃焼させて、過電圧から回路を保護します。



ストレージコンデンサは、しばらくタグに電力を供給するのに十分なエネルギーを保持します。 ツェナーダイオードは最大電圧を約12 Vに制限し、 LDOスタビライザーは3.3 Vの動作電圧を超える0.4ボルトしか必要としません。2μFのコンデンサと800μAの定格負荷では、動作時間は（12V-3.7V ）* 2uF / 800uA≈20 ms。 2 kbpsでの完全な64ビット送信サイクルには32ミリ秒かかります。 少なくとも変調器がオフの場合（時間の約50％）、ドライブは充電されるため、十分なエネルギーが必要です。



この回路は、追加の電源（3個または4個の単4電池）を接続できるだけでなく、LDOスタビライザーをオン/オフできるように設計されています。 バッテリーはオプションですが、すべてのRFIDリーダーが十分な電力を提供することを保証できません。



好奇心reader盛な読者は、電源が3.3 Vを提供する理由を私に尋ねるかもしれませんが、74HCファミリーは2ボルトで動作できます。 この理由はPLLです （以下の「クロックリカバリ」を参照）。 74HC4046超小型回路のVCOは 、3 Vを超える電源電圧でのみ動作します。PLLを使用しない場合、電源電圧を2ボルトに下げることができます。 すべてのHCファミリチップは、2 Vでも125 kHzのクロック周波数に対応できるほど高速です。

クロックリカバリ

共振回路は125 kHzの周波数で動作し、回路全体のクロックに使用されます。 コイルから絶縁コンデンサを介した信号は、シュミットトリガー74HC14に供給され、RAWCLK信号に変換されます（同様に、50 Hz信号は通常、電源トランスから除去されます）。 信号にはなだらかなエッジがあり、多くのノイズを運ぶことがあるため、シュミットトリガーヒステリシスが必要です。 主な問題は、50 Hzの主電源からコイルへの誘導誘導であり、これによりクロック信号に位相ノイズが発生します。 シュミットのトリガーはノイズ耐性を提供し、50 Hzのピックアップのほとんどを取り除きます。



74HC4046チップ上で実行されるオプションのPLL （ PLL ）回路は、クロックを共振回路の搬送周波数に同期させます。 PLLは、キャリア周波数が中断された場合にのみ必要です。 そのようなギャップは、信号がシュミットトリガーのしきい値を下回るように、電磁界の振幅を定期的に調整するRFIDリーダーで発生する可能性があります。 それにもかかわらず、リーダーは低いフィールド振幅でデータを受信できます。 このような期間中、PLLはクロックを維持します。 回路には、PLLの使用を有効または無効にするスイッチがあります。 PLLを無効にすると、消費電力は低くなりますが、一部のリーダーで作業する場合に有効にすることができます。



PLLの問題は、位相ノイズ（ジッタ）が大きいキャリア信号を生成する低コストのリーダーで発生する可能性があります。 これにより、PLLが連続的に動作し、位相が調整され、エネルギー消費が増加します。 別のPLLの問題は、非常に貧弱なRFIDリーダーで発生する可能性があります。これは、内部の125 kHz発振器からのみ受信データを回復します。 タグがピリオドをスキップすると、リーダーが混乱し、 Bad Trick™が発生します。

分周器

いくつかのクロック信号は派生物です（「派生物」という言葉の数学的な意味ではありません。-翻訳に注意してください ） 。メイン信号MCLKから。 EM4100タグは通常、MCLK / 16、MCLK / 32、およびMCLK / 64ボーレートで生成されますが、MCLK / 64（2 kbit / s）が最も一般的です。 伝送速度を設定するための切り替え可能な分周器は、ハーフカウンター74HC393に組み込まれています。 分周器はDCLK信号を生成します。 一連のスイッチは、クロック信号の分周係数を設定します。



74HC393カウンターの後半は、すべての内部クロック信号（CCLK、PCLK、およびSCLK）を生成します。 データレジスタは、データレートを設定するSCLK信号によってシフトされます。



フルタイムIダイアグラムは、デバイスダイアグラム（2ページ）に表示されます。

モジュロカウンター128

データレジスタには64ビットが含まれていますが、問題はデータのリロードにさらにクロックサイクルがかかることです。 最大64までしかカウントしない場合、カウント信号は1つのシフト信号とオーバーラップします。つまり、次の64ビットサイクルでビットが失われ、データ転送サイクルの開始が正しく行われなくなります。 簡単に言えば、完全な64ビット転送とレジスタのリロードサイクルには65クロックサイクルかかります。 - 注 perev。



74HC40103チップは128を法とするカウンタとして動作し、ダブルデータレートで127から0にカウントダウンしてから再起動します。 カウント終了信号（MOD128）は、SCLKのフロントとフロントのオーバーラップを回避するために、CCLKとの同期によりわずかにタイムシフトされます。 これは、パラレルロード信号レジスタ〜PLOADを生成するトリガー74HC74を使用して実現されます。

マンチェスターコーディング

前述のように、ほとんどのラベルで使用されるコーディングスキームはマンチェスターです。 マンチェスターコードの主な利点は、その生成の単純さです。 クロックとデータストリームの排他的論理和により、マンチェスターコードが得られます。 要素74HC86は、SCLKおよびSDELAY信号を追加して、データストリームをエンコードします。



レジスタSOUTからの実際のデータストリームは、1クロックサイクル遅れてSDELAYを形成します。 データレジスタがリロードされると、SOUTは直ちに「0」から「1」に変わります（ストップビットからスタートビットへの遷移）。 ただし、前述のように、パラレルレジスタのロードはシフト信号のエッジに関連付けられておらず、誤った遷移が発生しないように、マンチェスター信号の生成はSCLKと同期したままにする必要があります。 1クロックの遅延により、データストリームのすべてのビットがSCLKと同期します。



予測によると、マンチェスター信号は、0→1および1→0の遷移でエミッション（グリッチ）を持つ必要があります。 これらの場所では、SCLK信号は反転しますが、SDELAYとSOUTは100％同期していません。 排出は、74HC74トリガーの動作の遅延によるSDELAYおよびSCLK信号の競合によってトリガーされます。 ただし、このサージは非常に狭い（10〜30 ns）ため、変調器はそれに反応する時間がありません。受信機は言うまでもなく、信号は強力にフィルタリングされます。 そのため、リリースはそのまま残されました。

二相性コーディング

もう1つの合理的に実装しやすいコーディングスキームは、2フェーズです。 これは、位相遅延差分マンチェスターコーディングと同じで、振幅操作（ ASK ）によって搬送波に重畳される周波数操作（ FSK ）信号です。 2フェーズエンコーディングの複雑さは、出力信号レベルが常に可変であり、送信データに応じて周波数が変化することです。 この問題は、ジェネレーターの倍速を使用して、結果を2つに分割することで克服できます。



最初の段階で、PCLKおよびSCLK信号は、要素74HC00（NAND）のセットを使用して、送信データのストリームに基づいて多重化されます。 上記と同じ理由（SDELAYとSCLKレース）で、またPCLKとSCLKが同期していないため、マルチプレクサの出力で異常値が観察されます。 （この場所まで読んで寝ていない人への挨拶。後でもっと楽しくなります。） translに注意してください。カウンター74HC393は非同期であり、これが問題を引き起こします。 異常値はカウンターによってパルスとして解釈される可能性があるため、異常信号は2分周器を無痛で通過することはできません。多重化された信号は、CCLK信号で量子化することによりスパイクを除去します。これにより、スパイクのスプリアスよりもはるかに長い間、高レベルにとどまることが保証されます。最後に、74HC74トリガーを使用して周波数を2つに分割すると、2相信号の形成が完了します。



コーディングのタイプ（マンチェスターまたは2フェーズ）を選択するためのスイッチが用意されています。

変調器

最後に、RFIDリーダーで受信できるように、エンコードされた信号をコイルに送り返す必要があります。コイルの両方の端子では、交流が誘導されるため、電圧は正または負のいずれかになります。



振幅変調は、それぞれが独自の半波信号で動作する一対のMOSトランジスタを使用して、巻線の両端に制御された地絡を作成することによって実行されます。整流器ブリッジは、各端子に対してグランドへの閉じた経路を形成します。 MOSトランジスタは前述の信号ピークに応答できるという事実にもかかわらず、共振回路はピークの周波数よりも2〜3桁低い周波数に調整されているため、共振回路は応答できません。



Webで見つけた写真や図のほとんどは、この部分を表示したり、誤って表示したりしません。閉鎖は、エンコードされたデータに従って時間制御され、抵抗により抵抗が制限されます。パッシブRFIDタグは通常小さく、これよりも1桁少ない電力で動作します。タグには通常小さなコイルが付いているため、非常に小さな変調度しか実現できません。設計で大きなコイルを短絡すると、送信される信号が非常に強いため、ほとんどの読者が混乱する可能性があります。また、コイルを短絡するには、PLLを使用して、コイルが閉じている間、クロック周波数を維持する必要があります。

プロトタイプアセンブリ

さて、理論とスキームが正しい場合、すべてが意図したとおりに動作するはずです。しかし、実践と理論は常に一致するとは限らず、私の灰白質も時々私を失敗させます。







プロトタイプには、タグ識別子を設定するための40個の赤いスイッチと、仕切り用の4個の青いスイッチがあります。 8チップの一番上の行は、ラインパリティを計算するためのXOR86HC86の排他的OR要素です。中央の行は、64ビットのデータレジスタを形成する8つのシフトレジスタ74HC165です。一番下の行では、左の5個のマイクロチップが列のパリティをカウントします-4個の74HC280と1個の74HC86。残りは、カウンター、PLL、およびシュミットトリガーです。



はんだ付けには合計で約6時間かかりました。プロトタイプの主な目的は、基本機能の効率と電磁界から動作するデバイス全体の能力を示すことです。プロトタイプには、PLLを含むマンチェスターコーディングの要素のみが含まれています。

デバッグ

メインスキームの開発は簡単なタスクでした。数時間しかかかりませんでした。ただし、いくつかのことは十分に慎重に計画されておらず、一部の機能は実験的にテストする必要がありました。



ネットワーク上の素材を検索した後に生まれた当初の考えでは、変調は深く、非常に深く、同時にコイルを完全に閉じる必要があるとされていました。これにより、PLLのデバッグに多くの時間を費やしました。

PLLの問題

PLLの問題は、安定した動作を確保するためにいくつかのパラメーターのバランスを取る必要があることです。一方で、高速で安定した位相キャプチャを確保すると同時に、キャリアが中断された場合のキャプチャ範囲と回復クロックのドリフトの両方を削減する必要があります。 74HC4046のドキュメントを使用すると、思ったよりも複雑であることがわかりました。すべてのコンポーネントに既製の式はなく、グラフ上にいくつかの式を見つける必要があります（私にとっては、グラフの値が現実から2回異なる理由は謎のままです）。すべてのコンポーネントに適した定格を見つけ、125 kHzの周波数がVCO範囲の中間にあることを確認するのに時間がかかり、同時にドリフトはわずかに小さくなりました。







ドリフト解析中に、PLLに周波数変調を与える50ヘルツのピックアップのかなりの部分も見つけました。手のコイルを強く圧縮することで干渉を除去しました。問題は、入力信号がバイナリではないという事実により、PLL入力の位相比較器に可変のしきい値があるということでした。容量結合クロックリカバリデバイスは、ロジック回路に適さないフロントを提供しました。シュミットのトリガーがこの問題を解決することがわかりました。



シュミットトリガーの重要な特性は、信号エッジ中に大量の電力を消費することです。これは、入力段がヒステリシスを提供するフィードバックと組み合わせて線形モードで動作するためです。幸いなことに、高電力モードで費やされる時間は短く、全体的な電力消費は制限されています。それでも、シュミットトリガーを使用すると、システムにリークが発生します。

安い読者とジャンク

プロジェクトを始めたとき、RFIDリーダーが変調された信号に対してどれほど敏感であるかは知りませんでした。したがって、ネットワーク上で見つかったように、変調はコイルの完全な回路として実装されました。すぐに、変調が深すぎ、RFIDリーダーが信号から開始ビットと停止ビットを抽出できなかったことが判明しました。読者の電子機器は、この変調によって単にst然とし、すべてのゴミを出しました。







実際に受信したデータの種類を確認するには、利用可能な唯一のリーダーを開いて、ボードに複数のワイヤをはんだ付けする必要がありました。 RFIDリーダーは、50〜100μA程度の電流源によって短絡されたコイルからデータを受信できることがわかりました。これは、コイルの完全な短絡をもたらす2.5 mAとは多少異なります。追加の利点は、PLLがオプションになったことです。変調器が巻線を閉じても、クロックリカバリは継続します。コイルの残留誘導は、クロッキングをサポートするのに十分でした。







変調器はもともとバイポーラトランジスタで組み立てられていました。これは、トランジスタが低電力モードで動作するため、信号のエッジが緩やかになるため、非常に遅くなります。それらをMOSトランジスタに置き換えると、変調器が高速になり、消費電流がさらに27μA節約されました。 SOT-23ケースにはトランジスタしかありませんでした（SMD取り付け用の小さなゴキブリ。約Transl。）。そして、ピンを使用してプリント基板に配置する必要がありました。手元にあった3.3ボルトのLDOスタビライザーはSO-8パッケージに入っていて、ピンコネクタの一部にワイヤで取り付けられていました。



唯一のRFIDリーダーは、製造が不明で適切な品質のものでした。彼は最悪の期待に応えました。リーダーに誤ったデータを送信すると、a）リーダーを掛ける、b）コンピューターへの入力でゴミを取得する、c）世界のすべてを呪い、何かが期待どおりに機能しない理由を理解しようとすることができます。判明した唯一のことは、そもそもあなた自身のリーダーを組み立てなければならなかったことです。建物の正面玄関の読者ははるかに信頼性が高く、私が彼らに移したすべてを消化することができたことが判明しました。

論理エラーを検索する

リーダーで正常にデコードされた信号を受信した後、正常に機能しませんでした。回線で2つのエラーが検出されました。



1つ目は、128を法とするカウンターで、PCLK信号の立ち上がりエッジに沿ってクロックされました。しかし、彼はしなければなりませんでした-背中に。 PLOAD信号がシフトクロック信号のリーディングエッジとオーバーラップしたため、プロトタイプは9ではなく10のスタートビットを送信しました。 PCLKの単純なインバーターがこの問題を解決しました。 2相エンコーダーを使用した最終設計では、エンコーダー操作の一部として正しいPCLK信号が生成されます。



2番目の間違いは、マンチェスターコードの極性です。ネットワーク上の唯一の言及は「低は高電流を意味する」であり、論理「1」の遷移図「低→高レベル」が含まれていました。説明には多くの解釈があります。これは、「低は変調器がオンになっている（コイルが短絡している）」ことを意味することがわかります。幸いなことに、SDELAYの形成のためのデータストリームの遅延により、直接データストリームと反転データストリームの両方が発生しました。マンチェスターエンコーダーを変更して反転信号を使用するのは簡単でした。

パッシブパワーテスト

プロトタイプ全体のエネルギー消費を測定して、受動電力が可能かどうかを確認しました。3.3 Vでの消費電流は780μA前後で変動しました。これは、回路を閉じてプロトタイプを受動電源に転送するのに十分なほど小さいものです。



それから...安い読者には何も起こりませんでした。



すべてが期待どおりに機能し、電源が入り、データが送信され、突然、突然、「BEEP！」。コードは正しく認識され、リーダーが接続されているコンピューター画面に表示されました。成功！ これで、自家製のRFIDタグでドアを開けることができます。

共振電力を追求

共振回路からの電力供給は、リーダーがあまりにも頻繁に迷子にならないように調整する必要があり、同時に、タグを動作させるのに十分なエネルギーが抽出されます。思ったより難しいことがわかりました。前述のように、品質係数は重要な役割を果たします。実際、エネルギーを受け取るのに十分な大きさの小さなコイルが必要ですが、送信機に過負荷をかけずに簡単に変調できるほど小さいものが必要です。



共振LC回路は、選択したコンポーネントに対して計算された共振周波数で正確に機能しないことに注意してください。その理由は、ラベル回路が回路に（わずかに容量性の）負荷をかけるからです。したがって、コイルは計算よりもわずかに小さくする必要があります。これには、理論に従ってコイルを作成し、正しい周波数に達するまでターンを削除できるという利点があります。



安価なリーダーは高負荷に非常に敏感であり、負荷が低いほどうまく動作することが判明しました。初期コイル3.3 mHは、約680 mHのインダクタンスで安定した妥協点が見つかるまで、数回半分にされました。 2番目の変更は、ストレージコンデンサの容量が10μFから2μFに減少したことです。リーダーは時々失敗しますが、少なくとも以前よりも頻繁に機能します。



いずれにせよ、ドアのコントローラーは私が送ったすべてのものを喜んでいるようで、私を失望させることはありません（たとえテスト中に本当の鍵を忘れたとしても）。







名前のないRFIDリーダーは、タグに外部電源がある場合に最適に機能します。外部ソースを使用する場合、おそらくPLLをオンにすることをお勧めします。デカップリングコンデンサの節約になりすぎたと思います。）



Mark（このfigリーダーを使用している人）と話し合った後、彼はこのリーダーに問題があり、通常のタグを使用していることを知ったと言いました。私たちは彼に小さなデバッグセッションを提供することにしました。 200 mVのリップル（125 kHzの周波数で）と、読者の電源回路に存在する不快なパルスがあります。追加の1μF+ 100 nFコンデンサを、シルクスクリーン印刷でマークされているが使用されていないボード上の場所にはんだ付けすると、リーダーのパフォーマンスが大幅に向上しました。今では彼はつまずく回数が減り、受動的な電力でもプロトタイプからデータを読み取ることができます。



すべてに注意してください：そのようなたわごとリーダーを購入しないでください。良いものを購入するか、自分で組み立てます。



物語がそこで終わると思うなら、あなたは間違っています。まだ改善の余地があり、大幅な変更によりはるかに機能するようになりました。安価な名前のない読者でさえ、うまく機能させることができます。

回路基板

元のデザインを見て、オプションについて考えた後、このガジェットはあまりにもクールでプロトタイプとしてそのままにしておくことが決定されました。彼は単にもう少し注意を求め、開発を不条理なものにするだけです。プリント回路基板が開発され、一部の注意を払って、トレーサーの「スペース不足」エラーを出さずに、すべての部品が2層で50x100 mmの領域に収まりました。サイズ50x100は、ITeadまたはSeeedでの大量生産の利用可能性を意味します（カスタムプリント回路基板の製造サービス- 約転送）。ただし、クレジットカードサイズの手数料を支払うのは難しすぎました。







このボードは、すべてが適合するようにSMDコンポーネント用に設計されています。直径0.3 mmの412個のビアと、最小幅7 milのトラック/ギャップがあります。スイッチの助けを借りて完全に構成可能な識別子、外部およびパッシブ電源の可能性、ダイレクトクロッキングとPLL、マンチェスターおよび2フェーズエンコーディングの切り替え、構成可能なビットレートを含む、すべての機能が実装されます：1、2、4、または8 kbit / s



プロトタイプは、回路と回路基板の最終バージョンで考慮されたいくつかのレッスンを教えてくれました。

• プロトタイプの128モジュロカウンターは2つの74HC163チップ上に組み立てられ、スペースを節約するために1つの74HC40103を置き換えました。
• - (2x24 ). +,
• 74HC14, . , , 74HC1G14,
• LDO- - ( «»)
• / . ,

C

ボードとコイルを除く部品の価格は30ドル未満です。自分でコイルを作成する必要があります（以下を参照）。実際、DIPスイッチと回路基板は最も高価なコンポーネントです。



ほとんどのコンポーネントを、お持ちのコンポーネントで置き換えることができます。ただし、入力コンデンサは少なくとも16 Vに耐えることができなければなりません。さらに、共振器とPLLに1％の抵抗と5％のコンデンサを使用して、パラメータが計算されたものに対応するようにする必要があります。



デカップリングコンデンサはすべて10 nF（通常の100 nFではなく）であることに注意してください。これは、共振回路の負荷を減らすために必要です。この回路は低周波数で動作し、電源電圧が最小許容値を超えているため、パワーバス上のわずかに増加したノイズレベルに耐えることができます。



計算によると、コイルには直径0.4 mmの89巻のワイヤが含まれ、50 mmの平均直径（巻線の中心線に沿って測定）が必要です。コイルは直径48 mmのマンドレル（シリコンシーラントのカートリッジ）に巻き付けられ、ワックスコードの助けを借りて美しいトロイダル形状を与え、コイルをしっかりと配置しました。許容範囲に応じて、88回転または87回転で所望の共振周波数がおそらく達成されます。



回路を共振に正しく設定すれば、好きな形状（正方形や長方形など）のコイルを作成できます。ただし、電磁結合のインダクタンスと強度は寸法に依存するため、形状を変更するにはいくつかの実験が必要になります（矩形コイルについては以下を参照）。



コイルのインダクタンスを測定する場合は、125 kHzの周波数で測定してください。インダクタンスは、コイルの浮遊容量とそれらの間の電磁結合による周波数に依存します（たとえば、3.3 mHコイルは、1 kHzの周波数で100μH未満のインダクタンスを示します）。寄生パラメータは、共振周波数と達成される品質係数にも影響します。

安全上の注意

ご覧のとおり、RFIDタグのエミュレートは簡単です。アクセスにキーのみが必要なすべてのシステムは、タグエミュレーション攻撃に対して脆弱です。アクセス制御システムのRFIDは、「あなたが持っているものとあなたが知っているもの」というリンクで、認証の要素の1つとしてのみ使用する必要があります（これは効果的ではありません）。



暗号化されたタグでさえ、多くの攻撃に対して脆弱です。さらに、NFC対応スマートフォン（通常は13.56 MHzで動作）でタグをエミュレートすることがますます容易になっています。フィールド変調アプリケーションを正しく記述するだけで、何でもできます。



標準的な言い訳として、著者（および翻訳者！- 約Transl。）この記事の情報を使用した結果に対して責任を負いません。読者は彼のすべての行動に責任を負わなければなりません。

本体

時には非常に幸運です。プロトタイプが完成し、プリント基板が注文されると、美しいケースは今すぐ傷つきません。そしてちょうどその頃、フレミングは組み立てを完了し、OSAA PhotonSawレーザー切断機を発売しました。プロジェクトの1年の作業の後、レーザーは最初の詳細を切り取る準備ができています。フレミングとルーンが最後の調整を行い、レーザーキャビネットのアルミニウムカバーを取り付けます。この機能が動作しているのを見て私たち全員がどれほど嬉しかったか想像できます。



稼働中のマシンを使用して、実生活でプロジェクトをテストする機会を得ました。 RFIDタグのケースは2 mmのガラスでできていました。このケースは、PhotonSawで作成された最初のオブジェクトです。







コイルをケースの外側に配置するというアイデアが生まれました。最初は、ケースの半分の高さを使用することが決定されましたが、実際には機能しませんでした（したがって、長辺の追加の穴は使用されません）。コイルはケース全体の周囲に完全に配置されましたが、長方形の巻線（105x55 mm）が通常の電磁結合に対して大きすぎないかどうかは疑問でした。



テストコイルは、計算なしで、66ターンで0.4 mmのワイヤで巻かれました。そして、明らかに幸運でした。なぜなら、インダクタンスが645μHで、タグが接続されていて、125.2 kHzの共振周波数が得られるため、コイルが本来のとおりになったからです。ドアリーダーのテストでは、このコイルでプロトタイプが正常に機能することが示されました。



ハウジングの外側にコイルがあると、後者の厚さを減らすことができます。内部の厚さは、ボード上の部品の高さのみに依存するようになりました。ボードの厚さを考慮すると、約6 mmになるはずです。彫刻を追加するのもいいでしょう。フレミングは、審美的および人間工学的な理由から体の側面を丸くすることを提案しました。湾曲したケースは、コイルの側面をよりよく保護します。これは、強い張力がない場合、ワイヤの巻きが外に出るのが好きだからです。







PhotonSawマシンはまだ完全な状態ではありません。トップカバーの彫刻が大きく外れています。ケースの最終バージョンを作成する前に、最終的にデバッグする必要があります。ビームが閉じたパスを通過した後、ビームが元の位置に戻らなかったため、曲線輪郭もソフトウェアで計算エラーが発生しました。しかし、いずれにしても、曲線は本当に滑らかに見えます。

PCBアセンブリ

注文したボードが届きました。







アセンブリはそれほど複雑ではありませんでした。ステンシルを使用してはんだペーストをボードに塗布し、すべての部品を配置してから、それらを仮設オーブンで密封しました。







しかし、PCBテストでは、多くの驚きがありました。ボードの最初のバージョンで見つかったエラー：

• DIPスイッチパッドが近すぎます。スイッチハウジングを所定の位置に収まるように、側面から軽く研磨する必要がありました。次のバージョンでは、ギャップは10ミル増加しました。
• 転送速度を指定したシルクスクリーンが正しく実行されません。 値は、「8 4 2 1」ではなく、「1 2 4 8」の順序でなければなりません。 次のバージョンで修正。
• プロトタイプに加えられた変更は、エネルギーの点でうまく機能しているようであり、多くの予期しない問題を引き起こしました。 回路へのスプリアス電力がオフ状態で検出されました。
• 変調は激しく働き、不安定です。 主な理由は、電圧変調モードで動作する変調器と組み合わせた異なる入力電圧レベルです。

寄生食品

新しい取り外し可能なスタビライザー（MCP1804）は多くのエネルギーを節約します。 その意味は、ラベルが超低消費状態にある場合、接続されたバッテリーが長時間持続することです。 ただし、コイルがリーダーの近くにある場合、クロックリカバリ回路を介した電力の回避策が表示されます。







分離キャパシタンス（周波数125 kHzで約47 kFの抵抗を持つ47 pF）と保護ダイオードを介して、電流が電源バスに流れます。 コイルからのエネルギーは、約1 Vの供給電圧を維持するのに十分です。電流は250〜500μAに達する可能性があります。 驚いたことに、74HCチップはそのような電力で動作するようです。 残念ながら、そのようなストレスの下では、むしろ奇妙なことが起こります。 74HCチップには内部リセット回路があり、それが機能することを確認する必要があります。 保護ダイオードをオフにしても効果がないことに注意してください。 超小型回路の入力には、内部保護ダイオードがあり、この場合は開いて同じ作業を実行します。



電源リセットは、供給電圧が一定のレベルを下回った場合にのみ機能します。 電圧が高すぎると、一部の部品が未定義状態になり、他の部品が正常に動作するため、内部ロジックが混乱する可能性があります。 すべてのチップを一貫した状態に設定するには、内部リセットが必要です。 したがって、回路は非常に低い電源電圧で不安定になります。



症状は次のとおりです。正しいデータを送信している間、ラベルはしばらく動作していました。 リーダーからコイルを取り外してから戻すと、タグがオフになるかどうかを賭けることができます。 時には機能することもあれば、機能しないこともあります。 PLLを無効にすると、状況が悪化します。 消費電力が低いため、リーダーがオフラベルからデータを受信する場合があります。 これが「エネルギー効率の高いシステム」の意味です。



2つの解決策があります。1）クロックリカバリ回路のコンデンサを15 pFに減らし、2）過剰なエネルギーを放電するために電源とグランドの間に22-100 kOhmの抵抗器をオンにします。 2番目の方法は、動作中のリークの増加につながり、コンデンサの静電容量を減らすときに実際には必要ありません。 それにもかかわらず、それはオプションとして提供され、これはチップの不確実な状態よりも優れています。

電流または電圧変調

変調器は頭痛の新鮮な部分をもたらしました。 コイルがリーダーから一定の距離に置かれたとき、変調は完全に消えました。 これは、リーダーとの間でコイルを移動するときにも発生する可能性があります。



その理由は、変調回路にありました。 MOSトランジスタは、コイルを特定の抵抗の抵抗に閉じます。 ただし、回路からのエネルギー消費が大きい場合、変調器の抵抗は電源回路の抵抗よりもはるかに高くなります。 これは、変調度が消費電流に依存するという事実につながり、これはあまり良くありません。 状況は、プロトタイプよりも低い電圧に制限ツェナーダイオードを選択することで悪化しました。







変調器を電圧変調から電流変調に切り替えることが決定されました。 最初のモードでは、抵抗はドレイン回路にあり、現在ではソースとグランドの間に接続されています。 トランジスタのオープニングしきい値（0.9〜1.1 V）のすぐ上の値が残るまで、ゲート抵抗とソース電圧がこの抵抗で低下し、トランジスタが線形モードになります。 これで、ドレインの電圧に関係なく、トランジスタを流れる電流が安定します。



プロトタイプのテストでは、現在の変調が非常にうまく機能することが示されました。 安価な名前のないリーダーが失敗することはなくなりました（おそらく100に1回程度）。 この変更は、他の読者にも見事に機能し、おそらく今ではほとんどの読者に対応できると思われます。

完成したバージョン1

回路基板で行われた変更に気付くかもしれません。 私は15 pFのSMDコンデンサを持っていませんでした。通常の脚をはんだ付けする必要がありました。 変調器は、トランジスタのソースに抵抗が追加されて大きくなりすぎています。 最初のバージョンでは全体的に受け入れられます。



（写真はクリック可能）

ビデオデモンストレーション

おわりに

7400ロジックで組み立てられたこのプロジェクトは、レトロ回路に起因すると考えるかもしれませんが、これは完全に真実ではありません。 まず、現代の74HCファミリーはそれほど古いものではありません。 第二に、低電力回路は常に重要です。 第三に、単一の論理要素のマイクロ回路（シュミットの使用トリガーなど）は、現代の開発でよく使用されます。 技術の開発が古いマイクロサーキットのファミリーのために止まらないことはしばしば忘れられます。 それらは一般的な多様性の背景に対して目立たなくなりました。



アナログ部分は、デジタル部分よりも開発が困難でした。 一部は仕様の欠如によるものですが、主にパラメーターを満たすために必要な多くの妥協と予期しない副作用によるものです。 デジタル設計には選択肢が比較的少ないのに対し、アナログ設計には通常、異なる（そしてしばしば対立する）基準間のバランスが必要です。



私は、74HCチップが非常に優れたものであることを告白しなければなりません。 開発者は自分たちが何をしているかを知っていて、非常に低い電力消費を達成しました。 最初は、ラベルが受動的な電源で動作するかどうかについていくつかの疑問がありましたが、仕様を読んだ後は、適切な回路の問題にとどまりました。 ただし、ラベルのさまざまな部分を最適化する余地はまだあります。



さて、このプロジェクトが2012 7400コンテストでどのように現れるか見てみましょう。 コンテストの申し込みは11月31日に終了します。 著者に幸運を！ - 注 perev。