Báo cáo đồ án: Thiết kế mạch đọc thẻ RFID và giao tiếp máy tính qua UART

Tải báo cáo đồ án thiết kế mạch đọc thẻ RFID giao tiếp máy tính qua UART. Tài liệu đầy đủ sơ đồ nguyên lý, layout, mã nguồn tham khảo cho sinh viên.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tiền
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mạch Đọc Thẻ RFID Và Giao Tiếp Với Máy Tính Qua Cổng UART
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Công nghệ RFID và Ứng dụng Thực tế

Nhận dạng tự động tần số vô tuyến (RFID) là công nghệ hiện đại cho phép đọc thông tin không cần tiếp xúc từ thẻ RFID thông qua sóng vô tuyến. Hệ thống RFID gồm hai thành phần chính: thẻ nhãn nhỏ có gắn chip silicon và ăng ten radio, cùng với bộ đọc RFID để giao tiếp với thẻ. Công nghệ này vượt trội hơn mã vạch truyền thống với khả năng lưu trữ dữ liệu lên tới 512 bit, nhiều gấp 64 lần. RFID được ứng dụng rộng rãi trong quản lý kho, bán lẻ, theo dõi sản phẩm và kiểm soát hàng tồn. Với thiết kế mạch đọc thẻ RFID, các doanh nghiệp có thể tự động hóa quy trình nhận dạng, giảm lỗi dữ liệu, tiết kiệm thời gian và chi phí hoạt động đáng kể.

1.1. Khái niệm và Nguyên lý Hoạt động của RFID

RFID (Radio Frequency Identification) là kỹ thuật nhận dạng sóng vô tuyến từ xa, cho phép đọc dữ liệu trên chip ở khoảng cách từ 50 cm đến 10 mét. Chip RFID trên thẻ nhãn được gắn kèm ăng ten chuyển tín hiệu radio đến bộ đọc RFID. Khi thẻ RFID được đặt gần đầu đọc, chip sẽ phát tín hiệu chứa thông tin định danh được chuyển đổi thành mã liên quan trong cơ sở dữ liệu máy tính.

1.2. Ưu điểm của Công nghệ RFID so với Mã Vạch

RFID vượt trội hơn mã vạch với khả năng không cần tiếp xúc trực tiếp, dung lượng lưu trữ cao và dữ liệu có thể sửa đổi. Thông tin trên thẻ RFID bao gồm thời gian lưu trữ, ngày bày bán, giá cả và nhiệt độ sản phẩm. Hệ thống RFID giúp tự động hóa quy trình kiểm kho, xác định hàng quá hạn và theo dõi lô hàng hiệu quả hơn.

II. Module MFRC522 và Cấu trúc Mạch Điều khiển

Module MFRC522 là thiết bị đọc ghi thẻ RFID chuyên dụng sử dụng IC MFRC522 của Philips, nổi bật với giá rẻ và dễ sử dụng. Mạch đọc RFID được thiết kế để giao tiếp với thẻ IC S50 thông qua giao thức UART kết nối với máy tính. Micro controller MSP430 đóng vai trò xử lý trung tâm, nhận dữ liệu từ cảm biến RC522 và truyền thông tin đến máy tính qua cổng UART. Khối hiển thị LCD 16x2 cung cấp giao diện người dùng hiển thị ID thẻ và thông tin trạng thái. Thiết kế bo mạch in bao gồm sơ đồ nguyên lý, layout PCB và linh kiện điện tử. Phần mềm microcontroller được lập trình bằng C để quản lý các chức năng nhận dạng thẻ.

2.1. Đặc tính kỹ thuật của Module MFRC522

Module MFRC522 được trang bị IC MFRC522 của Philips, hỗ trợ đọc ghi thẻ RFID chuẩn ISO/IEC 14443 Type A. Module có khả năng đọc thẻ IC S50 và chìa khóa từ S50 với khoảng cách hoạt động tối ưu. Giao diện kết nối bao gồm chân nối thẳng và chân cong cho độ linh hoạt cao. Cảm biến RC522 có tiêu thụ điện năng thấp, tín hiệu đầu ra ổn định phù hợp cho ứng dụng di động và cố định.

2.2. Lựa chọn Thẻ RFID và Linh kiện Hỗ trợ

Thẻ IC S50 là loại thẻ RFID phổ biến với dung lượng bộ nhớ 1KB, phù hợp cho ứng dụng kiểm soát truy cập. Chìa khóa từ S50 cung cấp tính linh động cho hệ thống. LCD 16x2 được kết nối với MSP430 để hiển thị ID thẻ RFID nhận diện được, tạo giao diện người dùng thân thiện. Crystal 8MHz cung cấp tần số xung nhịp ổn định cho microcontroller.

III. Thiết kế Phần Cứng và Sơ đồ Nguyên lý

Thiết kế mạch điện cho hệ thống đọc thẻ RFID bao gồm sơ đồ nguyên lý chi tiết với các mô-đun chính: MSP430 microcontroller, module RC522, LCD 16x2 và giao diện UART. Bo mạch in (PCB) được thiết kế theo tiêu chuẩn 4 lớp để đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu và giảm nhiễu điện từ. Sơ đồ layout bao gồm vùng cấp nguồn, vùng xử lý tín hiệu và vùng giao tiếp truyền thông. Các linh kiện điện tử được chọn lựa phù hợp với yêu cầu công suất và hiệu suất. Quy trình hàn được thực hiện theo tiêu chuẩn IPC để đảm bảo chất lượng kết nối điện.

3.1. Sơ đồ Nguyên lý và Phân chia Khối Chức năng

Sơ đồ nguyên lý được chia thành các khối chức năng riêng biệt: khối cấp nguồn sử dụng LDO regulator 3.3V, khối xử lý trung tâm với MSP430F149, khối giao tiếp UART qua IC MAX232 để chuyển đổi điện áp, và khối cảm biến bao gồm RC522 RFID reader và LCD 16x2. Các tụ lọc được đặt sát pin cấp nguồn của từng IC để ổn định điện áp. Điện trở pull-up/pull-down được tính toán để đảm bảo mức logic ổn định.

3.2. Thiết kế Layout PCB và Quy trình Sản xuất

Layout PCB được thiết kế với các đường dẫn rộng cho đường cấp nguồn và đất, khoảng cách an toàn giữa các pad linh kiện. Vùng tín hiệu được tách biệt với vùng điện nguồn để giảm nhiễu. Quy trình in mạch sử dụng phương pháp fotolithography hoặc CNC milling. Hàn linh kiện được thực hiện bằng welding tự động cho linh kiện SMD và hàn thủ công cho linh kiện thông qua. Kiểm tra chất lượng bao gồm đo điện trở, kiểm tra điện áp và chạy thử.

IV. Lập trình Microcontroller và Giao tiếp UART

Phần mềm microcontroller MSP430 được lập trình bằng ngôn ngữ C để thực hiện các chức năng: khởi tạo các cổng I/O, giao tiếp SPI với module RC522, xử lý dữ liệu RFID, điều khiển LCD 16x2 và truyền dữ liệu qua UART. Giao thức UART được cấu hình với baud rate 9600 bps, 8 bit dữ liệu, 1 bit dừng và không chẵn lẻ. Thư viện phần mềm được viết để quản lý chức năng RC522, bao gồm hàm khởi tạo, hàm đọc thẻ và hàm xác thực thẻ. Chương trình chính (main) điều phối vòng lặp chính để liên tục quét thẻ RFID mới. Testing và debugging được thực hiện bằng UART serial monitor để xác minh dữ liệu nhận được.

4.1. Khởi tạo Project và Xây dựng Thư viện Phần mềm

Project MSP430 được khởi tạo trong IDE Code Composer Studio (CCS) của Texas Instruments. Các thư viện chuẩn được tích hợp: hardware abstraction layer (HAL) cho GPIO, UART và SPI. Thư viện tùy chỉnh được viết cho module RC522, bao gồm hàm SPI communication, hàm đọc/ghi thanh ghi RC522 và hàm xác thực thẻ Mifare. Thư viện LCD cung cấp hàm khởi tạo, hàm ghi ký tự và hàm định vị con trỏ. Tất cả mã nguồn được tổ chức theo cấu trúc module hóa để dễ bảo trì.

4.2. Giao tiếp UART và Truyền dữ liệu tới Máy tính

Cổng UART được cấu hình với tham số 9600 bps, 8N1 (8 bit, không chẵn lẻ, 1 bit dừng) để tương thích với máy tính. Hàm UART transmit gửi ID thẻ RFID và trạng thái hệ thống định kỳ. Interrupt handler UART xử lý dữ liệu nhập vào từ máy tính. Giao diện phần mềm máy tính sử dụng VB.NET hoặc Python để hiển thị dữ liệu và quản lý cơ sở dữ liệu thẻ. Cáp USB-to-UART được sử dụng để kết nối bo mạch với máy tính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 K55 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐỌC THẺ RFID VÀ GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH QUA CỔNG UART GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: NHÓM SINH VIÊN Nguyễn Thanh Tiền ĐT1 - K55 20102303 (Nhóm trưởng) Nguyễn Văn Tỉnh ĐT2 - K55 20102422 Lê Việt Tuấn ĐT4 - K55 20102422 HÀ NỘI 11/2012 1 MỤC LỤC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.2 Phần 1: Giới thiệu đề tài, tìm hiểu MSP430.1 Nhận dạng tự động tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID). Giới thiệu về nhận dạng tự động tần số vô tuyến (RFID). Module MFRC 522 và thẻ RFID.2 Tìm hiểu về MSP430.3 Lên ý tưởng cho đề tài. Triển khai thiết kế đề tài.1 Phân chia chức năng.

Cảm biến RC522. Khối hiển thị LCD16x2. Phần mềm sử dụng.2 Lập kế hoạch. Lập trình cho vi xử lý MSP430.

Khởi tạo project mới. Tạo các thư viện cần xử dụng. Tạo hàm main. Hoàn thành và kiểm tra code.

Thiết kế bo mạch. Xây dựng sơ đồ nguyên lý. Xây dựng sơ đồ layout và in mạch:. Hàn linh kiện, hoàn thành mạch:.

Thiết kế phần mềm sử dụng. Kiểm tra, hoàn thành sản phẩm. kết quả thử nghiệm, phụ lục, hình vẽ, mã nguồn MSP, tài nguyên phần cứng, phần mềm.1 Mã nguồn MSP, tài nguyên phần cừng, phần mềm.2 Kết quả thử nghiệm, đánh giá sản phẩm. 50 Tài liệu tham khảo.50 3 Phần 1: Giới thiệu đề tài, tìm hiểu MSP430 1.1 Nhận dạng tự động tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID) 1.

Giới thiệu về nhận dạng tự động tần số vô tuyến (RFID) Nhận dạng tự động (Automatic Identification) hay gọi ngắn gọn là "ID tự động" là một thuật ngữ chỉ các công nghệ chủ dùng để giúp các máy nhận dạng các đối tượng. Nhận dạng tự động thường được thực hiện bằng tự động thu thập dữ liệu. Đó là phương pháp các công ty dùng để nhận dạng đồ vật hay hàng hóa, thu thập thông tin về chúng và nhập dữ liệu đưa vào máy tính mà không cần làm thủ công. Mục tiêu của "ID tự động" là tăng tính hiệu quả, giảm lỗi dữ liệu đầu vào và sử dụng lao động dư thừa cho các chức năng giá trị gia tăng như cung cấp dịch vụ cho khách hàng.

Các công nghệ chủ được xếp vào nhóm "ID tự động" gồm có: mã vạch (Bar Codes), thẻ thông minh, nhận dạng tiếng nói, một số công nghệ sinh trắc học (biometric), nhận dạng đặc trưng quang học (Optical character Recognition - OCR) và nhận dạng tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification - RFID). Đó là một kỹ thuật nhận dạng sóng vô tuyến từ xa, cho phép đọc không cần tiếp xúc dữ liệu trên một con chíp bằng sóng vô tuyến ở khoảng cách từ 50 cm tới 10 mét, tùy theo kiểu của thẻ nhãn RFID Hệ thống RFID gồm hai thành phần: thứ nhất là những chiếc thẻ nhãn nhỏ (cỡ vài cm) có gắn chip silicon cùng ăng ten radio và thứ hai là bộ đọc cho phép giao tiếp với thẻ nhãn và truyền dữ liệu tới hệ thống máy tính trung tâm. Bộ nhớ của con chip có thể chứa từ 96 đến 512 bit dữ liệu, nhiều gấp 64 lần so với một mã vạch. Ưu việt hơn, thông tin được lưu giữ trên con chíp có thể được sửa đổi bởi sự tương tác của bộ đọc.

Dung lượng lưu trữ cao của những thẻ nhãn RFID thông minh này sẽ cho phép chúng cung cấp nhiều thông tin đa dạng như thời gian lưu trữ, ngày bày bán, giá và thậm chí cả nhiệt độ sản phấm 4 Với công nghệ RFID, các sản phẩm ngay lập tức sẽ được nhận dạng tự động. Chip trên thẻ nhãn RFID được gắn kèm với một ăngten chuyển tín hiệu đến một máy cầm tay hoặc máy đọc cố định. Các máy này chuyển tín hiệu radio từ thẻ RFID sang một mã liên quan đến việc xác định các thông tin trong một cơ sở dữ liệu máy tính do cơ quan quản lý kiểm soát. Khi một RFID được gắn vào một sản phẩm, ngay tức khắc nó sẽ phát ra các tín hiệu vô tuyến cho biết sản phẩm ấy đang nằm ở chỗ nào, trên xe đẩy vào kho, trong kho lạnh hay trên xe đẩy của khách hàng.

Do thiết bị này được nối kết trong mạng vi tính của cửa hàng nên nhờ vậy các nhân viên bán hàng có thể biết rõ sản phẩm ấy được sản xuất khi nào, tại nhà máy nào, màu sắc và kích cỡ của sản phẩm; để bảo quản sản phẩm tốt hơn thì phải lưu trữ nó ở nhiệt độ nào. Nhờ RFID sẽ giảm được rất nhiều thời gian và chi phí quản lý, trưng bày, bán hàng. Tín hiệu vô tuyến phát ra từ chiếc tem điện tử này sẽ giúp các nhân viên bán hàng không phải đưa đầu dò đọc lướt lên mã vạch của sản phẩm nữa; việc tính tiền sẽ nhanh lẹ hơn rất nhiều, và như vậy khách hàng sẽ không mất nhiều thời gian xếp hàng chờ thanh toán nữa. Trong các kho hàng, nhân viên sẽ thao tác nhanh chóng và chính xác hơn việc lập sổ thu mua, tiêu thụ, tồn kho để theo dõi số lượng, chủng loại hàng trong kho.

Họ sẽ nhanh chóng biết lô hàng nào đã quá hạn không được bày bán nữa, chủng loại hàng nào đang hút khách tiêu dùng cần mua thêm. Tóm lại, nhờ ứng dụng RFID, các cửa hàng bán lẻ, các siêu thị sẽ cần ít nhân viên hơn, chi phí hoạt động sẽ giảm, lợi nhuận sẽ cao hơn. Module MFRC 522 và thẻ RFID Hình 1.1 MFRC-522RC522 RFIDReader IC Card  Thông số kỹ thuật +RC522 Sensor (đọc ghi thông tin lên S50 IC Card or Key) 5 +S50 IC50 Card (thẻ trống) +S50 IC50 Key +Hàng chân nối đứng và cong  Mô tả Module MF522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip, chuyên dùng làm card reader, với giá rẻ và dễ sử dụng, MFRC522 rất thích hợp cho các ứng dụng cần đến RFID, hay NFC. Module MF522 được làm với tất cả thành phần cần thiết để MFRC522 hoạt động, bao gồm cả anthena, người dùng chỉ cần kết nối module với bộ điều khiển thông qua SPI là có thể dùng được.

 Nguồn: 13—26mA/ DC 3.3VDC, 13 - 26mA  Dòng ở chế độ chờ: 10-13mA  Dòng ở chế độ nghỉ: <80uA  Tần số sóng mang: 13.56MHz  Khoảng cách hoạt động: 0～60mm（mifare1 card）  Giao tiếp: SPI  Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s  Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire  Kích thước: 40mm×60mm Môi trường hoạt động:  Nhiệt độ hoạt động : -20 - 80oC  Nhiệt độ lưu trữ: -40 - 85oC  Độ ẩm : trong khoảng 5% - 95% Module MFRC522 là sản phẩm ứng dụng nhận dạng tự động thông qua tần số vô tuyến (RFID) đơn giản, rễ sử dụng, rễ tìm kiếm trên thị trường, đẹp mắt và tính ứng dụng cao.2 Tìm hiểu về MSP430 Hình 1.2 MSP430G2553 6 a, Dòng vi xử lý msp430 Dòng vi xử lý được sản xuất bởi Texas Instruement, MSP430là một sự kết hợp chặt chẽ của một CPU RISC 16 bit, những khối ngoại vi, và hệ thống xung linh hoạt, tần số cơ bản 25MHz.MSP430 đã đưa ra được những giải pháp tốt cho những nhu cầu ứng dụng với nhiều phiên bản khác nha. MSP430 có một số phiên bản như: MSP430x1xx, MSP430x2xx, MSP430x3xx, MSP430x4xx, MSP430x5xx. Kiến trúc nguồn điện cực thấp để mở rộng tuổi thọ của Pin và giảm tiêu thụ năng lượng: -1μAduy trì RAM -0.8μAchế độ xung thời gian thực -250μA/MIPS tích cực Xử lý tín hiệu tương tự với hiệu xuất cao: -12-bit hoặc 10-bit ADC – 200Ksps, cảm biến nhiệt, V(Ref). -12-bit kép DAC.

16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần ở kích thước code lập trình. -Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi đang làm việc. -Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành. -Tối ưu hóa cho những chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++ -Có 7 chế độ định địa chỉ.

-Khả năng ngắt theo véc-tơ lớn. Trong lập trình cho bộ nhớ Flash cho phép thay đổi Code một cách linh hoạt, phạm vi rộng, bộ nhớ Flash còn có thể lưu lại được nhật ký của dữ liệu.3: Cấu trúc vi điều khiển MSP430 7 b, MSP430 LaunchPad: Hình 1.4: KITMSP430 LaunchPad  On Board Emulation (Tích hợp phần mô phỏng trên kit): Nghĩa là bạn có thể nạp chương trình và gỡ lỗi project của bạn mà không cần thêm công cụ nào khác. Đặc biệt hơn là bạn có thể dùng Kit để nạp và debug cho tất cả các chip MSP430 nằm trên một mạch khác.  BoosterPack-compatibility (Tương thích với các module hỗ trợ): Các chân của MSP430G2 được thiết kế rất thoáng.

Các chân này giúp cho việc cắm các module hỗ trợ khác rất dễ dàng, để thêm các tính năng như wireless, capacitive touch…  Hỗ trợ các vi điều khiển MSP430G2xx: Kit MSP430 hỗ trợ các vi điều hiển dòng MSP430G2xx. Đây là các vi điều khiển tần số dao động có thể lên đến 16MHZ, bộ nhớ lên đên 16KB Flash, 512B RAM, có tích hợp ADC, timer và các module giao tiếp.  Bộ kit MSP430 LaunchPad Rev.5 Full Box gồm có - Kit Msp430 lauchpad - 1 Chip MSP430G2553IN20 + 1 Chip MSP430G2452IN20 - Thạch anh 32.768Khz - 2 thanh jump cái - 1 dây cáp usb mini để kết nối MSP430 launchpad với máy tính - Tài liệu về kit MSP430 launchpad 8 Hình 1.5: Bộ kit MSP430 LaunchPad Rev.5 Full Box c, Chương trình biên dịch Code Composer Studio (CCStudio). Code Composer Studio là môi trường phát triển tích hợp (IDE) cho họ vi xử lý nhúng của Texas Instrument (TI).

CCStudio bao gồm bộ công cụ được dùng để phát triển và gỡ rối các ứng dụng nhúng. Nó bom gồm việc biên dịch cho mỗi dòng thiết bị của TI, trình tạo mã nguồn, môi trường xây dựng project, trình gỡ rối, profile, mô phỏng, vận hành hệ thống thời gian thực và nhiều tính năng khác Hình 1.6:Màn hình khởi động Code Composer Studio 9 1.3 Lên ý tưởng cho đề tài Nhận dạng tự động tần số vô tuyến (RFID) thực tế có rất nhiều ứng dụng hữu ích, trong khuôn khổ thiết kế đò án 2 này, chúng em sẽ thiết kế mạch điện điện tử dùng chíp xử lý MSP430G2553 của TI, đọc ghi thông tin thẻ RFID bằng cảm biến MFRC522, giao tiếp với MSP qua cổng SPI; và chíp xử lý này trao đổi thông tin với máy tính qua giao tiếp UART. Trên máy tính có sẵn hệ cơ sở dữ liệu, được cập nhập thông tin mỗi lần thao tác với MSP. Sơ đồ khối hệ thống có thể phân tích như sau: Mỗi người dùng, sở hữu thẻ RFID với những thông tin riêng biệt, mỗi khi thao tác với mạch (có thế là quét thẻ), mạch nhận diện thẻ RFID, đọc và xử lý thông tin.