PPD : Lecteur/Emetteur de cartes RFID

Aujourd’hui j’aimerai vous parler du PPD (projet pluridisciplinaire)  en cours de réalisation par des deuxièmes années.

Nous devons fabriquer un lecteur/emetteur de puces RFID.

Ça veut dire quoi RFID ?
Radio Frequency IDendification.

Pourquoi Radio ?
L’activation requiert l’émission d’un signal. Il y a plusieurs plages de fréquences, en voici quelques unes standards pour les RFID (et autres tags NFC):
- 125 kHz.
- 13,56 MHz.
- 900 MHz.

A quoi servent-elles et où en trouve-t-on ?
Elles sont utilisées dans de multiples domaines. Prenons par exemple le transport de marchandises : on assigne une puce à un produit. Au départ, on compte le nombre de produit via un scan qui compte le nombre de puces et on fait pareil à l’arrivée. Ça va super vite, et ça prend beaucoup moins de temps que de compter à la main.

Exemple plus concret : les badges pour entrer dans les bâtiments sont en fait munis de puces RFID qui permettent  le contrôle d’accès !

Super, et comment ça marche ?
On peut mémoriser et récupérer des données en utilisant des radios étiquettes (tag). Ces tags possèdent une antenne qui leur permet de recevoir et de répondre à des requêtes radios émises depuis l’émetteur.
Petite explication technique :
Le dispositif utilise une antenne (en gros, une bobine) pour alimenter le tag RFID et lit la réponse.
Cette réponse est ensuite filtrée et manipulée en données interprétées. Dans le cadre de notre PPD, nous utilisons un Arduino pour interpréter ces données.

Le système de sécurité pourra enregistrer des codes, chacun composé d’un certain nombre de bit (une vingtaine par exemple) qui sont dérivés de chaque tag rfid (il est donc unique !)
Il pourra y avoir un système de validation, si le code est trouvé dans la base de données, il y aura une led rouge qui clignote lorsque ce n’est pas bon, vert quand c’est bon.
L’administrateur :
- Il peut ajouter des codes en initialisant des routines qui permettent d’ajouter un code à la base de données.
- Il peut retirer les codes.
- Lui seul connaît la liste de tous les codes.
- Valider le test (et faire clignoter vert), sans code.

Les thèmes explorés dans ce projet incluent la conception de filtres passifs, actifs, circuits d’amplifications, conception d’antenne RFID, la théorie de la RFID et la logique numérique.

Conception au niveau matériel:
Avant de commencer avec la conception de circuits réels, il est nécessaire de comprendre les principes derrière la technologie que ce projet a à exploiter : communication passive de RFID.
Les tags passifs RFID travaillent de tel manière qu’ils doivent être alimentés par un signal externe, qui, dans la plupart des cas est le signal porteur du lecteur.
Les cartes que nous possédons sont porteuses (répondent) de fréquence 125 KHz et la taille des tags peut être de 26 à 128 bits.

Dans les cartes, le type de modulation est FSK (Frequency-Shift Keying), que l’on peut traduire par : Modulation par Déplacement de Fréquence (MDF). C’est un mode de modulation de fréquence numérique dans lequel le signal modulé varie entre des fréquences prédéterminées. C’est le type de modulation le plus utilisé pour les cartes RFID.

Le FSK module le signal essentiellement en multipliant une faible amplitude,  une faible fréquence avec le signal porteur, créant un effet de modulation d’amplitude (AM effect). La plus basse fréquence enveloppant la fréquence porteuse. Pour passer d’un « 1 » à un « 0 », le tag  modifie les fréquences de modulation. Les 2 fréquences utilisées par nos cartes sont 12.5 KHz (125 KHZ/10) et 15.625 KHz (125 KHz/8), qui correspondent respectivement au 1 et au 0.

On tire cela du schéma de transmission tirée de la documentation Microchip pour les cartes RFID de fréquence 125 KHz :

Forme de signal du protocole FSK

La modulation produit un effet qui ressemble à cela.

 Le travail du circuit lecteur est de fournir la fréquence porteuse de 125 KHz, la transmettre au tag, et de détecter le couplage magnétique de celle-ci, ce qui ressemble à la figure du dessus.

Le diagramme en blocs pour notre circuit de lecteur peut être trouvé dans la figure ci-dessous :

Bien que chaque pièce du circuit et le programme seront décrit en détail plus tard, l’idée générale du fonctionnement du circuit est la suivante:

L’arduino fournit une minuterie pour 125 KHz d’ondes carrés pour notre fréquence porteuse. Le signal est ensuite envoyé à travers une bobine d’arrêt; un filtre passif passe-bas qui ne laisse plus qu’une onde sinusoïdale. L’onde sinusoïdale est ensuite amplifiée en utilisant un suiveur-emetteur PNP et un demi-pont pour maximiser l’expérience. Etant donné que notre circuit est un circuit L-C, il est très important d’atteindre l’impédance minimale, donc il nous faut  une amplification adéquate pour ne pas surmener l’arduino. Pour aider à réduire la tension, l’onde carrée de sortie de l’arduino est mis à travers plusieurs inverseurs parallèles.

Sur l’extrémité de réception, le signal est rectifié à moitié étant donné que la partie négative ne fais pas vraiment la différence, et est ensuite introduit à travers un filtre demi-onde RC pour éliminer la plupart des fréquences 125KHz et détecter le signal d’enveloppe.
Ce signal est ensuite filtré passe-bande en utilisant une série de filtres passe bande Double T active, et passe bas filtrée avec filtre actif Butterworth pour réduire le gain en fréquence en dehors de 10-20 KHz et augmenter ainsi le gain des signaux de  l’enveloppe tel que cela sature les ampli-op des filtres.
Comme étape final, le signal est soumis à un comparateur et diviseur résistif pour produire une onde carrée belle à des niveaux logiques.
Des portes D et compteurs sont utilisés pour extraire des données de la modulation des ondes carrées. Envoyé au microcontrôleur  et traitées.

Voilà, j’espère que ça vous a intéressé. J’ai préféré ne pas montrer tous les schémas. Une fois que ça fonctionnera je posterai un nouvel article !

Merci aux étudiants de l’université de Cornell pour leur explication sur les modules RFID que vous pouvez trouver ici.

On a pas pu aller aussi loin qu’on espérait…l’école nous a filé les composants juste avant la période d’examen. On a préparé  le terrain pour l’arduino et fini nos tests sur l’oscillo (on détectait bien la carte ).