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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik RFID-Leser für große Reichweite


Autor: Werner Ziehmer (werner_avr)
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Hallo,

ich möchte ein Lesegerät für 125kHz RFID's bauen (Anwendung: Türöffner). 
Dabei soll beim Vorbeilaufen mit einem Transponder in der Hosentasche in 
etwa 75cm (oder mehr) Entfernung von der Antennen-Spule noch ein 
gültiges Signal zu detektieren sein (einen Leser "zum Erfahrungen 
sammeln" für geringe Entfernungen hab ich bereits am Laufen).

Mir geht es deswegen hier nur um den analogen Teil des Lesers. Ich hab 
schon fleißig gegoogelt und auch mehrere Lösungsansätze gefunden. Da es 
aber so viele Variablen gibt, an denen man "drehen" kann (sowohl bei der 
Antenne als auch der Demodulations-Schaltung), wäre ich dankbar, wenn 
sich jemand melden würde, der schon Erfahrungen auf diesem Gebiet 
gesammelt hat.

Beste Grüße
Werner

Autor: Zapp (Gast)
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Das Problem mit den RFID Tags ist, dass die Leistung fuer deren Speisung 
mit uebertragen werden muss. Die Reichweite waere viel hoeher, wenn das 
RFID Tag eine eigene Batterie haette. Falls dem nicht so ist, zumindest 
bei 13,6MHz ist die Reichweite etwa gleich dem Durchmesser der Antenne.

Z

Autor: Zapp (Gast)
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Was ich noch vergass zu erwaehnen... es gibt gesetzliche Feldstaerke 
Limiten, dh man kann nicht einfach einen 100W Verstaerker nehmen und die 
Leistung rausblasen.

Z

Autor: ab-cd (Gast)
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...richtig, Antenne so gross wie moeglich.
Bei optimal ausgerichtetem Tag ergibt sich groesste Reichweite.
...nichts Neues aber wichtig

Autor: Jörg S. (Gast)
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Ich denke die Leistungsübertragung ist gar nicht mal so das Problem. Bei 
den Schaltungen die ich bisher untersucht habe, hat die Sendeleistung 
einen nur sehr geringen Einfluss auf die Reichweite gehabt.

Autor: Ugene (Gast)
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Bei 125kHz wird es schwer sein die Reichweite von 75cm zu erreichen. 
RFID Systeme die auf dieser Frequenz arbeiten, sind in der Regel für 
Reichweiten kleiner 20cm ausgelegt. Hierbei handelt es sich um induktive 
Kopplung. Als Antenne nimmt man in der Regel eine "Spule".
Hast du auch daran gedacht, welche Antenne die Tags haben? Wenn sie sehr 
winzig und dazu noch unterschiedlich sind, wird die Reichweite sehr 
stark variieren. Ganz wichtig ist auch die Tagausrichtung.


Autor: Markus 8051 (markus_8051)
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- Die Reichweite bei 125kHz ist ein Problem der Energieübertragung. Ich 
habe einen "aktiven" Transponder (µC mit Batterie, der gemäß 
Datenprotokoll eine Spule kurzschließt) gebaut, mit dem ich bei meinen 
Versuchen in etwa die doppelte Reichweite erzielte, wie ein passiver 
Transponder mit gleicher Spule.

- Kannst Du eine zweite Antenne einsetzen? Also quasi aus zwei Antennen 
ein Tor bauen, durch das der Anwender dann durchschreiten muß? (Achtung, 
das Feld der beiden Antennen muß natürlich gleichgerichtet sein.

- für hohe Reichweiten, also hohe Sendeleistung, ist eine niederohmige 
Ausgangsstufe günstig. Ich habe für die Antenne HF-Litze verwendet 
(o.k., ist ein wenig mit Kanonen auf Spatzen, aber klappte ganz gut) und 
Kondensatoren mit geringem ESR verwendet.

- die besten Ergebnisse hatte ich bei einer Antennenspule mit etwa 1mH. 
Hat da jemand mal eine Begründung für?

- es ist auch vorteilhaft, Sende und Empfangsspule zu trennen, also 
einfach eine zweite, durchaus kleinere Spule als Empfangsantenne zu 
verwenden.

andere wichtige Punkte wurden ja schon genannt.

Viel Erfolg, und berichte mal bitte von Deinen Ergebnissen,

Markus_8051

Autor: Markus 8051 (markus_8051)
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Noch etwas: Die TAGs sind für einen Frequenzbereich von 100-150 kHz 
spezifiziert, da liegt 125 kHz natürlich gut mittendrin. Jeder TAG hat 
jedoch eine eigene Resonanzfrequenz, die meist nicht bei 125kHz liegt, 
bei der er dann auch die höchste Reichweite bringt. Hier macht es also 
auch Sinn, ein wenig zu experimentieren und die TAG evtl. 
auszusortieren.

Gruß,
Markus_8051

Autor: Jörg S. (Gast)
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> mit dem ich bei meinen Versuchen in etwa die doppelte Reichweite
> erzielte,
Und wie hoch war die Reichweite?

In den Datenblättern der RFID Karten stehen ja meisstens die ungefähren 
Reichweiten drin die sich erzielen lassen. Beim EM4102 z.B. 6cm. Das man 
da jetzt durch Schaltungstechnischen Aufwand 70cm rausholt kann ich kaum 
glauben.

Autor: Werner Ziehmer (werner_avr)
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Vielen Dank für Eure schnellen Antworten. Ich versuch sie mal mit meinen 
bisherigen Erfahrungen (teils theoretisch, teils praktisch) der Reihe 
nach zu kommentieren.

(1) Ich arbeite mit den (passiven) Tags von Reichelt (deshalb keine 
Batterie und die Leistung für die Speisung muss mit übertragen werden).

(2) Zu der Lese-Reichweite hab ich in der Application Note AN678 von 
Microchip folgenden Zusammenhang gefunden: Spulen-RADIUS = 1,414 * 
Lese-Entfernung (für kreisförmige Spule).

(3) Es ist sicher richtig, dass die meisten Systeme für kleine 
Lese-Entfernungen ausgelegt sind, aber in der AN710 findet man eine 
Grafik, dass es auch anders geht: Für ein Tag in Chipkartengröße und 
eine rechteckförmige Spule mit Abmessungen von 20 * 55 Zoll, soll sich 
eine Lese-Entfernung von 35 - 40 Zoll (das ist schon etwa 1m) erreichen 
lassen.

(4) Ein Tor mit einer zweiten Antenne kann ich leider nicht realisieren, 
die Idee ist aber toll, darauf wär ich nicht gekommen.

(5) Das mit der niederohmigen Endstufe kann ich nur bestätigen. Bei 
meiner jetzigen Schaltung hab ich ein TC4422 als Endstufe benutzt und 
mit einem Rechteck angesteuert. Der Ri des ICs im Zusammenhang mit dem 
Wirkwiderstand des Schwingkreises verhindert wirkungsvoll, dass sich ein 
sauberer Sinus am Schwingkreis einstellen läßt.

(6) Hier noch ein Hinweis zum verwendeten Draht. Auch bei 125kHz darf 
man den Skin-Effekt nicht vernachlässigen. Man sollte einen Durchmesser 
von mindestens 0,4mm wählen, dann sind die Verluste im Schwingkreis nur 
noch vom Gleichstromwiderstand abhängig (wichtig für hohe Güten).

(7) Der Wert der Induktivität von 1mH deckt sich mit den Angaben, die 
ich in der Literatur gefunden hab ("wenige Hundert bis wenige Tausend 
Mikro-Henries"). Eine Begründung kann ich zwar nicht liefern, ich hab 
aber mal eine Works-Tabellenkalkulation beigefügt, mit der man 
verschiedene Eingaben zu Spulengeometrie, Windungszahl, Schwingkreisgüte 
und Endstufe machen kann. Als Ergebnis erhält man dann die Werte der 
Induktivität, Kapazität, notwendigem Serienwiderstand, Endstufenstrom 
und die Lese-Entfernung. Ihr könnt ja mal die Werte Eurer Schaltungen 
eingeben. Es würde mich brennend interessieren, ob da die Theorie mit 
der Praxis übereinstimmt.

(8) Das mit der getrennten Sende- und Empfangsspule werde ich auf jeden 
Fall auch mal probieren. Gibt es da vielleicht schon Erfahrungswerte 
bez. Abstand und Windungszahlenverhältnis der beiden Spulen ?

(9) Der Tip mit der abweichenden Resonanzfrequenz der Tags war mir auch 
wichtig, meine vorhandenen werde ich demnächst mal ausmessen.

(10) Zu guter Letzt: Natürlich werde ich von meinen Ergebnissen 
berichten. Aber da ich jetzt als erstes meine Hardware umstellen werde 
(andere Endstufe, evtl. Umstieg von sinusförmiger Ansteuerung anstelle 
der rechteckförmigen, neue Spulen austesten) kann es schon etwas dauern.

Beste Grüße
Werner




Autor: Pflorz (Gast)
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Mit marginaler Erfahrung bei 13.56MHz.
Die Werte fuer 1m Reichweite bei 1m Spulendurchmesser kann ich 
bestaetigen. Wenn der RFID Tag eine Batterie hat kriegt man mit der 1m 
Antenne auch 5m Reichweite hin.

P

Autor: Jörg S. (Gast)
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13,56MHz ist Reichweitentechnisch auch was vollkommen anderes als 125KHz

Autor: Pflorz (Gast)
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Tatsaechlich ? Man ist auch da im Nahfeld einer magnetischen Antenne. 
Das Feld hat 10 mal weniger Nulldurchgaenge. Dafuer hat man auch 10 mal 
weniger Schaltvorganege auf der Karte, dh die 125kHz Karte ist 
sparsamer. Sollte meines Erachtens etwa auf dasselbe rauskommen.

P

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Gegen Skin-Efekt im Langwellenbereich benutzt man gern "HF-Litze". Die 
besteht zum Beispiel aus 32 feinen Kupferlackdrähten, die gemeinsam mit 
Seide umsponnen sind. Zum Anlöten muß man die Lackisolation aller 
Drähtchen mit dem Lötkolben abbrennen und verzinnen.
Werner, was ist ".xlr" für ein Dateiformat?

Autor: Markus 8051 (markus_8051)
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@Christoph: einen Hinweis zum Format hat Werner doch gegeben: "ich hab
aber mal eine Works-Tabellenkalkulation beigefügt". Daraufhin habe ich 
halt mal versucht, sie mit Excel zu öffnen, klappte problemlos.

@Jörg S.: Doch, daß kannst Du schon glauben: 105cm bei 88cm Durchmesser 
der Antenne, getrennte Empfangsantenne und 50mm TAG.

@Werner:
Zur Ansteuerung der Antenne: Früher heben wir hier auch auf eine saubere 
sinusförmige Ansteuerung sehr viel Wert gelegt. Versuche haben jedoch 
gezeigt, daß es bei einer rechteck-Ansteuerung über eine MOSFET-Endstufe 
keine Reichweitenverluste gab - und es ist so wesentlich billiger.

Zur Empfangsantenne: Bei der 88cm Sendeantenne habe ich mit einer 20cm 
Empfangsantenne gearbeitet. Ich weiß nicht mehr genau, aber so 20-30 
Wdg. dünner Kupferlackdraht. Diese Spule wird auch NICHT mit einem 
entsprechenden Kondensator als Schwingkreis betrieben, sondern soll nur 
induktiv das Feld aufnehmen. Die Idee ist folgende: Der TAG entzieht dem 
Feld ja nach einem bestimmten Muster Energie. Damit er es leichter hat, 
sollte er eben nur die Energie aus dem Feld abbauen müssen, und nicht 
auch noch die aus dem LC-Schwingkreis der Sendeantenne. Deshalb sollte 
es eine möglichst gute Kopplung zwischen TAG-Spule und Empfängerspule 
geben, aber eine möglichst schlechte zwischen Sende- und Empfangsspule. 
Also evtl. die Empfangsspule ein wenig aus der Ebene der Sendespule 
herausheben. Habe gerade noch eine spontane Idee: Wie ist es, wenn die 
Empfangsspule so auf der Sendespule liegt, daß sie gar kein Sende-Feld 
abbekommt... (wie gesagt, nur gerade eine Idee).

Gruß,
Markus_8051

Autor: Werner Ziehmer (werner_avr)
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@Markus:
Hintergrund meiner Überlegung mit der geänderten Ansteuerung war 
folgendes: eine Abweichung von der Sinusform bedeutet ja zusätzliche 
Frequenzen im Spektrum (auch wenn diese vom Schwingkreiskondensator 
teilweise wieder gedämpft werden). Ich habe befürchtet, dass dann die 
Demodulation der Daten schwieriger werden könnte (wegen der 
Mischprodukte, die in den Nutzfrequenzbereich fallen) und sich deshalb 
eine geringere Lesereichweite ergibt. Aufgrund Deiner Erkenntnisse bleib 
ich aber jetzt mal bei der Rechteck-Ansteuerung, Du hast schon recht, 
die Schaltung wird so wesentlich billiger.

Zu Deiner Ausführung zur Empfangsantenne hab ich noch ne Frage: Das mit 
der unterschiedlichen Kopplung zwischen Sende-, Empfangs- und Tag-Spule 
seh ich genauso, aber warum soll die Empfangsspule nicht als 
Schwingkreis ausgeführt werden? Alle Schaltungsteile arbeiten doch auf 
der gleichen Frequenz, d.h. die Empfangsschaltung soll ein 
amplitudenmoduliertes Signal (mit extrem geringem Modulationsgrad, 
Spektrum: 125kHz +/- 2,5kHz) auffangen. Und um eine möglichst große 
Spannung zu erhalten, wäre doch ein Schwingkreis in Parallelresonanz 
bestens geeignet, oder mach ich da einen Denkfehler ?

Noch was zu Deinem letzten Satz: Meiner Meinung nach MUSS die 
Empfangsspule was vom Feld der Sendespule abbekommen, nur eben 
"magnetisch hochohmig" (bitte nicht wörtlich nehmen), deshalb die lose 
Kopplung. Würden die beiden Spulen aber nah beieinander liegen, ergibt 
sich automatisch eine feste Kopplung.

Autor: Markus 8051 (markus_8051)
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Hallo Werner,

legt man die Empfangsspule ebenfalls als Schwingkreis aus, muß der TAG 
hier natürlich immer erst Energie reinpumpen, bzw dem Schwingkreis 
Energie entziehen. Da bliebe die Frage, wie lange das dauert, verglichen 
zu den 32 bzw 64 Taktzyklen, die eine Signalperiode ausmachen. Dabei 
würden sicher ein paar Überlegungen/Berechnungen/Versuche mit der Güte 
der Schwingkreises helfen. Es kann sein, daß sich da noch bessere 
Ergebnisse erzielen lassen. Meine Empfangsantenne war jedenfalls 
wirklich nur eine Spule und kein Schwingklreis.

Zu meiner letzten Idee: Problem bei allen Empfangsschaltungen die ich 
bisher gebaut habe war immer das geringe S/R-Verhältnis, wobei die 
Rauschleistung ja in diesem Fall das 125kHz-Feld der Sendeantenne ist. 
Legt man nun die Empfangsspule so auf die Sendespule, das der 
Mittelpunkt der Empfangsspule auf dem Rand der Sendespule liegt, sollte 
die Kopplung zwischen diesen beiden Spulen minimal sein. Trotzdem 
"sieht" die Empfangsspule den zu lesenden Transponder sehr deutlich.

Markus_8051

Autor: marc (Gast)
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Hallo markus und werner
der märz ist vorbei
ich will unsere katze einfangen mit 20mm tag am hals
und em9045    125khz
würde das auch gern mit 2 *spulen aufbauen
wie sieht die mos_endstufe aus.. skizze ??
und der anschluss der spulen am em9045

Danke
marcus.richi@gmx.de

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