32-Bit Microcontroller based, passive and intelligent UHF RFID Gen2 Tag. Zürcher Fachhochschule

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1 32-Bit Microcontroller based, passive and intelligent UHF RFID Gen2 Tag

2 Inhalt Vorgeschichte Was wurde erreicht Hardware Energy Micro Microcontroller µctag Plattform EPC Gen2 Tag Standard Protokoll-Vorgaben Kollisionsdetektion Probleme & Lösungen Messungen & Resultate Mögliche Einsatzgebiete Fragen

3 Vorgeschichte Erfolgreich eine 8 Bit Variante mit einem proprietärer Standard implementiert Vorstellung der Resultate an der Embedded Computing Conference 2009 & Embedded World 2010 (32 Bit Variante) Neue 32-Bit Variante, neues Hardware Design Bachelorarbeit 2010

4 Was wurde erreicht Passiver Betrieb eines 32 Bit Microcontrollers mit Cortex M3 Kern. Emulation eines EPC Gen2 Tags Der µctag sendet den aktuellen Temperaturwert und die verfügbare Spannung zurück, sobald genügend Energie zur Verfügung steht.

5 Was wurde erreicht

6 Hardware // Energy Micro Microcontroller EFM32G230F128 ist ein neuartiger Cortex M3 basierter Low Power Microcontroller (Anfang 2010) Heute ist der Microcontroller verbreitet & verbessert Verfügt über eine Vielzahl von Low-Power Peripherie (ADC, Timer, DMA, etc.) Verschiedene Stromsparzustände Verschiedene Peripherien sind auch in tieferen Energiesparmodi verfügbar

7 Hardware // µctag Plattform Energy-Harvesting Schaltung Extension-Board für verschiedene Microcontroller

8 EPC Gen2 Tag Standard // Protokoll-Vorgaben Die EPC Gen2 Protokollvorgaben müssen soweit wie möglich eingehalten werden, damit der µctag als EPC Gen2 Tag erkannt wird. Kurze Reaktionszeit (Worst Case: 12,5 µs) CRC16 Berechnungen Grosser Payload Inventory: 18 Bytes Read Befehl für Memory Bereich: 34 Bytes

9 EPC Gen2 Tag Standard // 1 und 0 Erkennung Die TARI (Type-A Reference Interval) Länge wird im Header übertragen. Mit Hilfe des TARI Wertes, kann der µctag eine 1 oder 0 erkennen.

10 EPC Gen2 Tag Standard // Protokoll-Vorgaben Preamble & Framesync Erkennung

11 EPC Gen2 Tag Standard // Kollisionsdetektion Kollisionsdetektion ist in einigen Anwendungen wünschenswert. Kollisionsdetektion erfordert einiges an Mehraufwand (Zeit & Energie). Inkorrekte Kollisionsdetektion kann verwendet werden, um das Verhalten von standardisierten Gen2 Tags zu testen.

12 Probleme & Lösungen Power-On-Reset Problematik Interrupt Latency Energy Mode Vergleiche des EFM32

13 Probleme & Lösungen // Power On Reset Power-On-Reset Schaltung des EFM32 Nur bei einigen Microcontroller ist es überhaupt möglich, auf den POR Einfluss zu nehmen. Wertvolle Energie, welche aus dem RF Feld gewonnen wurde, wird verschwendet. Der POR sollte mit einer möglichst tiefen Taktrate und jedoch sehr schnell abgearbeitet werden.

14 Probleme & Lösungen // Power-On-Reset 260µs befindet sich der Mikrocontroller in einem undefinierten Zustand. Der POR sollte so kurz wie möglich sein Der POR sollte mit einer definierten Taktfrequenz ablaufen.

15 Probleme & Lösungen // Interrupt Latency Interrupt Latency ist ein Problem, da die Interrupt- Latency stark von der gewählten Taktrate abhängig ist Je tiefer die Taktrate, desto sparsamer ist der Microcontroller: Konsequez: Je tiefer die Taktrate, desto langsamer reagiert der Microcontroller. Konsequenz: Der Paketanfang kann zu spät detektiert werden, ergo können die Pakete verloren gehen.

16 Probleme & Lösungen // Energy Modes und Peripherie Der EFM32 bietet verschiedene Energy-Modes, sprich Energiesparzustände an. Die Peripherie (z.b. ADC, DMA) kann auch in diesen EnergyModes betrieben werden ohne das der Microcontroller aktiviert ist.

17 Probleme & Lösungen // Energy Modes und Peripherie Ein 32 Bit Microcontroller mit Cortex M3 Kern mag in erster Sicht für diese Arbeit ein wenig übertrieben wirken. Was der EFM32 mehr an Energie benötigt als ein 8 Bit Kontroller, macht er wieder weg durch die Peripherie, welche auch ohne laufenden Cortex M3 Kern funktioniert.

18 Probleme & Lösungen // Energy Modes und Peripherie Energy State Lauffähige Peripherie µctagzustand EM0 Alle Paket und Header Erkennung EM1 DMA, Memory Einlesen der Daten mit Hilfe des DMA EM2 EM3 I2C, RTC, Timer, etc. Wakeup für I2C, etc. Harvesting der Energie EM4 Reset und POR

19 Probleme & Lösungen // Energy Modes und Peripherie

20 Messungen & Resultate Messungen mit unterschiedlichen Abstand zum 0.5 Watt RFID Reader Die Messungen sind nicht in einem speziellen Labor entstanden.

21 Messungen & Resultate // 0.2m Abstand zum Reader: 0.2m

22 Messungen & Resultate // 0.2m Abstand zum Reader : 0.2m, Zoom Harvesting Paket vorbereiten und versenden

23 Messungen & Resultate // 0.5m Abstand zum Reader: 0.5m

24 Messungen & Resultate // 0.8m Abstand zum Reader : 0.8m

25 Messungen & Resultate // 1.1m Abstand zum Reader : 1.1m Per Software wird die Kommunikation verhindert, da nicht genug Energie zur Verfügung stehen wird.

26 Messungen & Resultate // 1.4m Abstand zum Reader : 1.4m Per Software wird die Kommunikation verhindert, da nicht genug Energie zur Verfügung stehen wird.

27 Messungen & Resultate // 1.6m Abstand zum Reader : 1.6m Per Software wird die Kommunikation verhindert, da nicht genug Energie zur Verfügung stehen wird.

28 Mögliche Einsatzgebiete Als Plattform für den Unterricht (Signale lassen sich sehr einfach auswerten) Um das Verhalten von Standard-Tags zu testen Um eine neue Software-Variante zu testen etc

29 Ausblick & Verbesserungen Sensoren z.b. Feuchtesensor an das System schliessen Non-Volatile Memory (FRAM, SRAM, Flash, etc.) anschliessen Harvesting Verhalten verbessern Signalvorverarbeitung in Hardware auslagern.

30 Vielen Dank Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Informationen Fragen oder Anregungen?

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