基于RFID的無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。射頻識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)、非接觸、閱讀速度快、無(wú)磨損、不受環(huán)境影響、壽命長(zhǎng)、便于使用。目前，射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)外發(fā)展非常迅速，產(chǎn)品種類(lèi)繁多，已廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域，如汽車(chē)、火車(chē)等交通監(jiān)控；高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)；停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)；物品管理；倉(cāng)儲(chǔ)管理：車(chē)輛防盜等。由于我國(guó)射頻識(shí)別技術(shù)起步較晚，除用于中國(guó)鐵路的車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)外，僅限于射頻公交卡的應(yīng)用。本文給出一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單射頻識(shí)別系統(tǒng)的方式。閱讀器和應(yīng)答器均包含在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，利用ASK調(diào)制與解調(diào)電路以及匹配網(wǎng)絡(luò)電路，使整個(gè)系統(tǒng)的可識(shí)別有效距離約為8．3cm，有一定的使用價(jià)值。

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)是由應(yīng)答器、閱讀器
及應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。應(yīng)答器采用直流電源供電，它主要由編碼電路、載波振蕩電路、調(diào)制電路和發(fā)射電路構(gòu)成。其原理如圖1所示。該方案簡(jiǎn)單易行，電路簡(jiǎn)單。但這種應(yīng)答器必須采用電源供電，否則電路無(wú)法工作。

　　將應(yīng)答器看作有源應(yīng)答器，在閱讀器設(shè)計(jì)部分，將接收到的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大，在利用解調(diào)電路取出有用信號(hào)，經(jīng)過(guò)判別電路后再利用解碼芯片，最后利用顯示控制電路顯示閱讀器接收到的數(shù)據(jù)，其原理如圖2。所示該方案電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易硬件實(shí)施，可行性好。

　　2 電路的理論分析與計(jì)算

　　2．1 耦合線圈的匹配理論

　　作為電磁能量的發(fā)射裝置一耦合線圈，必須考慮其匹配問(wèn)題。耦合線圈在無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為阻抗ZL，為了實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的功率匹配，必須通過(guò)無(wú)源的匹配電路實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換，使功率無(wú)反射地傳輸?shù)今詈暇€圈?？梢岳蒙倭拷M件來(lái)實(shí)現(xiàn)相配的匹配電路。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中有多種不同的13．56MHz的無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)采用了如圖3的匹配電路。

　　本設(shè)計(jì)使用了該匹配電路，實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。要確定匹配電路的參數(shù)，需要測(cè)量出線圈的電感LS和導(dǎo)線的歐姆電阻RLS。

　　2．2 應(yīng)答器的發(fā)射電路分析

　　在應(yīng)答器的發(fā)送器部分，首先由頻率穩(wěn)定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生所需的工作頻率的信號(hào)。振蕩器信號(hào)被饋送到由信號(hào)編碼的基帶信號(hào)控制的調(diào)制級(jí)。此基帶信號(hào)就是鍵控的恒壓信號(hào)，在此將二進(jìn)制數(shù)據(jù)以串行碼的形式表示出來(lái)。根據(jù)調(diào)制器的類(lèi)型，執(zhí)行對(duì)振蕩器信號(hào)的ASK或FSK調(diào)制。此時(shí)基帶信號(hào)會(huì)被直接饋送到頻率合成器，再通過(guò)功率放大使調(diào)制后的信號(hào)達(dá)到所需電平，然后將調(diào)制后的放大信號(hào)輸出耦合到初級(jí)線圈。

　　2．3 閱讀器接收電路分析

　　閱讀器接收電路由耦合線圈、放大器、解調(diào)器、解碼器和顯示部分組成。通過(guò)耦合線圈所得的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后，再經(jīng)解調(diào)器解調(diào)得到載波信號(hào)，再經(jīng)解碼器解碼和顯示電路得到應(yīng)答器所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　3 程序及電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算

　　3．1 閱讀器電路的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　本次所設(shè)計(jì)的閱讀器電路由耦合線圈、放大電路、解調(diào)電路、解碼電路和單片機(jī)顯示電路組成。耦合線圈及放大器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。為了使閱讀器線圈的耦合效率高，可將通過(guò)該線圈并聯(lián)可調(diào)電容，使其諧振頻率和應(yīng)答器的工作頻率一致，使閱讀器線圈工作在諧振狀態(tài)，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率可由式(1)計(jì)算：

　　式中L為線圈的自感系數(shù)，測(cè)試得L=12．60μH，f為應(yīng)答器的工作頻率，為13．56MHz，由于具有并聯(lián)電容器的閱讀器線圈在諧振頻率13．56-MHz激勵(lì)時(shí)，電壓明顯上升，因此應(yīng)答器的工作頻率選為13．56MHz，理論計(jì)算出C=10．9pF。

　　圖4屬于高頻小信號(hào)放大器，S8050的fT典型值為200MHz，則電流放大倍數(shù)約為：。數(shù)字恢復(fù)電路采用LM393，如圖5所示，它的作用是將解調(diào)輸出模擬信號(hào)恢復(fù)為數(shù)字信號(hào)，以便解碼器識(shí)別。解碼、單片機(jī)顯示控制電路如圖6所示。

　　3．2 應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)計(jì)算

　　編碼器設(shè)計(jì)由撥碼開(kāi)關(guān)和編碼芯片VD5026構(gòu)成，信息由撥碼開(kāi)關(guān)生成。電路圖如圖7所示。

　　載波振蕩器采用74HC14構(gòu)成的環(huán)行振蕩器，功耗小，最小工作電壓低，適合于3V電池供電。振蕩器反饋中接入13．56MHz晶體濾波器，載波頻率穩(wěn)定度高。

　　調(diào)制器由高速CMOS器件74HC00構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。調(diào)制波形如圖8所示。調(diào)制輸出信號(hào)經(jīng)反向后直接送諧振回路。