淺談基于T89C2051的RFID技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

摘要：文章介紹了RFID技術(shù)的分類、組成及基本原理，完成了基于T89C2051的RFID技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)的介紹由低電壓、高性能的T89C 2051控制的無源應(yīng)答器和外置單電源供電的閱讀器組成。而無源應(yīng)答器所需的工作能量是從閱讀器發(fā)出的射頻波束經(jīng)空間高頻交變磁場(chǎng)耦合而獲取，再經(jīng)整流、濾波、存儲(chǔ)后來提供應(yīng)答器所需要的工作電壓。當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入發(fā)射天線覆蓋區(qū)域時(shí)，應(yīng)答器以耦合方式獲得能量；將自身編碼等信息通過發(fā)送天線發(fā)送出去，接收天線接收到信號(hào)，經(jīng)閱讀器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行濾波放大后，由單片機(jī)控制發(fā)光二極管顯示。
關(guān)鍵詞：RFID；應(yīng)答器；閱讀器

1 RFID簡介
1．1 RFID技術(shù)
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識(shí)別，俗稱電子標(biāo)簽。RFID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)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個(gè)基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個(gè)閱讀器和很多應(yīng)答器組成。
1．2 RFID的基本組成部分
應(yīng)答器：由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象；
閱讀器：讀取(有時(shí)還可以寫入)應(yīng)答器信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式；
天線：在應(yīng)答器和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)。
1．3 RFID技術(shù)的基本工作原理
RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜，應(yīng)答器進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)；閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。一套完整的RFID系統(tǒng)，是由閱讀器與應(yīng)答器及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部份所組成，其工作原理是閱讀器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給應(yīng)答器，用以驅(qū)動(dòng)應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時(shí)閱讀器便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。

2 基于T89C22051的RFID技術(shù)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)主要由閱讀器和應(yīng)答器組成，閱讀器將振蕩器的振蕩信號(hào)放大后經(jīng)耦合線圈輻射出去；應(yīng)答器一方面從耦合線圈得到激勵(lì)信號(hào)，另一方面將所得信號(hào)經(jīng)調(diào)頻整流和穩(wěn)壓后送入發(fā)射機(jī)和單片機(jī)為其提供能量，采用自動(dòng)開關(guān)控制發(fā)射機(jī)電源通斷以降低功耗。

采用頻分方式，閱讀器發(fā)射與應(yīng)答器信號(hào)不同頻率的大功率的高頻信號(hào)，作為應(yīng)答器的能源。應(yīng)答器收到高頻信號(hào)后將其高頻整流作為整個(gè)應(yīng)答器的電源，應(yīng)答器的發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)單片機(jī)提供的編碼完成信號(hào)的調(diào)制及發(fā)射。
2．2 模塊方案選擇
2．2．1 調(diào)制方式選擇
數(shù)字方式的調(diào)制可以很好的克服或減小模擬調(diào)制的非線性帶來的失真、衰落等，ASK最易實(shí)現(xiàn)，選擇數(shù)字調(diào)制方式中的ASK。
2．2．2 電源的設(shè)計(jì)
應(yīng)答器線圈并聯(lián)電容，負(fù)載電阻并聯(lián)上一個(gè)和電壓有關(guān)的分流電阻。輸出電壓穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可調(diào)性高，理想的達(dá)到數(shù)據(jù)載體的工作電壓。

3 理論分析與計(jì)算
3．1 耦合線圈的匹配理論
無源工作的應(yīng)答器所需要的能量必須由閱讀器供應(yīng)，高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)有閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，這種磁場(chǎng)穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間，因?yàn)槭褂妙l率內(nèi)的波長比閱讀器天線和應(yīng)答器之間的距離大好多倍，可以把應(yīng)答器到天線的電磁場(chǎng)當(dāng)作簡單的交變磁場(chǎng)。應(yīng)答器的天線線圈和電容器C1構(gòu)成諧振回路，調(diào)諧閱讀器的發(fā)射頻率，通過該回路的諧振，應(yīng)答器線圈上的電壓U達(dá)到最大值。動(dòng)作磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，線圈的結(jié)構(gòu)可以解釋為變壓器弱耦合。
3．2 閱讀器發(fā)射電路分析
閱讀器由振蕩器，控制器和接收識(shí)別電路(解碼電路)三大部分組成。其中振蕩器為發(fā)射環(huán)節(jié)的關(guān)鍵部分，它為天線提供與應(yīng)答器進(jìn)行聯(lián)系所需諧振頻率。振蕩器采用4MHZ晶振，經(jīng)74HC4060進(jìn)行32分頻得到125KHZ方波。再經(jīng)LC諧振回路提供給天線，經(jīng)閱讀器與應(yīng)答器之間磁場(chǎng)傳輸?shù)綉?yīng)答器一方，從而實(shí)現(xiàn)為應(yīng)答器傳輸能量同時(shí)擔(dān)當(dāng)信號(hào)傳輸之作用。
3．3 閱讀器接收電路分析
閱讀器對(duì)應(yīng)答器信號(hào)的接收是通過應(yīng)答器部分能量的分擔(dān)實(shí)現(xiàn)閱讀器部分能量的變化實(shí)現(xiàn)的。天線信號(hào)經(jīng)二極管波，送雙功放LF353，再經(jīng)電壓比較器LM311送入單片機(jī)。

4 電路和程序設(shè)計(jì)
4．1 閱讀器電路設(shè)計(jì)計(jì)算
由于裝置功率小，選取工作頻率為125KHz，選用4MHz晶振進(jìn)行32分頻得到。根據(jù)要求耦合線圈為10匝，線圈直徑D為6．6cm，漆包線直徑d為0．5cm由電感的計(jì)算公式：
L=(0．01*D*N*N)／(I／D+0．44)=(0．01*6．6*10*10)／(0．5*10／6．6+0．44)=5．5μH
式中，D為線圈直徑(cm)；I=N*d為線圈繞組長度(cm)；d為漆包線直徑(cm)；N為線圈匝數(shù)，L=25330．3／[(f0*f0)*c]
即C=25330．3／[(f0*f0)*L]=0．2F。
式中，f0為工作頻率，MHz；L諧振電感，μH4．2開關(guān)與振蕩電路圖設(shè)計(jì)開關(guān)與振蕩電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示：

4．3 應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)
應(yīng)答器主要由整流濾波電路、自動(dòng)開關(guān)、發(fā)射電路和單片機(jī)小系統(tǒng)組成，其原理框圖如圖3所示。

4．4 識(shí)別裝置工作流程
識(shí)別裝置工作流程圖如圖4所示：

4．5 完整電路圖如圖5所示

5 調(diào)試方法：
5．1 閱讀器
5．1．1
用普通示波器測(cè)試閱讀器線圈兩端的波形，按照理論應(yīng)該輸出正弦波，若波形不正確，測(cè)試晶振是否起振，檢查各引腳是接錯(cuò)。
5．1．2
示波器觀察閱讀器接收線圈上的波形，應(yīng)該接受到正弦波，若不出現(xiàn)，適度調(diào)整兩線圈之間的距離，調(diào)整閱讀器的晶體振蕩電路的各參數(shù)以輸出更大的能量。
5．2 應(yīng)答器
用萬用表測(cè)試AT89C2051的碼輸出端，觀察萬用表的擺動(dòng)情況，理論上萬用表左右等幅擺動(dòng)，若不擺動(dòng)則用示波器測(cè)晶振端是否有波形輸出，用仿真器檢測(cè)程序的正確性。

6 測(cè)試結(jié)果
6．1 測(cè)試數(shù)據(jù)的完整性
用單只綠色LED的點(diǎn)亮檢測(cè)有碼的傳輸，四個(gè)紅色LED顯示所發(fā)送的數(shù)據(jù)。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的誤差滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試數(shù)椐如下表所示：

6．2 測(cè)試結(jié)果分析
閱讀器上點(diǎn)復(fù)位后，按啟動(dòng)鍵后閱讀器打開功放，先為應(yīng)答器發(fā)0．5s載波，以給應(yīng)答器充電一段時(shí)間保證應(yīng)答器能正常工作。后發(fā)4標(biāo)志位，在發(fā)編碼，每位碼與碼之間延時(shí)0．9ms左右。若不能正確接收校驗(yàn)碼，則從頭開始再重新接受。因此，時(shí)間在03：42：41．63與04：06：42．13之間，誤碼率在允許范圍之內(nèi)，從以上分析可知基于T89C2051的RFID技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。