一種基于耦合線圈的射頻識(shí)別裝置設(shè)計(jì)

　　摘要 設(shè)計(jì)了基于耦合線圈的射頻識(shí)別裝置。系統(tǒng)由閱讀器與應(yīng)答器兩部分組成：閱讀器采用PT2272、耦合線圈、發(fā)光二極管;應(yīng)答器采用PT2262、耦合線圈、撥碼開(kāi)關(guān)等。閱讀器采用單電源供電，應(yīng)答器能量則全部來(lái)自耦合線圈;無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸采用異步串口通信與負(fù)載調(diào)制等方法實(shí)現(xiàn)。閱讀器可識(shí)別靠近的應(yīng)答器并顯示識(shí)別結(jié)果，識(shí)別距離≥10 cm，顯示正確率≥95%，響應(yīng)時(shí)間≤1 s。

　　射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification Technology，RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)?；镜腞FID系統(tǒng)由3部分組成：應(yīng)答器、閱讀器和天線。RFID技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快，已成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要一環(huán)。本文探討中低頻RFID系統(tǒng)的工作原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　本裝置的主要目的是將應(yīng)答器部分儲(chǔ)存的信息通過(guò)應(yīng)答器端的耦合線圈傳遞到閱讀器端的耦合線圈，再由閱讀器讀出存儲(chǔ)信息。應(yīng)答器采用線圈耦合無(wú)線供電，耦合線圈一方面?zhèn)鬟f信息，另一方面也充當(dāng)應(yīng)答器的能量源?？紤]到低功耗設(shè)計(jì)，功率放大器的效率必須較高，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制、編碼等需盡可能地簡(jiǎn)單且低功耗，此外還需保證閱讀器的識(shí)別靈敏度。

　　1 系統(tǒng)總體方案

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1和圖2所示。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;閱讀器通過(guò)耦合線圈接收信號(hào)再交給解碼芯片解碼輸出應(yīng)答器卡號(hào)，并由發(fā)光二極管顯示。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)整流和穩(wěn)壓后送入發(fā)射機(jī)為其提供能量。采用幅移鍵控(ASK)，即負(fù)載調(diào)制，其調(diào)制解調(diào)電路簡(jiǎn)單，且功耗較低。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 閱讀器部分設(shè)計(jì)

　　采用晶振和非門(mén)的簡(jiǎn)單振蕩電路，使晶振工作在其的并聯(lián)諧振模式，該電路如圖3所示。為了推動(dòng)后級(jí)的丙類功放，要求前級(jí)有一定的電流和功率驅(qū)動(dòng)能力，若插入中間放大器會(huì)增加額外的功率損耗，使效率降低，同時(shí)也增加了電路各級(jí)之間匹配的復(fù)雜程度，故采用兩個(gè)非門(mén)并聯(lián)的方式以增加驅(qū)動(dòng)能力。

　　非線性丙類功率放大器的電流導(dǎo)通角<90°，效率可達(dá)80%，通常作為發(fā)射機(jī)末級(jí)功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。為了不失真地放大信號(hào)，其負(fù)載必須是LC諧振回路。當(dāng)放大器的輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，集電極的輸出電流為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓和電流。

　　由前面載波產(chǎn)生電路可知產(chǎn)生的信號(hào)有一定的驅(qū)動(dòng)能力，可直接接入后極的功放進(jìn)行放大。為了便于后級(jí)匹配，將集電極饋電線圈兼作諧振回路，以抵消輸出電容的影響，其功放電路如圖4所示。

　　通過(guò)二極管的單向?qū)ㄐ约半娙莸某浞烹娦?yīng)進(jìn)行峰值檢波。二極管選擇檢波二極管，其主要是利用檢波二極管的結(jié)電容小，工作頻率高及方向電流小的特點(diǎn)。包絡(luò)檢波后的輸出為不規(guī)則的波形，且其峰值小，不便于檢波芯片的處理，故采用放大比較電路，再通過(guò)非門(mén)整形后將信號(hào)處理為二進(jìn)制碼型以便于解碼器的解碼。其電路如圖5所示。

　　對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要要求包括：高效率的傳送能量、濾除高次諧波分量和阻抗變換3個(gè)方面，在設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)綜合考慮這3方面的要求。設(shè)計(jì)采用倒L型濾波型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于LC元件損耗功率微小，可高效地傳輸功率。同時(shí)，由于其對(duì)頻率的選擇作用，決定了該種電路的窄帶性質(zhì)。設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

　　采用PT2262和PT2272進(jìn)行編解碼。PT2262最多可有6位(D0-D5)數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)由地址碼、數(shù)據(jù)碼和同步碼組成一個(gè)完整的碼字，地址碼和數(shù)據(jù)碼均使用寬度不同的脈沖來(lái)表示，兩個(gè)窄脈沖表示“0”;兩個(gè)寬脈沖表示“1”。在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，此時(shí)PT2262和PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有3種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地狀態(tài)，3*為6 561，所以地址編碼不重復(fù)度為6 561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對(duì)使用。解碼芯片PT2272接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)兩次比較核對(duì)后，VT腳才輸出高電平，以確認(rèn)是否接受正確。與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出與PT2262相對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)，即一旦地址匹配，PT2262與PT2272所有引腳的電平均相同。PT2262將數(shù)據(jù)位設(shè)置的并行數(shù)據(jù)以一定的電平方式串行輸出，控制應(yīng)答器部分的負(fù)載變化，以達(dá)到負(fù)載調(diào)制的作用。而通過(guò)負(fù)載調(diào)制并通過(guò)耦合線圈反饋到應(yīng)答部分的信號(hào)，經(jīng)包絡(luò)檢波及處理后為較規(guī)則的高低電平信號(hào)，PT2272可直接對(duì)其進(jìn)行解碼。編碼電路如圖7所示，解碼電路如圖8所示。兩個(gè)芯片的振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會(huì)變近甚至無(wú)法接收。

　　2.2 應(yīng)答器部分電路設(shè)計(jì)

　　采用基本的二極管搭建橋式全波整流電路，以獲取足夠高的電壓供給后級(jí)使用。其電路如圖9所示。