一種簡單無線RFID系統(tǒng)設(shè)計

作者：時間：2010-11-16 來源：網(wǎng)絡(luò)

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O 引言

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/260657.htm

　　射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。射頻識別工作無須人工干預(yù)、非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環(huán)境影響、壽命長、便于使用。目前，射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展非常迅速，產(chǎn)品種類繁多，已廣泛用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域，如汽車、火車等交通監(jiān)控;高速公路自動收費(fèi)系統(tǒng);停車場管理系統(tǒng);物品管理;倉儲管理：車輛防盜等。由于我國射頻識別技術(shù)起步較晚，除用于中國鐵路的車號自動識別系統(tǒng)外，僅限于射頻公交卡的應(yīng) 用。本文給出一種實現(xiàn)簡單射頻識別系統(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，使整個系統(tǒng)的可識別有效距離約為8.3cm，有一定的使用價值。

　　1 總體方案設(shè)計

　　無線射頻識別(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。該方案簡單易行，電路簡單。但這種應(yīng)答器必須采用電源供電，否則電路無法工作。

　　將應(yīng)答器看作有源應(yīng)答器，在閱讀器設(shè)計部分，將接收到的微弱電壓信號進(jìn)行放大，在利用解調(diào)電路取出有用信號，經(jīng)過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)計簡單，容易硬件實施，可行性好。

　　2 電路的理論分析與計算

　　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，必須考慮其匹配問題。耦合線圈在無線識別系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為阻抗ZL，為了實現(xiàn)與系統(tǒng)的功率匹配，必須通過無源的匹配電路實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換，使功率無反射地傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/耦合線圈">耦合線圈?？梢岳蒙倭拷M件來實現(xiàn)相配的匹配電路。在現(xiàn)實應(yīng)用中有多種不同的13.56MHz的無線識別系統(tǒng)采用了如圖3的匹配電路。

　　本設(shè)計使用了該匹配電路，實現(xiàn)了阻抗匹配。要確定匹配電路的參數(shù)，需要測量出線圈的電感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。振蕩器信號被饋送到由信號編碼的基帶信號控制的調(diào)制級。此基帶信號就是鍵控的恒壓信號，在此將二進(jìn)制數(shù)據(jù) 以串行碼的形式表示出來。根據(jù)調(diào)制器的類型，執(zhí)行對振蕩器信號的ASK或FSK調(diào)制。此時基帶信號會被直接饋送到頻率合成器，再通過功率放大使調(diào)制后的信號達(dá)到所需電平，然后將調(diào)制后的放大信號輸出耦合到初級線圈。

　　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。通過耦合線圈所得的電壓信號經(jīng)過放大器放大后，再經(jīng)解調(diào)器解調(diào)得到載波信號，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)計與計算

　　3.1 閱讀器電路的設(shè)計計算

　　本次所設(shè)計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)計如圖4所示。為了使閱讀器線圈的耦合效率高，可將通過該線圈并聯(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)計算：

　　式中L為線圈的自感系數(shù)，測試得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激勵時，電壓明顯上升，因此應(yīng)答器的工作頻率選為13.56MHz，理論計算出C=10.9pF。

　　圖4屬于高頻小信號放大器，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)輸出模擬信號恢復(fù)為數(shù)字信號，以便解碼器識別。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)計計算

　　編碼器設(shè)計由撥碼開關(guān)和編碼芯片VD5026構(gòu)成，信息由撥碼開關(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，實現(xiàn)ASK調(diào)制。調(diào)制波形如圖8所示。調(diào)制輸出信號經(jīng)反向后直接送諧振回路。

　　
3.3 程序設(shè)計

　　VD5027解碼正確時，17管腳輸出高電平，4位數(shù)據(jù)由管腳10、11、12、13輸出。因此單片機(jī)設(shè)置為中斷模式，VD5027的17管腳經(jīng)反向后接在單片機(jī)的中斷0入口處。主程序為休眠等待狀態(tài)，當(dāng)有應(yīng)答器且解碼正確時，響應(yīng)中斷服務(wù)子程序，顯示相應(yīng)的信息。其流程如圖9所示。

3.4 總電路圖設(shè)計

　　根據(jù)前面的分析設(shè)計，在面包板上安裝調(diào)試正確后，焊接印刷電路板，測試結(jié)果正確。

　　4 識別裝置工作流程圖

　　識別裝置工作流程如圖10所示。此無線識別裝置由手動輸入信息，經(jīng)編碼器編碼，采用ASK調(diào)制方式，載波為13.56MHz，經(jīng)線圈耦合發(fā)送。閱讀器將接收到的ASK信號放大后，經(jīng)二極管包絡(luò)檢波，送至數(shù)字恢復(fù)電路后，再解碼。解碼正確時，由單片機(jī)顯示結(jié)果。

5 測試方案與測試結(jié)果

　　5.1 電感線圈測量

　　測量設(shè)備：QBG-1A型高頻Q表。

　　測試結(jié)果：電感線圈匝數(shù)N=10匝，電感線圈直徑D=6.9cm，

　　閱讀器電感線圈Ll：12.73μH，應(yīng)答器電感線圈Ll：12.60μH，

　　分析：兩電感線圈匝數(shù)、直徑相同，但電感量不同，主要是電感由手工繞制，因此因松緊、間隙不同造成。

　　5.2 編碼器VD5026測量

　　測試設(shè)備：數(shù)字示波器DS5062M。

　　測試結(jié)果：輸出為波形較好的方波信號。

　　振蕩頻率f=22.872kHz，幅度Vpp=3.00V，Vmax=2.24V，Vmin=0.00V。

　　5.3 載波振蕩器測量

　　測試設(shè)備：數(shù)字示波器DS5062M。