基于射頻技術(shù)的無線識別系統(tǒng)解決方案
O 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/260675.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對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。射頻識別工作無須人工干預、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、交通運輸控制管理等眾多領域,如汽車、火車等交通監(jiān)控;高速公路自動收費系統(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。閱讀器和應答器均包含在單片機控制系統(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 總體方案設計
無線射頻識別(RFID)系統(tǒng)是由應答器、閱讀器及應用支撐軟件等幾部分組成。應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。但這種應答器必須采用電源供電,否則電路無法工作。
將應答器看作有源應答器,在閱讀器設計部分,將接收到的微弱電壓信號進行放大,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)今詈暇€圈??梢岳蒙倭拷M件來實現(xiàn)相配的匹配電路。在現(xiàn)實應用中有多種不同的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和導線的歐姆電阻RLS。
2.2 應答器的發(fā)射電路分析
在應答器的發(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答器所發(fā)送的數(shù)據(jù)。
3 程序及電路的設計與計算
3.1 閱讀器電路的設計計算
本次所設計的閱讀器電路由耦合線圈、放大電路、解調(diào)電路、解碼電路和單片機顯示電路組成。耦合線圈及放大器電路設計如圖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)輸出模擬信號恢復為數(shù)字信號,以便解碼器識別。解碼、單片機顯示控制電路如圖6所示。
3.2 應答器電路設計計算
編碼器設計由撥碼開關(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。因此單片機設置為中斷模式,VD5027的17管腳經(jīng)反向后接在單片機的中斷0入口處。主程序為休眠等待狀態(tài),當有應答器且解碼正確時,響應中斷服務子程序,顯示相應的信息。其流程如圖9所示。
3.4 總電路圖設計
根據(jù)前面的分析設計,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)二極管包絡檢波,送至數(shù)字恢復電路后,再解碼。解碼正確時,由單片機顯示結(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
測試設備:數(shù)字示波器DS5062M。
測試結(jié)果:頻率:13.56MHz幅度Vpp=1.40V
波形失真分析:振蕩器是由非門構(gòu)成環(huán)行振蕩器,有門延遲時間。LC器件能夠存儲能量,故LC振蕩器波形較好。
5.4 調(diào)制輸出波形測量
測試設備:數(shù)字示波器DS5062M。
Vpp=4.12V,Vmax=2.24V,Vmin=-1.88V。
5.5 識別測量
5.5.1 誤碼測量
測試方法:在應答器上通過撥碼開關(guān)設置0000-1111,在閱讀器上用4個發(fā)光二極管顯示和一位數(shù)碼管顯示0-F。
測試結(jié)果:應答器撥0000-1111,閱讀器相應顯示0000-llll,數(shù)碼管顯示0~F,測試結(jié)果正確,誤碼率為0。
5.5.2 傳輸時延測量
測試工具:手機秒表
測試方法:從應答器信息改變,到閱讀器顯示出的時間間隔。
測試結(jié)果:0.79s1s。
5.5.3 識別距離測量
測試工具:直尺。
測試方法:改變應答器與閱讀器間電感線圈的距離,并觀察閱讀器顯示信息是否與應答器相同。
測試結(jié)果:穩(wěn)定傳輸距離5.5cm,最遠識別距離8.3cm。
5.6 功耗測量
測試工具:天宇TY360萬用表。
測試方法:采用萬用表測量電壓U和電流I,則功耗P=UI。
測試結(jié)果:a.閱讀器:U=5V,I=50 mA,P=UI=5x50=250mW。b.應答器:U=3V,I=8.5mA,P=UI=3x8.5=25.5mW。
通過以上測試數(shù)據(jù)可以看出設計是可行的。
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