基于ATMEGA64L和TRH031M的RFID讀卡器設(shè)計(jì)
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① 設(shè)定特性阻抗Z。=500W，輸入信號頻率為13.56MHz；
② 令負(fù)載ZL=500W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1；
③ 在ZL上并聯(lián)電容C0，得到點(diǎn)2；
④ 再在C0上串聯(lián)電感L0，得到點(diǎn)3；
應(yīng)使點(diǎn)3位于15W匹配點(diǎn)，若點(diǎn)3不能精確位于該點(diǎn)，則應(yīng)微調(diào)各元件參數(shù)。由圓圖的直觀性，該調(diào)整不難實(shí)現(xiàn)。由此，得到如圖5(a)所示的阻抗圓圖。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時(shí)，可以推算出1、3點(diǎn)間的等效阻抗為15.24+j 0.00W，接近于負(fù)載阻抗15Ω，這表明了我們所設(shè)計(jì)的元件參數(shù)是正確的。其誤差源于元件不可能無限精確。
(a)
(b)
圖5 EMC濾波電路Smith圓圖
由此，得到如圖5(b)所示的阻抗圓圖。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時(shí)，可以推算出1、3點(diǎn)間的等效阻抗為500.42+j 50.47歐姆，接近于天線阻抗500歐姆，這表明了前面我們所設(shè)計(jì)的元件參數(shù)是正確的。
天線匹配電路設(shè)計(jì)
天線本身是一個(gè)低電阻的器件，將天線連接到TRH031M需要一個(gè)匹配電路。設(shè)計(jì)天線的匹配電路有兩種方法：50W匹配天線和使用直接匹配的天線配置。在本設(shè)計(jì)中采用直接匹配的天線配置。
計(jì)算天線線圈的電感
精確計(jì)算天線線圈的電感值在實(shí)踐上非常困難的，通常用下面的公式估算：
L[nH]=2×L[cm]×(ln(L[mm] / D[mm]-k)) (1)
其中L為天線線圈一圈的長度，N為天線線圈圈數(shù)，一般為3圈，D為天線線圈直徑或?qū)w的寬度，P為由天線線圈的技術(shù)而定的N的指數(shù)因子(見表2)。
線圈電阻的估算
沒有阻抗分析儀的首次天線調(diào)諧的估算可以用下面的公式：
RANT=5RDC (2)
為了給RFID卡提供足夠的能量，天線與卡片間必須實(shí)現(xiàn)緊耦合，耦合系數(shù)最少為0.3(耦合系數(shù)為0時(shí)，即由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦，耦合系數(shù)為1即全耦合)。因此天線線圈采用直徑為1mm的導(dǎo)線，設(shè)計(jì)為三圈的76mm×49mm長方形天線。此時(shí)，天線線圈產(chǎn)生的電感，由公式1可計(jì)算出天線線圈的電感值約為L=1.7mH。天線電阻R=1.4W。
由于每塊不同的天線電路板實(shí)際的天線線圈電感值總是會稍有差異，在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，天線匹配網(wǎng)絡(luò)的元件的設(shè)計(jì)過程按照圖6進(jìn)行調(diào)整。諧振電容由固定電容=150pF和可調(diào)電容CV2代替。通過調(diào)整可調(diào)電容CV2來使得天線的振蕩頻率為13.35MHz，通過調(diào)節(jié)C1使得天線的阻抗為500W，通過調(diào)整可調(diào)電容將每塊天線板的讀寫距離調(diào)整到最佳。
圖6天線匹配電路調(diào)整過程
天線匹配網(wǎng)絡(luò)仿真步驟如下:
① 設(shè)定特性阻抗Z。=500 W，輸入信號頻率為13.56MHz；
② 令負(fù)載ZL=0.00W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1；
③ 在ZL上串聯(lián)電阻Rcoil=0.7W，得到點(diǎn)2；
④ 再在Rcoil上串聯(lián)電感L=0.85mH，得到點(diǎn)3；
⑤ 再并聯(lián)電容C2，得到點(diǎn)4；
⑥ 最后再串聯(lián)電容C1，得到點(diǎn)5。
圖7 天線匹配網(wǎng)絡(luò)電路的Smith圓圖
由此，得到如圖7所示的阻抗圓圖。圖中設(shè)Rcoil為0.7W，L為0.85微亨,這樣天線就由Rcoil和L來等效代替。由Smith Chart得到C2=163pF , C1 =15pF，由此可以推算出1、5點(diǎn)間的等效阻抗為247.79+j11W，接近于對稱天線的一半阻抗250W。
通過仿真得到的結(jié)果與筆者設(shè)計(jì)的元件參數(shù)基本一致，這說明了所設(shè)計(jì)的天線電路是正確的。
結(jié)語
基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M讀卡芯片工作頻率為13.56MHZ的RFID讀寫器系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型，經(jīng)過實(shí)際使用證明，系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)可行，其主要功能基本得以實(shí)現(xiàn),達(dá)到了系統(tǒng)的性能指標(biāo)：設(shè)計(jì)的讀卡器系統(tǒng)對無源的15693協(xié)議的卡片的識別作用距離可達(dá)7.5cm。同時(shí)該系統(tǒng)能對ISO15693協(xié)議的卡片進(jìn)行讀寫操作。系統(tǒng)運(yùn)行正確，顯示準(zhǔn)確，使用方便，具有較強(qiáng)的抗干擾性能。
參考文獻(xiàn)：
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2. Klaus Finkenzeller著，陳大才譯，射頻識別(RFID)技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2001
3. 劉培國、毛鈞杰，電波與天線，國防科技大學(xué)出版社，2004
4. Foster P.R, Burberry R.A，Antenna problems in RFID systems, RFID Technology, 2001
超級電容器相關(guān)文章:超級電容器原理
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