基于51單片機(jī)的無線識別裝置系統(tǒng)

1 引言
    射頻識別是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過射頻信號自動(dòng)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，射頻識別產(chǎn)品種類繁多，已廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)識別系統(tǒng)外，僅限于射頻公交卡的應(yīng)用。
    在此，給出一種實(shí)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2ASK調(diào)制與解調(diào)電路以及匹配網(wǎng)絡(luò)電路，使整個(gè)系統(tǒng)的可識別有效距離約為10 cm，這已能夠符合一般應(yīng)用的需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分閱讀器、應(yīng)答器、線圈3部分。閱讀器采用晶振1和晶振2，分別提供應(yīng)答器的功率驅(qū)動(dòng)信號和數(shù)字調(diào)制信號。晶振1產(chǎn)生的振蕩信號經(jīng)過帶通濾波器處理后，進(jìn)行功率級放大，并通過匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗變換，以最大效率從線圈發(fā)射出去，為應(yīng)答器提供所需的工作能量。晶振2產(chǎn)生的信號經(jīng)過低通濾波器濾除高頻雜波后，送往開關(guān)電路；手動(dòng)設(shè)置的信息，南單片機(jī)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，控制開關(guān)的通斷，從而形成2ASK調(diào)制信號，與應(yīng)答器進(jìn)行通信。此外，閱讀器還需將線圈上接收到的應(yīng)答信號濾波放大并檢波，最終獲取有效信息，并由串口讀取。圖1給出閱讀器結(jié)構(gòu)。

    晶振產(chǎn)生振蕩信號后，經(jīng)低通濾波器去除高頻雜波，送往開關(guān)電路，作為2ASK的載波信號?？刂崎_關(guān)電路通斷的信號由操作者通過撥碼開關(guān)手動(dòng)設(shè)置，并由單片機(jī)讀取后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。同時(shí)，應(yīng)答器通過線圈接收功率驅(qū)動(dòng)信號，待整流濾波后，得到直流電平，然后作DC—DC變換，以獲取最終所需的直流電平，供整個(gè)應(yīng)答器部分工作。圖2給出了應(yīng)答器結(jié)構(gòu)。

3 硬件電路
3．1 閱讀器與應(yīng)答器2ASK調(diào)制解調(diào)電路
    2ASK的載波信號是2MHz正弦波，它由有源晶振產(chǎn)生的方波經(jīng)過低通濾波器得到。數(shù)字調(diào)制信號從CPU的串口輸出，經(jīng)過模擬開關(guān)MX7501控制信號通斷，產(chǎn)生了2ASK信號。Ll，L2，C1和C2構(gòu)成了二階巴特沃茲低通濾波器，輸出為近似正弦波的2 MHz信號。R1與R4使LC濾波器阻抗匹配。當(dāng)EN為0時(shí)，OUT為0；反之為S1通道信號。圖3給出閱讀器的2ASK調(diào)制電路。

    圖4給出了解調(diào)電路。通過匹配網(wǎng)絡(luò)的2ASK信號幅度低，噪聲大，需要經(jīng)過三級處理才能解調(diào)出數(shù)字信號。首先通過OP37中高速運(yùn)算放大器將信號放大5倍，再經(jīng)過高速比較器MAX910中的比較器A，將毛刺狀信號加寬，減小噪聲，D／A輸出經(jīng)L1，C1和C2組成的低通濾波器，取直流分量，這相當(dāng)于包絡(luò)檢波。LC低通濾波器的截止頻率為480 HZ。最后將該信號進(jìn)行比較整形，得到數(shù)字調(diào)制，再經(jīng)QB輸入到單片機(jī)串口。

3．2 發(fā)射電路
    有源晶振產(chǎn)生的8 MHZ方波經(jīng)帶通濾波器取出8 MHz的正弦信號，并通過功率放大器后輸出到線圈上。圖5中，L3，L4，C7和C8構(gòu)成了二階8 MHz的巴特沃茲帶通濾波器，用以濾除諧波分量。VQ1為集射極跟隨器，用以調(diào)節(jié)R3，使其靜態(tài)工作電流約為1．5 mA，該級電路起到與信源隔離的作用。VQ2為丙類放大器，調(diào)節(jié)R7和VQ2的基極偏壓使其工作在丙類放大狀態(tài)。改變C2使其諧振，此時(shí)電源電流最小。再調(diào)節(jié)R4和VQ2的基極偏壓，使電源電流更小，輸出幅度更大，以處于丙類放大狀態(tài)。L1為線圈，同時(shí)起到諧振電感的作用。C6為線圈的等效電容，經(jīng)測量，約為34 pF；C3為外接電容，它能使并聯(lián)回路諧振在8 MHz。諧振時(shí)，L1上的電壓可達(dá)45V。閱讀器和應(yīng)答器發(fā)射的另一個(gè)信號是2ASK信號，它經(jīng)過運(yùn)算放大后，通過匹配網(wǎng)絡(luò)直接連接到線圈上。
3．3 應(yīng)答器電源電路設(shè)計(jì)
    應(yīng)答器的整流濾波電路采用單相橋式整流濾波電路。T1為兩個(gè)線圈，C1并接在應(yīng)答器線圈兩端，在8 MHz并聯(lián)諧振下，其輸入幅度最大。VD1～VD4采用IN5817型整流二極管，要求整流8 MHz的信號。正常時(shí)，C2兩端電壓基本穩(wěn)定，即整流電流全部通過負(fù)載R1，因此RL越大，其電壓也越大。這就要求負(fù)載盡量少，負(fù)載輸入阻抗盡量大。C2的電容值不易太大或太小，太大則吸納的電荷越多，使輸出電壓就越?。粚?dǎo)致濾波效果不佳。因此，這里取C2=47μF。在耦合信號幅度一定時(shí)，該電路的功率驅(qū)動(dòng)能力是固定的。實(shí)測中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入頻率為8 MHz時(shí)，輸出電壓為5 V；當(dāng)負(fù)載頻率為1 kHz時(shí)。輸出電壓為4．25 V。由此可知，其驅(qū)動(dòng)功率P=U2/RL=18 mW，應(yīng)答器功耗必須小于該值。L1和L2進(jìn)一步濾波，也能利用感應(yīng)電勢的作用防止電流大幅度突變，其電路如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 軟件思想
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本原理是：首先通過單片機(jī)控制閱讀器，發(fā)送數(shù)字基帶信號，經(jīng)過2ASK調(diào)制后，再由天線發(fā)射出去。應(yīng)答器經(jīng)天線收到調(diào)制信號后，進(jìn)行2ASK解調(diào)，解調(diào)信號通過串行口送到單片機(jī)。單片機(jī)驗(yàn)證信號進(jìn)行處理后，將EEPROM中存儲的信息讀取出來，并送向調(diào)制器，調(diào)制信號再經(jīng)天線發(fā)送出去。閱讀器收到返回的信號后將信號進(jìn)行解調(diào)送回單片機(jī)。單片機(jī)將信號進(jìn)行解碼等操作，來分析返回的信號，以達(dá)到識別物品的目的。
4．2 程序流程圖
    復(fù)位后，閱讀器端查尋是否有相應(yīng)物品。若有，則閱讀器端控制調(diào)制信號的產(chǎn)生。同時(shí)，允許將信號發(fā)送出去。應(yīng)答器對接收到的相應(yīng)信號進(jìn)行解調(diào)，并檢查所接收信息是否錯(cuò)誤，并作相應(yīng)處理。程序流程見圖7。

5 系統(tǒng)測試與結(jié)論
    該系統(tǒng)基于51單片機(jī)控制，以無線通信為基礎(chǔ)，搭建了一個(gè)簡單的射頻識別系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，工作正常，平均識別距離為5 cm。
    由系統(tǒng)運(yùn)行可見，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：①識別時(shí)，無需接觸；②識別時(shí)間短；③錯(cuò)誤識別的概率相對較??；④有良好的擴(kuò)展性。這種系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展后可用于停車場、交通道路管理、智能物業(yè)管理等多種場合。