一種簡(jiǎn)單無線射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

　　O 引言

　　射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。射頻識(shí)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(zhǎng)、便于使用。目前，射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)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(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(chǎng)管理系統(tǒng);物品管理;倉(cāng)儲(chǔ)管理：車輛防盜等。由于我國(guó)射頻識(shí)別技術(shù)起步較晚，除用于中國(guó)鐵路的車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)外，僅限于射頻公交卡的應(yīng)用。本文給出一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單射頻識(shí)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(gè)系統(tǒng)的可識(shí)別有效距離約為8.3cm，有一定的使用價(jià)值。

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　無線射頻識(shí)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(jiǎn)單易行，電路簡(jiǎn)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(jì)部分，將接收到的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大，在利用解調(diào)電路取出有用信號(hào)，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(jì)簡(jiǎn)單，容易硬件實(shí)施，可行性好。

　　2 電路的理論分析與計(jì)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(shí)別系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為阻抗ZL，為了實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的功率匹配，必須通過無源的匹配電路實(shí)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(shí)現(xiàn)相配的匹配電路。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中有多種不同的13.56MHz的無線識(shí)別系統(tǒng)采用了如圖3的匹配電路。

　　本設(shè)計(jì)使用了該匹配電路，實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。要確定匹配電路的參數(shù)，需要測(cè)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(hào)。振蕩器信號(hào)被饋送到由信號(hào)編碼的基帶信號(hào)控制的調(diào)制級(jí)。此基帶信號(hào)就是鍵控的恒壓信號(hào)，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(duì)振蕩器信號(hào)的ASK或FSK調(diào)制。此時(shí)基帶信號(hào)會(huì)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(hào)達(dá)到所需電平，然后將調(diào)制后的放大信號(hào)輸出耦合到初級(jí)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(hào)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(hào)，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(jì)與計(jì)算

　　3.1 閱讀器電路的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　本次所設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算：

　　式中L為線圈的自感系數(shù)，測(cè)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(lì)時(shí)，電壓明顯上升，因此應(yīng)答器的工作頻率選為13.56MHz，理論計(jì)算出C=10.9pF。

　　圖4屬于高頻小信號(hào)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(hào)恢復(fù)為數(shù)字信號(hào)，以便解碼器識(shí)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(jì)計(jì)算

　　編碼器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。調(diào)制波形如圖8所示。調(diào)制輸出信號(hào)經(jīng)反向后直接送諧振回路。

　　3.3 程序設(shè)計(jì)

　　VD5027解碼正確時(shí)，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?yàn)樾菝叩却隣顟B(tài)，當(dāng)有應(yīng)答器且解碼正確時(shí)，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(jì)

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

　　4 識(shí)別裝置工作流程圖

　　識(shí)別裝置工作流程如圖10所示。此無線識(shí)別裝置由手動(dòng)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(hào)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(shí)，由單片機(jī)顯示結(jié)果。

　　5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

　　5.1 電感線圈測(cè)量

　　測(cè)量設(shè)備：QBG-1A型高頻Q表。

　　測(cè)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(cè)量

　　測(cè)試設(shè)備：數(shù)字示波器DS5062M。

　　測(cè)試結(jié)果：輸出為波形較好的方波信號(hào)。

　　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(cè)量

　　測(cè)試設(shè)備：數(shù)字示波器DS5062M。

　　測(cè)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(shí)間。LC器件能夠存儲(chǔ)能量，故LC振蕩器波形較好。

　　5.4 調(diào)制輸出波形測(cè)量

　　測(cè)試設(shè)備：數(shù)字示波器DS5062M。

　　Vpp=4.12V，Vmax=2.24V，Vmin=-1.88V。

　　5.5 識(shí)別測(cè)量

　　5.5.1 誤碼測(cè)量

　　測(cè)試方法：在應(yīng)答器上通過撥碼開關(guān)設(shè)置0000-1111，在閱讀器上用4個(gè)發(fā)光二極管顯示和一位數(shù)碼管顯示0-F。

　　測(cè)試結(jié)果：應(yīng)答器撥0000-1111，閱讀器相應(yīng)顯示0000-llll，數(shù)碼管顯示0～F，測(cè)試結(jié)果正確，誤碼率為0。

　　5.5.2 傳輸時(shí)延測(cè)量

　　測(cè)試工具：手機(jī)秒表

　　測(cè)試方法：從應(yīng)答器信息改變，到閱讀器顯示出的時(shí)間間隔。

　　測(cè)試結(jié)果：0.79s<1s。

　　5.5.3 識(shí)別距離測(cè)量

　　測(cè)試工具：直尺。

　　測(cè)試方法：改變應(yīng)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(yīng)答器相同。

　　測(cè)試結(jié)果：穩(wěn)定傳輸距離5.5cm，最遠(yuǎn)識(shí)別距離8.3cm。

　　5.6 功耗測(cè)量

　　測(cè)試工具：天宇TY360萬用表。

　　測(cè)試方法：采用萬用表測(cè)量電壓U和電流I，則功耗P=UI。

　　測(cè)試結(jié)果：a.閱讀器：U=5V，I=50 mA，P=UI=5x50=250mW。b.應(yīng)答器：U=3V，I=8.5mA，P=UI=3x8.5=25.5mW。

　　通過以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出設(shè)計(jì)是可行的。