基于MC2833和MC3362的RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 RFID系統(tǒng)主要由閱讀器和應(yīng)答器組成。閱讀器包含高頻接收模塊、控制單元及與應(yīng)答器連接的耦合元件。高頻接收模塊以單片集成接收芯片MC3362為核心，結(jié)合MC145151構(gòu)成鎖相回路，接收應(yīng)答器發(fā)送的信息。應(yīng)答器由耦合元件以及高頻發(fā)射模塊組成，其工作所需能量全部由耦合線圈提供，采用自動(dòng)開關(guān)控制應(yīng)答器與電源的通斷以降低功耗。
關(guān)鍵詞 MC2833；RFID；閱讀器；應(yīng)答器；耦合線圈

1 RFID和MC2833簡(jiǎn)介
1．1 RFID技術(shù)
    射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)，又稱電子標(biāo)簽。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便，也是一種簡(jiǎn)單的無線系統(tǒng)，且只有兩個(gè)基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個(gè)詢問器和多個(gè)應(yīng)答器組成。
1．2 芯片MC2833簡(jiǎn)介
    Motorola公司生產(chǎn)的MC2833是單片集成FM低功率發(fā)射器電路，適用于無繩電話和其他調(diào)頻通信設(shè)備。圖1是MC2833內(nèi)部結(jié)構(gòu)和由此組成的調(diào)頻發(fā)射機(jī)電路。MC2833內(nèi)部由話筒放大器、射頻壓控振蕩器、緩沖器和兩個(gè)輔助晶體管放大器等部分組成，另外需要外接晶體、LC選頻網(wǎng)絡(luò)及少量電阻、電容和電感。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2．1 總體設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)主要由閱讀器和應(yīng)答器組成，閱讀器將振蕩器的振蕩信號(hào)放大后經(jīng)耦合線圈輻射出去；應(yīng)答器一方面從耦合線圈得到激勵(lì)信號(hào)，另一方面將所得信號(hào)經(jīng)調(diào)頻整流和穩(wěn)壓后送入發(fā)射機(jī)和單片機(jī)為其提供能量，并采用自動(dòng)開關(guān)控制發(fā)射機(jī)電源通斷以降低功耗。
    采用頻分方式，閱讀器發(fā)射與應(yīng)答器信號(hào)不同頻率的大功率高頻信號(hào)，作為應(yīng)答器的能源。應(yīng)答器收到高頻信號(hào)后將其高頻整流作為整個(gè)應(yīng)答器的電源，應(yīng)答器的發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)單片機(jī)提供的編碼完成信號(hào)的調(diào)制及發(fā)射，如圖3所示。

2．2 應(yīng)答器發(fā)射電路
    應(yīng)答器發(fā)射電路采用專用的調(diào)頻發(fā)射芯片MC2833，使用其典型應(yīng)用電路，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，原理如圖4所示。

2．3 閱讀器接收電路
    采用窄帶調(diào)頻接收專用芯片MC3362，結(jié)合MC145151，利用鎖相環(huán)電路進(jìn)行頻率合成，形成閉環(huán)控制；鑒頻器的靈敏度較高，可得到精度和穩(wěn)定度較高的頻率信號(hào)。其框圖如圖5所示。

 

3 理論分析與計(jì)算
3．1 耦合線圈
    設(shè)計(jì)要求耦合線圈直徑為6．6 cm，漆包線直徑≤1 mm，繞制10圈，得漆包線總長(zhǎng)度為
    L=6．6 cm×π×10=207 cm=2．07 m         (1)
    一般取線圈總長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的1／4，則波長(zhǎng)為
    λ=2．07×4=8．28 m                      (2)
    頻率為
    f=c／λ=3×108／8．28=36．2MHz           (3)
    其中，c是光速；f為無線電波的頻率；λ為該無線電波的波長(zhǎng)，所以調(diào)制信號(hào)的載頻為36．2 MHz。
3．2 閱讀器發(fā)射電路
    因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)的頻率為36 MHz，為減小其干擾，同時(shí)兼顧能量傳輸效率及減小功放電路制作難度，閱讀器功率發(fā)射電路的頻率設(shè)定約為3 MHz。設(shè)計(jì)要求閱讀器電源功率≤2 W，其中大部分被發(fā)射機(jī)消耗，取發(fā)射機(jī)效率為50％，則最大輸出功率<1 W，考慮實(shí)際情況，發(fā)射功率取0．8 W較佳。
3．3 閱讀器接收電路
    該接收電路采用以窄帶調(diào)頻接收專用芯片MC3362核心的調(diào)頻接收解調(diào)電路，利用二次混頻技術(shù)，其中高、低中頻分別取常用的10．7 MHz和455 kHz，岡此第一本振頻率為36～10．7 MHz=25．3 MHz。
    為提高接收靈敏度，本振頻率必須穩(wěn)定，因此采用了鎖相環(huán)技術(shù)。在鎖相環(huán)路中，基準(zhǔn)頻率源選用4．194 MHz晶振，以2 048 Hz作為鑒相參考頻率，因此必須對(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行R分頻，分頻比為R=4．194 MHz／2 048 Hz=2 048。同時(shí)，對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行N分頻，因本振頻率為25．3 MHz，所以N=fo／fR=25．3 MHz／2 048 Hz=12 354。
3．4 應(yīng)答器電路
    由于應(yīng)答器電路能量來自耦合線圈，存儲(chǔ)在大電容中，所有有源器件必須采用微功耗芯片，因此單片機(jī)系統(tǒng)采用C8051芯片，最小工作電流20μA，以MC2833為核心的發(fā)射系統(tǒng)也工作在低功耗狀態(tài)，工作電壓3～6 V，工作電流5～10 mA，而感應(yīng)線圈的電流約為0．5 mA，設(shè)存儲(chǔ)電荷時(shí)間為5 s，則發(fā)射系統(tǒng)每次發(fā)射時(shí)間T=0．5×5／5=0．5 s，電容容量C=0．5×5／6=415μF，實(shí)際取330～470μF。
    因耦合高頻電源信號(hào)的頻率為3．2 MHz，普通的整流二極管無法滿足要求，因此可采用高頻檢波二極管2AP9，實(shí)際效果理想。發(fā)射時(shí)間為0．5 s，而其他時(shí)間無法向發(fā)射電路提供能量，因此采用了微功耗的自動(dòng)開關(guān)電路，只有存儲(chǔ)足夠的能量后才能自動(dòng)向發(fā)射電路提供能量。

4 單元硬件電路與程序設(shè)計(jì)
4．1 閱讀器電路設(shè)計(jì)
    閱讀器主要由振蕩器、高功放、接收解調(diào)電路及單片機(jī)小系統(tǒng)等組成。由振蕩器和功放組成能量發(fā)射電路，振蕩器采用普通的LC振蕩器，而功放電路以芯片THR300—1為核心，具體電路如圖6所示。

    圖6中12μH的電感就是耦合線圈，并與220 pF的電容組成諧振網(wǎng)絡(luò)，提高功放的效率。輸入激勵(lì)電壓約600 mV。
    接收及解調(diào)電路以MC3362和MC145151為核心，通過二次混頻，獲得455 kHz的中頻信號(hào)，限幅后，經(jīng)過鑒頻解調(diào)出數(shù)據(jù)信號(hào)，然后送入單片機(jī)，其原理框圖如圖7所示。

4．2 應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)
    應(yīng)答器主要由整流濾波電路、自動(dòng)開關(guān)、發(fā)射電路和單片機(jī)小系統(tǒng)組成，其原理如圖8所示。

    發(fā)射電路采用集成專用發(fā)射芯片MC2833。為滿足天線發(fā)射接收要求，根據(jù)之前的分析計(jì)算，發(fā)射系統(tǒng)使用12 MHz晶振，通過3倍頻使載波頻率調(diào)諧到36 MHZ。
4．3 識(shí)別裝置工作流程
    識(shí)別裝置工作流程如圖9所示。

 
4．4 總體電路
    總體電路框圖如圖10所示。

5 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件分為閱讀器軟件和應(yīng)答器軟件兩部分。閱讀器的軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示等功能的實(shí)現(xiàn)；應(yīng)答器的軟件功能較為簡(jiǎn)單，主要負(fù)責(zé)預(yù)置編碼的讀入和發(fā)出，具體流程圖如圖11、圖12所示。

6 系統(tǒng)功能和指標(biāo)測(cè)試
    功能測(cè)試所用儀器為卷尺和秒表。測(cè)試時(shí)不斷增大兩線圈間的距離，測(cè)量其識(shí)別時(shí)間及結(jié)果，應(yīng)答器采用電池供電的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

7 結(jié)束語
    RFID系統(tǒng)主要包括閱讀器和應(yīng)答器兩大模塊。閱讀器采用單電源10 V供電，應(yīng)答器工作所需能量由耦合線圈提供，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了RFID系統(tǒng)應(yīng)答器的有、無以及其預(yù)置編碼的識(shí)別與顯示。采用電池供電時(shí)，識(shí)別時(shí)間小，識(shí)別準(zhǔn)確率為100％，而采用耦合線圈供電時(shí)，識(shí)別時(shí)間增大，但均<5 s，準(zhǔn)確率為87．5％，識(shí)別距離固定為5 cm，實(shí)現(xiàn)了基于MC2833和MC3362對(duì)RFID的設(shè)計(jì)。