射频技术的无线识别系统设计方案

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1、O 引言射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对 象并获取相关数据。射频识别工作无须人工干预、非接触、阅读速度快、无磨 损、不受环境影响、寿命长、便于使用。目前，射频识别技术在国外发展非常 迅速，产品种类繁多，已广泛用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管 理等众多领域，如汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管 理系统；物品管理；仓储管理：车辆防盗等。由于我国射频识别技术起步较 晚，除用于中国铁路的车号自动识别系统外，仅限于射频公交卡的应用。本文 给出一种实现简单射频识别系统的方式。阅读器和应答器均包含在单片机控制 系统中，利用ASK调制与解调电路以及

2、匹配网络电路，使整个系统的可识别有 效距离约为8. 3cm,有一定的使用价值。1 总体方案设计无线射频识别（RFID系统是由应答器、阅读器及应用支撑软件等几部分组 成。应答器采用直流电源供电，它主要由编码电路、载波振荡电路、调制电路 和发射电路构成。其原理如图 1 所示。该方案简单易行，电路简单。但这种应 答器必须采用电源供电，否则电路无法工作。将应答器看作有源应答器，在阅读器设计部分，将接收到的微弱电压信号进 行放大，在利用解调电路取出有用信号，经过判别电路后再利用解码芯片，最 后利用显示控制电路显示阅读器接收到的数据，其原理如图 2。所示该方案电 路设计简单，容易硬件实施，可行性好。2 电

3、路的理论分析与计算2. 1 耦合线圈的匹配理论作为电磁能量的发射装置一耦合线圈，必须考虑其匹配问题。耦合线圈在无 线识别系统的工作频率范围内表现为阻抗ZL,为了实现与系统的功率匹配，必 须通过无源的匹配电路实现阻抗转换，使功率无反射地传输到耦合线圈。可以 利用少量组件来实现相配的匹配电路。在现实应用中有多种不同的 1356MHz 的无线识别系统采用了如图3的匹配电路。图3址的筒单匹配电路本设计使用了该匹配电路，实现了阻抗匹配。要确定匹配电路的参数，需要 测量出线圈的电感LS和导线的欧姆电阻RLS。22 应答器的发射电路分析在应答器的发送器部分，首先由频率稳定的石英晶体振荡器产生所需的工作 频率

4、的信号。振荡器信号被馈送到由信号编码的基带信号控制的调制级。此基 带信号就是键控的恒压信号，在此将二进制数据以串行码的形式表示出来。根 据调制器的类型，执行对振荡器信号的 ASK 或 FSK 调制。此时基带信号会被直 接馈送到频率合成器，再通过功率放大使调制后的信号达到所需电平，然后将 调制后的放大信号输出耦合到初级线圈。23 阅读器接收电路分析阅读器接收电路由耦合线圈、放大器、解调器、解码器和显示部分组成。通 过耦合线圈所得的电压信号经过放大器放大后，再经解调器解调得到载波信 号，再经解码器解码和显示电路得到应答器所发送的数据。3 程序及电路的设计与计算31 阅读器电路的设计计算本次所设计的

5、阅读器电路由耦合线圈、放大电路、解调电路、解码电路和单 片机显示电路组成。耦合线圈及放大器电路设计如图4所示。为了使阅读器线 圈的耦合效率高，可将通过该线圈并联可调电容，使其谐振频率和应答器的工 作频率一致，使阅读器线圈工作在谐振状态，并联谐振回路的谐振频率可由式 (1计算：式中L为线圈的自感系数，测试得L=12. 60mH, f为应答器的工作频率， 为13. 56MHz，由于具有并联电容器的阅读器线圈在谐振频率13. 56-MHz激励 时，电压明显上升，因此应答器的工作频率选为13. 56MHz，理论计算出 C=10. 9pF。LM3ICniH：图4高频小信号放大电路图宮敷字恢复电踣图4属于

6、高频小信号放大器，S8050的fT典型值为200MHz，则电流放大倍数约为：”；二；。数字恢复电路采用LM393，如图5所示，它的作用是将解调输出模拟信号恢复为数字信号，以便解码器识别。解码、单片机显示 控制电路如图6所示。胖VM?A2VIW1Q M4DHl.lVADavccfq.kaclnoki.z/aePl Ln.yAcipazPl.3Pl.4nsiAiMFl.SFG.1TAD7Fl 4RSTM.7E&jpfhLtffiS；PirfSTj現她P14/TDPL IMBin旳ERPS_)TjUiMTffiUPQ14AI1XTALI他WadXTAUvssF1TAJ?j KbDMD32 应答器电路

7、设计计算编码器设计由拨码开关和编码芯片 VD5026 构成，信息由拨码开关生成。电 路图如图7 所示。1AVDD4T图7编码養电路A撫R1Itqk 一L 一一 丄载波振荡器采用 74HC14 构成的环行振荡器，功耗小，最小工作电压低，适 合于3V电池供电。振荡器反馈中接入13. 56MHz晶体滤波器，载波频率稳定度 高。调制器由高速CMOS器件74HC00构成，实现ASK调制。调制波形如图8所 示。调制输出信号经反向后直接送谐振回路。兀. 1*ipM/VWWAAAAAA/WWWV 界IIBAri44tBd屮；WWWVV sw-图&控倍号液形3. 3 程序设计VD5027解码正确时，17管脚输出

8、高电平，4位数据由管脚10、11、12、13 输出。因此单片机设置为中断模式，VD5027的17管脚经反向后接在单片机的 中断0入口处。主程序为休眠等待状态，当有应答器且解码正确时，响应中断 服务子程序，显示相应的信息。其流程如图 9 所示。34 总电路图设计根据前面的分析设计，在面包板上安装调试正确后，焊接印刷电路板，测试 结果正确。4 识别装置工作流程图识别装置工作流程如图 10 所示。此无线识别装置由手动输入信息，经编码 器编码，采用ASK调制方式，载波为13. 56MHz，经线圈耦合发送。阅读器将 接收到的ASK信号放大后，经二极管包络检波，送至数字恢复电路后，再解 码。解码正确时，由

9、单片机显示结果。应答器部分电感IS舍圜读器部井團10碾别装鬣王作濒程图5 测试方案与测试结果5. 1 电感线圈测量测量设备：QBG-1A型高频Q表。测试结果：电感线圈匝数N=10匝，电感线圈直径D=6. 9cm，阅读器电感线圈Ll： 12. 73p H,应答器电感线圈Ll： 12. 60H，分析：两电感线圈匝数、直径相同，但电感量不同，主要是电感由手 工绕制，因此因松紧、间隙不同造成。5. 2编码器VD5026测量测试设备：数字示波器 DS5062M。 测试结果：输出为波形较好的方波信号。振荡频率 f=22. 872kHz,幅度 Vpp=3. 00V, Vmax=2. 24V, Vmin=0.

10、 00V。5. 3 载波振荡器测量测试设备：数字示波器 DS5062M。测试结果：频率：13. 56MHz 幅度 Vpp=1. 40V 波形失真分析：振荡器是由非门构成环行振荡器，有门延迟时间。LC 器件能够存储能量,故 LC 振荡器波形较好。5. 4 调制输出波形测量测试设备：数字示波器 DS5062M。Vpp=4. 12V, Vmax=2. 24V, Vmin=-1. 88V。“一WWA图订ASK调制信号5. 5 识别测量5. 5. 1 误码测量测试方法：在应答器上通过拨码开关设置0000-1111,在阅读器上用4个发 光二极管显示和一位数码管显示 0-F。测试结果：应答器拨0000-11

11、11,阅读器相应显示0000-1111，数码 管显示0F,测试结果正确，误码率为0。5. 5. 2 传输时延测量测试工具：手机秒表 测试方法：从应答器信息改变,到阅读器显示出的时间间隔。 测试结果： 0. 79s1s。5. 5. 3 识别距离测量测试工具：直尺。测试方法：改变应答器与阅读器间电感线圈的距离,并观察阅读器显 示信息是否与应答器相同。测试结果：稳定传输距离5. 5cm,最远识别距离8. 3cm。56 功耗测量测试工具：天宇TY360万用表。测试方法：采用万用表测量电压U和电流I,则功耗P=UI。测试结果：a.阅读器：U=5V, I=50 mA, P=UI=5x50=250mW。b.应答 器： U=3V, I=8. 5mA, P=UI=3x8. 5=25. 5mW。通过以上测试数据可以看出设计是可行的。