433 MHz有源電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡林亞， 鄒傳云， 張剛建

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

0 引言

射頻識別(RFID)是一種基于無線通信的自動識別技術(shù)，簡單的來講就是可以不通過物體間接觸，通過線圈的耦合或者雷達(dá)的原理，來自動識別的電子標(biāo)簽所攜帶的信息。RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽根據(jù)它自身是否能供電可以分為有源或無源電子標(biāo)簽，有源電子標(biāo)簽由于它本身能夠供電，識別距離大概是普通無源標(biāo)簽的5～10倍[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求指標(biāo)的不斷提高，有源遠(yuǎn)距離的電子標(biāo)簽越來越受到人們的關(guān)注。文中設(shè)計(jì)的433 MHz有源電子標(biāo)簽為可讀寫型電子標(biāo)簽，閱讀器不需要向電子標(biāo)簽供電，只需給到達(dá)自己輻射范圍的電子標(biāo)簽一個(gè)激勵信號，標(biāo)簽本身帶有電池，感受到這個(gè)激勵信號后電池開始工作，完成讀寫信息的交換。這樣做大大可以降低電池的待機(jī)功耗，增加標(biāo)簽的使用年限。

1 標(biāo)簽電路的設(shè)計(jì)

1.1 芯片的選型

有源電子標(biāo)簽電路主要由控制電路、射頻電路、天線、電池這4部分構(gòu)成。其中控制電路和射頻電路由于都需要供電耗能，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要重點(diǎn)的考慮，這是因?yàn)闃?biāo)簽自帶電池的電量有限，如果想要增加使用時(shí)間必須要從芯片電路設(shè)計(jì)和待機(jī)這兩部分考慮，所以芯片的選型至關(guān)重要，選擇芯片時(shí)應(yīng)盡量選外圍電路簡單，元器件少，體積小，耗能低的芯片。文中的設(shè)計(jì)中采用TI公司生產(chǎn)的CC1110，該芯片集成了控制部分和射頻部分，同一塊芯片可以完成控制和射頻兩部分功能，大大減小標(biāo)簽的體積和外圍電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，從而可以實(shí)現(xiàn)降低電路的耗能，增加標(biāo)簽的使用壽命。

1.2 標(biāo)簽電路的設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的有源電子標(biāo)簽的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

圖1 標(biāo)簽的原理

芯片CC1110集成了射頻芯片CC1101和8051 MCU控制芯片，具有32 kByte的Flash和4 kByte的RAM，F(xiàn)lash存儲器主要用于保存用戶程序或重要的數(shù)據(jù)、信息等一些掉電后不能丟失的數(shù)據(jù)。只有通過對Flash的編程操作，才能將這些數(shù)據(jù)寫入Flash存儲器。這里設(shè)計(jì)時(shí)考慮到防止電池供電不足，通過芯片CC1110片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對電池電壓時(shí)時(shí)檢測，當(dāng)電池電壓低于2.2 V時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警[3]。

J1是芯片程序燒錄口，通過它可以將外部編寫的程序燒錄到芯片上，從而可以使CC1110進(jìn)行工作。CC1110芯片工作時(shí)，在接受和發(fā)射模式下，電流分別低于16.2 mA或16 mA，速率為2.4 kb/s。休眠模式電流僅為0.5 uA，待機(jī)模式僅為0.3 uA，CC1110的休眠模式和轉(zhuǎn)到主動模式的超短時(shí)間的特性，可以滿足標(biāo)簽增加壽命的要求。文中的設(shè)計(jì)采用的電池供電，綜合標(biāo)簽的體積和供電消耗，設(shè)計(jì)采用CR2450型號的電池。

2 天線的設(shè)計(jì)

天線的設(shè)計(jì)成功與否直接影響標(biāo)簽本身讀取性能好壞，標(biāo)簽設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的地方?，F(xiàn)在市面上該頻率的產(chǎn)品大多用的都是彈簧天線和陶瓷天線，這樣做不僅增加成本而且加大設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。文中運(yùn)用天線半波長理論，采用等間隔外加襯底的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線在PCB板上直接印制，方便電路的連接和調(diào)試，降低標(biāo)簽設(shè)計(jì)的成本。天線諧振點(diǎn)可以通過改變天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變天線的間隔寬度可以調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)，改變天線線寬的長度和寬度可以調(diào)節(jié)頻率帶寬等等。PCB板上設(shè)計(jì)天線由于它是直接放到基板上，所以設(shè)計(jì)時(shí)可以用ADS軟件設(shè)定板材的參數(shù)，套用微帶線的理論，用微帶線計(jì)算工具完成天線寬度和長度的確定，到達(dá)理論上得正確性和可行性[4]。頻率為433 MHz,波長大概為69 cm,天線的尺寸應(yīng)滿足半波長的整數(shù)倍。設(shè)計(jì)參數(shù)：板材FR4，介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm。天線參數(shù)：長63 mm，寬15.67 mm，線寬為1.1 mm，線的間隔為1.33 mm，間隙為2 mm。運(yùn)用ADS軟件進(jìn)行天線的仿真設(shè)計(jì)，天線的形狀如圖2所示。

圖2 天線的形狀

2.1 天線仿真

參數(shù)S11的仿真結(jié)果如圖3所示，m1點(diǎn)為f=430.9 MHz，db(s(1,1))=3.089；m3點(diǎn)為f=430.2 MHz，s(1,1)=0.410/178.364，impedance=Z0·(0.418+j·0.012)。

2.2 天線的匹配

由圖3(c)可以算出貼片天線在433 MHz時(shí)的阻抗為20.9+j·0.6 Ω，要將它變換到阻抗變換到50 Ω，來實(shí)現(xiàn)與原理圖中天線接口匹配，采用最簡單的微帶線匹配，運(yùn)用ADS中的史密斯圓圖工具進(jìn)行匹配，結(jié)果如圖4所示,其中響應(yīng)的起止頻率為0～2 GHz。

由圖4看出需要加一條特性阻抗為32.5 Ω的微帶線實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配到 50 Ω，利用 ADS中的LinCalc工具計(jì)算出微帶線的長為 3.7 mm，寬為6.36 mm。根據(jù)匹配的結(jié)果最終完成PCB設(shè)計(jì)板圖。

3 標(biāo)簽的測試

標(biāo)簽實(shí)際的大小類似于標(biāo)準(zhǔn)卡，長86 mm，寬54 mm,厚6.8 mm. 這樣可以方便人員的佩戴，由于很薄可以貼在物體的背面，或者鑲嵌到物體中。該標(biāo)簽被封裝在模壓塑料外殼里，能夠抵抗惡劣的環(huán)境，可以應(yīng)用在小型資產(chǎn)跟蹤管理，如筆記本電腦，IT設(shè)備，車輛和其他傳輸媒介，非常適合在金屬或高金屬含量的塑料表面工作。根據(jù)應(yīng)用條件作了如下測試，室外空曠環(huán)境下，閱讀器高度1.2 m，標(biāo)簽用雙面膠貼在電腦的背面，讀取距離達(dá)到60 m，室內(nèi)可達(dá)到35 m，讀卡成功率達(dá)到97%。

4 結(jié)語

文中在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)在市場上的情況，設(shè)計(jì)出一種適于資產(chǎn)和人員管理的有源電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，耗電量低，采用貼片天線，并進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用ADS完成芯片接口和貼片天線的匹配設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了實(shí)際的測試，滿足了設(shè)計(jì)的要求，具有很強(qiáng)的市場推廣性。目前該標(biāo)簽的主要缺點(diǎn)在于天線尺寸較大，外形不能做到很小。下一步的工作主要是進(jìn)行不同環(huán)境下的應(yīng)用，根據(jù)具體情況進(jìn)行不同的調(diào)整，以擴(kuò)大標(biāo)簽的應(yīng)用范圍。

[1] 廖應(yīng)成,孫長征,王文峰,等.有源電子標(biāo)簽與物聯(lián)網(wǎng)(上)[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010(05):29-31.

[2] 李文仲,段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機(jī)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008:31-47.

[3] 王洋,王忠.基于CC2431的無線定位系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2009,42(09):190-192.

[4] 何蘇勤,白天石.射頻電路的ADS設(shè)計(jì)仿真與分析[J].微電子學(xué),2011,41(04):479-483.