無線射頻識別裝置的設(shè)計

王利恒，王祥力，陳 蕩，夏寅力

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

無線射頻識別裝置（Radio Frequency Identification Devices，以下簡稱：RFID）亦稱電子標簽，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)［1］.無線射頻識別是一種通信技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域［2］.射頻識別系統(tǒng)一般由閱讀器（Reader）、應(yīng)答器及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部分組成［3］.筆者設(shè)計了一種識別商品電子標簽的裝置，解決了超市中條形碼不能自動讀取、識別多個標簽，對數(shù)據(jù)完整性要求較高且安全性和保密性有所欠缺的難題.

無線射頻識別系統(tǒng)主要由閱讀器、天線、標簽、相關(guān)硬件和軟件組成.在磁場范圍內(nèi)，標簽接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，主動發(fā)送某一頻率的信號或者被動發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理.RFID卡本身是無源體，當閱讀器對卡進行讀寫操作時，閱讀器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的L／C電路產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個瞬間能量來供給芯片工作；一部分是數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、存儲等，并返回給閱讀器［4］.

1 系統(tǒng)功能及組成框圖

本設(shè)計制作一套無線識別裝置，該裝置由閱讀器、應(yīng)答器和耦合線圈組成［5］，其方框圖見圖1.

圖1 無線識別裝置方框圖Fig.1 Wireless identification device block diagram

閱讀器能識別應(yīng)答器的有無、編碼和存儲信息，閱讀器外接單電源，由發(fā)射部分和接收部分組成；應(yīng)答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得，不需要外接電源供電.閱讀器通過亮滅LED燈顯示應(yīng)答器上預(yù)置的4位二進制編碼，顯示正確率≥80%，響應(yīng)時間≤5s，耦合線圈間距D≥10cm.系統(tǒng)的整體模塊框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)整體模塊框圖Fig.2 Block diagram of whole system module

2 系統(tǒng)設(shè)計與硬件電路

2.1 閱讀器電路設(shè)計

閱讀器可分為發(fā)射和接收兩部分.發(fā)射部分主要包括載波發(fā)生、調(diào)制及驅(qū)動電路、濾波及功率放大電路，接收部分主要是接收解調(diào)電路，包括檢波、放大整形及解碼電路.

2.1.1 載波發(fā)生及驅(qū)動電路 直接采用有源晶振產(chǎn)生載波信號，通過與門SN74LS08D實現(xiàn)振幅鍵控（ASK）調(diào)制，其原理是：當數(shù)據(jù)信號為高電平時，與門輸出端與輸入端的載波信號相同，此時輸出信道上有載波信號；當數(shù)據(jù)信號為低電平時，輸出為低電平，此時輸出信道上無載波傳送.為了推動后級的丙類功放，要求前級有一定的電流和功率驅(qū)動能力，但引入中間放大器會增加額外的功率損耗，使效率降低，同時也增加了電路各級之間匹配的復(fù)雜程度，故采用反相器U2里面的五個74HC04并聯(lián)來增加驅(qū)動能力［6］.電路圖如圖3所示.

圖3 載波發(fā)生及驅(qū)動電路Fig.3 Carrier producing and driving circuit

2.1.2 功率放大電路 為了讓次級線圈獲得盡可能大的能量，根據(jù)耦合線圈調(diào)諧匹配理論，應(yīng)當讓耦合線圈工作在復(fù)諧振狀態(tài)下，在實際中閱讀器和應(yīng)答器之間的距離變化會導(dǎo)致回路互感變化，很難達到復(fù)諧振，故筆者采取部分諧振.初級線圈采用串聯(lián)諧振，次級線圈采用并聯(lián)諧振，由f＝1／（2π）（L和C分別為閱讀器電路中線圈的電感和電容），由選擇的感抗L可得出初級線圈的最佳匹配電容C.

經(jīng)實測，讀寫器天線回路在4MHz頻率下的阻抗約為20Ω，天線的品質(zhì)因數(shù)Q值約為17，又根據(jù)回路中的極限傳輸帶寬B＝f／Q（f為閱讀器的調(diào)諧頻率），經(jīng)計算滿足傳輸帶寬的要求（設(shè)計傳輸速率為300bit／s?B＝f／Q＝4×106／17≈2.35×105bit／s）.SC1970采用數(shù)字電路驅(qū)動，其輸入阻抗匹配電路可以從簡，濾波后用一個0.1uF電容直接耦合到SC1970基極.根據(jù)SC1970的輸出阻抗進行輸出匹配，保證功率的最大傳輸［6］.電路如圖4所示.

圖4 功率放大電路Fig.4 Power amplifier

2.1.3 接收解調(diào)電路 應(yīng)答器采用的是負載調(diào)制，在接收電路中只需要經(jīng)過檢波、放大、比較整形、解碼即可還原出應(yīng)答器的數(shù)字信號［7］，最后進入比較器整形及解碼還原原來的數(shù)字信號.

檢波部分采用倍壓檢波電路，這種電路輸入的靈敏度高，非常適合于解調(diào)負載調(diào)制在發(fā)射端引起的微小變化，如圖5所示.

圖5 檢波電路Fig.5 Detecting circuit

由于發(fā)射功率比較大，檢波后的信號包含非常大的直流分量，因此，采用一個LC串聯(lián)回路來濾除直流分量和高頻分量，然后送往由運放構(gòu)成的放大器，如圖6所示.

圖6 比較整形放大電路Fig.6 Comparative plastic amplifying circuit

放大后的信號經(jīng)過MAX291CPA芯片濾波后與給定參考電壓比較，再送給解碼芯片PT2272解碼，還原數(shù)字信號，如圖7所示.

圖7 解碼電路Fig.7 Decoding circuit

2.2 應(yīng)答器電路設(shè)計

應(yīng)答器由整流、負載調(diào)制及編碼電路組成.應(yīng)答器不需要外接電源，所有能量都是通過耦合線圈得到的.為了實現(xiàn)應(yīng)答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得，需要首先對耦合線圈上的能量進行提取［7］，采用簡單的二極管整流橋來提供電源，整流后通過5V的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓輸出5V電源，來供應(yīng)答器上的編碼芯片和模擬開關(guān)，如圖8所示.

圖8 應(yīng)答器電源電路Fig.8 Transponder power supply circuit

負載調(diào)制部分通過模擬開關(guān)TS5A3166實現(xiàn)，TS5A3166的帶寬為300MHz，導(dǎo)通電阻為0.9Ω，在1MHz時的關(guān)斷衰減為64dB，將編碼后的數(shù)據(jù)直接接到模擬開關(guān)的控制口，來控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷.由于模擬開關(guān)導(dǎo)通時電阻很小，相當于線圈短路，此時應(yīng)答器耦合到閱讀器端的線圈上的幅度將變小；模擬開關(guān)關(guān)斷時，相當于開路，此時耦合到閱讀器端線圈的信號幅度會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)負載調(diào)制［8］，如圖9所示.

圖9 負載調(diào)制及編碼電路Fig.9 Load modulation and coding circuit

3 軟件設(shè)計

應(yīng)答器控制電路的工作主要由軟件完成，首先應(yīng)答器從耦合線圈得電后，使用凌陽61單片機進行初始化，屏蔽接收中斷，為發(fā)送數(shù)據(jù)做一系列準備工作.數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，在中斷服務(wù)子程序中主要采用循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redunancy Check，以下簡稱CRC）進行校驗，并判斷校驗結(jié)果，若正確則將有效信息寫入閃存保存，若錯誤則放棄閃存寫入操作，直接使能接收中斷，等待接收下一幀數(shù)據(jù).工作流程圖如圖10所示.

4 測試結(jié)果分析

測試儀器：單路直流穩(wěn)壓電源（HY3003D－3）、數(shù)字萬用表、50cm 直尺、秒表、示波器（GOS－6051－50MHz）

圖10 應(yīng)答器工作流程圖Fig.10 Transponder work flowchart

將閱讀器和應(yīng)答器的耦合線圈置于大于10cm的地方，閱讀器開關(guān)置于讀位置，預(yù)置應(yīng)答器的4位二進制數(shù)，接通閱讀器電源，開始記錄閱讀器顯示值及識別時間.應(yīng)答器識別功能測試結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)的識別精度較高，識別率可達100%，實現(xiàn)了無誤差傳輸，識別時間小于0.1s.

表1 測量裝置識別數(shù)據(jù)Table 1 Measuring device indentification data

固定閱讀器及耦合線圈的位置，接通電源，然后將識別器由遠到近緩慢移動，并觀察閱讀器指示燈，直至該燈亮?xí)r停止移動，標記該位置為A；再反向慢速移動識別器至該燈滅時停止移動，標記該位置為B，計算兩次位置的平均值，即為最大間距.耦合線圈間最大間距測量結(jié)果如表2所示.

表2 耦合線圈測量間距Table 2 Coupling coil measuring distance

經(jīng)測試，本系統(tǒng)兩線圈距離可達20cm以上，完全滿足實際需求.

5 結(jié) 語

本無線射頻識別裝置解決了超市中條形碼讀取的難題，采用無線射頻識別裝置無需人工掃描讀取，可以同時識別多個標簽，且讀取數(shù)據(jù)的速度較快、獲取商品的信息比較完整，可隨意更改.經(jīng)驗證，耦合線圈間距大于20cm，識別時間小于0.1s，每250ms便可讀出相關(guān)數(shù)據(jù)，基本可以滿足實際需求.

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