射頻識別演示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王道平，王 凱，何 敏

（火箭軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部，西安 710025）

1 引言

射頻識別（RFID）利用電磁波傳遞信息進行識別，是一種非接觸式識別技術(shù)。射頻識別廣泛應(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[1]。由于RFID應(yīng)用不同，所以組成也就不一樣，但是基本上是由讀寫器、應(yīng)答器、系統(tǒng)高層和天線組成。閱讀器一方面可以與系統(tǒng)高層進行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)通過讀寫器和天線傳送至應(yīng)答器，并且可以由系統(tǒng)高層通過數(shù)據(jù)對閱讀器進行相應(yīng)的控制。本文設(shè)計了一種基于耦合線圈的射頻識別演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別并顯示應(yīng)答器的預(yù)置編碼。

2 總體方案設(shè)計

射頻識別系統(tǒng)可以采用類似MFRC522等集成非接觸式的讀寫芯片通過編程定義其功能的方式實現(xiàn)，也可以采用通用處理器加硬件電路的方式實現(xiàn)，還可以采用編解碼芯片配合純硬件的發(fā)射接收電路實現(xiàn)。本文采用第三種方法，其優(yōu)點是可以充分了解射頻識別系統(tǒng)的工作原理。

2.1 系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)如圖1所示[2]。應(yīng)答器部分由撥碼開關(guān)實現(xiàn)對信息的置入，通過編碼芯片編碼后送入應(yīng)答器發(fā)射電路，通過耦合線圈實現(xiàn)信息的發(fā)送。閱讀器部分通過線圈接收應(yīng)答器的信號，通過接收電路調(diào)理后送入解碼芯片解碼，解碼后的信號驅(qū)動發(fā)光二極管實現(xiàn)信息的顯示。閱讀器和應(yīng)答器的編解碼由PT2262/2272配套的CMOS低功耗低價位通用編/解碼電路完成。應(yīng)答器為無源部分，其能量提供由閱讀器通過耦合線圈傳輸，因此耦合線圈本身起到了信息和能量的雙重傳輸。

圖1 純硬件實現(xiàn)的設(shè)別識別系統(tǒng)

2.2 調(diào)制方式的選擇

無線射頻識別系統(tǒng)可以采用多種調(diào)制手段，如調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)制技術(shù)。ASK方法相對易被檢測，采用不相干檢測容易實現(xiàn)，功耗低。包絡(luò)檢波法是一種不相干檢測法。所以在無線射頻識別系統(tǒng)中，采用ASK和包絡(luò)檢波法最為合理。

在應(yīng)答器對閱讀器傳送數(shù)據(jù)是方法上，信號能量應(yīng)該越低越好，越少的能量用于發(fā)射信號，這樣可以提供更多的能量給應(yīng)答器工作。因此采用基于副載波的負載調(diào)制的方法傳送信號。通過改變等效電阻實現(xiàn)，這就是負載調(diào)制。通過改變應(yīng)答器電路的通斷，使應(yīng)答器的電流變化，進而改變發(fā)送電磁波的能量大小。

應(yīng)答器可以通過開關(guān)電阻或電容來改變自身阻抗。并聯(lián)的電阻負載降低整個應(yīng)答器的有效負載，使得線圈電流增加，導(dǎo)致閱讀器電壓上升，使信號實現(xiàn)幅度調(diào)制。

3 應(yīng)答器電路設(shè)計

應(yīng)答器電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 應(yīng)答器電路

（1）應(yīng)答器前端整流電路。該部分電路實現(xiàn)為應(yīng)答器供電的功能。由于線圈之間的電磁耦合，使得應(yīng)答器部分的線圈產(chǎn)生交變電流，經(jīng)橋式電路將交變電流進行整流，橋式電路由四個采用串并聯(lián)的二極管組成，正弦波電流經(jīng)過橋式電路可以將交變電流，轉(zhuǎn)化為直流電流，并在+5V的穩(wěn)壓管的作用下，為電路提供電壓。

（2）調(diào)制及編碼電路。負載調(diào)制通過模擬開關(guān)實現(xiàn)，將數(shù)據(jù)直接接到模擬開關(guān)的接口，控制開關(guān)的導(dǎo)通與截止，使得阻抗產(chǎn)生相應(yīng)的變化，線圈中耦合電壓幅度將不停變化，從而實現(xiàn)負載調(diào)制。在電路中采用負載調(diào)制的方式來信號進行調(diào)制，由四個撥碼快關(guān)通過預(yù)置開關(guān)的閉合，開關(guān)與PT2262編碼芯片管腳D8～D11相連接，控制16中不同的狀態(tài)，將不同的數(shù)組輸入芯片，經(jīng)芯片編碼，將控制TS5A3166模擬開關(guān)。模擬開關(guān)與電容和線圈采用并聯(lián)的方法，將編碼好的信號直接傳送到模擬開關(guān)上，控制模擬開關(guān)的導(dǎo)通與斷開，當導(dǎo)通時電阻特別小近似于短路，到達線圈的電壓幅度就較小，當開關(guān)斷開的時候，相當于斷路，這時的電壓幅度較大。不同的幅度的電壓代表不一樣的信號?？刂齐娦盘柕姆葟娙踹M行調(diào)制。

4 閱讀器電路設(shè)計

通過應(yīng)答器的線圈電磁耦合發(fā)送出來的電磁波，經(jīng)閱讀器的線圈耦合，將電磁波接收經(jīng)過檢波、放大、比較整形和解碼，解碼后得到相應(yīng)的數(shù)字信號。閱讀器電路如圖3所示。

（1）檢波電路。采用二極管來實現(xiàn)檢波的功能，二極管D1、D2與L3、C18濾波網(wǎng)絡(luò)組成了檢波電路[3]。二極管具有單向?qū)ǖ墓δ埽诙O管方向一致上，形成一點的電勢差，當輸入的高電平信號時，二極管兩端的電壓處于正值，因此二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時對電容進行充電。當電容的電壓值達到了輸入高頻信號的電壓時，二極管兩端電壓出現(xiàn)負值，此時二極管處于斷開的狀態(tài)，電容進行放電。檢波的過程，也就是二極管對電容充放電的過程，電容充放電應(yīng)滿足充電快放電慢的條件，這樣才能達到較好的檢波作用。LC低通濾波電路對高頻信號具有較大的容抗，電容處于開路狀態(tài)，而對于低頻信號容抗幾乎為零，電容處于短路狀態(tài)。

（2）放大電路。采用電感與電容串聯(lián)的方法，將對檢波后的電流中含有較大的直流分量和高頻分量進行濾除，經(jīng)過低噪聲、低失真的運算放大器進行放大，運算放大器使用單電源MAX4256芯片，能夠為較為微弱的信號的放大提供較好的放大效果。在輸入端采用分壓式兩阻值相同的電阻串聯(lián)的方法，這樣使得零輸入時的電壓，輸出端的電壓為單電源的電壓一半。

圖3 閱讀器電路

（3）整形電路。經(jīng)運算放大器放大后的信號送入比較器LM311中，比較器的2管腳與兩阻值相同的電阻并聯(lián)，采用分壓式，參考電壓門限值為+2.5V。由于信號在傳輸時，波形出現(xiàn)了變化，為了將波形較好的恢復(fù)，利用比較器對信號進行高低電平還原，因為焊接與元器件的參數(shù)引起的不穩(wěn)定因素，通過比較器可以較好的對抗一些因素干擾，信號經(jīng)比較后送入解碼芯片中。

（4）解碼及顯示電路。比較后的信號通過管腳14DATAIN進入芯片，在芯片中進行解碼，將解碼后的信息顯示在LED燈上，利用四個LED燈連接PT2272芯片的D8～D11口。PT2272為解碼芯片，能定輸入的高低電平數(shù)字信號，進行轉(zhuǎn)化成所需要的信息。PT2272芯片具有暫存和鎖存功能，分別可以用后綴M表示暫存，后綴L表示鎖存，如PT227-M2表示數(shù)據(jù)輸出暫存兩位。

5 系統(tǒng)的調(diào)試

電路焊接完成后進行調(diào)試。第一步閱讀器和應(yīng)答器獨立接直流電源，調(diào)整靜態(tài)工作點。第二步應(yīng)答器斷電，閱讀器加測試載波信號，觀察應(yīng)答器接受波形的幅度以調(diào)諧閱讀器和應(yīng)答器線圈。第三部檢查編解碼功能，驗證電路的性能。通過預(yù)置撥碼開關(guān)，觀察LED燈的點亮情況可以驗證電路是否實現(xiàn)了正確識別。

調(diào)試過程中還可以用示波器對照觀察PT2262發(fā)射信號和PT2272接收信號的波形已驗證電路的性能。將開關(guān)狀態(tài)設(shè)置在1011時觀察到的波形如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)編碼信號的波形與解碼信號的波形完全一致，較好地實現(xiàn)了準確識別。

圖4 解碼與編碼波形圖

6 結(jié)束語

利用PT2262/PT2272編解碼芯片和對應(yīng)的發(fā)射接收電路實現(xiàn)了射頻識別的功能，該系統(tǒng)原理清楚，便于理解射頻識別的工作原理。

[1] 劉小兵，蘇磊，馮浩等.基于51單片機的無線識別裝置系統(tǒng)[J].國外電子元器件，2008，16（10）：77-78，81.

[2] 高吉祥主編.2007年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽試題剖析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.5：111-132.

[3] 張肅文主編.高頻電子線路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2009.5：341.