生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的RFID 閱讀器發(fā)射電路設(shè)計

王高舉，毛子羨

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610065）

0 引言

近年來，隨著RFID 技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛，使用RFID 技術(shù)的行業(yè)包括零售、制造、衛(wèi)生保健、體育賽事和農(nóng)業(yè)等，隨著5G 時代的到來，RFID 技術(shù)繼續(xù)會應(yīng)用于許多不同的行業(yè)，以提高可跟蹤性、準確性、安全性[1]。由于低頻應(yīng)答器對無線電波的干擾和水不是很敏感，目前應(yīng)用于動物識別的RFID技術(shù)也主要是低頻頻段，因此低頻RFID 技術(shù)是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的良好選擇。在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，利用射頻標記法對魚類進行標記[2]，RFID 閱讀器通過布置在水中的天線采集魚類標記信息，并將信息保存在存儲卡中，然后傳輸給上位機，通過采集魚類游動的方向和距離、種群行為、魚道效率、返回率等數(shù)據(jù)，分析研究魚類群落的活動規(guī)律和機制，以及相應(yīng)魚類群落變化與河流環(huán)境的關(guān)系，以達到監(jiān)測河流生態(tài)環(huán)境的目的。

1 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 發(fā)射模塊硬件架構(gòu)

由于半雙工系統(tǒng)的閱讀器的識別距離、抗干擾能力、功耗等方面都優(yōu)于全雙工系統(tǒng)，因此本文的閱讀器設(shè)計采用半雙工方案，所設(shè)計的閱讀器的發(fā)射電路包括發(fā)射模塊、天線模塊，其中發(fā)射模塊主要有脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動電路、功率級電路；電容調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)、線圈天線構(gòu)成閱讀器最前端的收發(fā)模塊，框圖如圖1 所示。

發(fā)射模塊的工作來自控制模塊的控制電平（高電平有效），當接收到控制模塊的控制電平后，由晶振組成的振蕩電路產(chǎn)生134.2±2KHz 的方波信號，進入脈寬調(diào)制器，調(diào)制發(fā)射信號，改變發(fā)射信號的占空比，通過驅(qū)動電路提高PWM 控制信號的驅(qū)動能力，作為功率級電路的輸入信號，功率級電路將電源的直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率，通過天線輻射出去，建立工作區(qū)域，為標簽提供能量。

圖1 發(fā)射模塊整體框圖

發(fā)射模塊的原理圖如圖2 所示，其中發(fā)射振蕩器采用ADI 公司的LTC6906 硅振蕩器，該振蕩器具有價格低，精度高的特點，通過簡單的外圍器件就可以產(chǎn)生134.2±2KHz 的發(fā)射信號。脈寬調(diào)制器選用德州儀器（TI）的穩(wěn)壓脈寬調(diào)制器UC1526，該芯片具有產(chǎn)生占空比相同，相位差為180°的雙通道PWM 波、欠壓鎖定、軟啟動、數(shù)字限流、雙脈沖抑制邏輯和死區(qū)可調(diào)等功能。芯片所輸出的PWM 波的頻率即可以由芯片內(nèi)部高精度的晶振和外圍RC 振蕩電路來共同決定，也可以通過外部振蕩器來控制，用戶一旦使用了外部振蕩器，則內(nèi)部晶振將被隔離，芯片輸出的PWM 波頻率將與外部晶振信號保持同步。如果使用芯片內(nèi)部晶振和外圍RC 振蕩電路來產(chǎn)生所需的PWM 波頻率，但是電阻阻值受溫度影響變化較大，輸出的PWM 波頻率很容易受環(huán)境溫度影響，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，而且為了降低發(fā)射電路的成本，本文不使用外部晶振電路，而發(fā)射振蕩器使用UC1526 內(nèi)部的晶振，通過單片機產(chǎn)生所需的振蕩頻率輸入到12 引腳作為UC1526 外部振蕩器的輸入，此時，需要將11 引腳接地，而且單片機所輸出振蕩的頻率為芯片所需輸出PWM 波頻率的2 倍。為了實現(xiàn)所輸出的PWM 波占空比可調(diào)，搭建分壓電路，通過調(diào)節(jié)分壓電路的可調(diào)電阻R1 來改變3 腳的輸入電壓值，芯片內(nèi)部的比較器把3 腳的輸入電壓值與基準值進行比較，將差值比例放大，調(diào)節(jié)輸出PWM 波的占空比，繼而調(diào)節(jié)功率級電路的輸出功率。

驅(qū)動電路選用3A 雙通道高速功率MOSFET 驅(qū)動芯片TC4424，作為MOSFET 驅(qū)動器，TC4424 可以在35ns 內(nèi)輕松為1800 pF 的柵極電容充電，同時在導(dǎo)通和截止狀態(tài)下都提供足夠低的阻抗，以確保MOSFET的預(yù)期狀態(tài)即使受到大的瞬變也不會受到影響。該芯片具有3.5Ω的低輸出阻抗，快速的上升、下降時間，兩路與輸入保持同相的輸出。

圖2 發(fā)射模塊前級電路原理圖

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)備一般需要工作在野外環(huán)境中，供電方式大多是采用太陽能和蓄電池，為了提高電源利用率和系統(tǒng)續(xù)航時間，需要盡可能地提升系統(tǒng)的效率。經(jīng)過對比分析和實驗，本文的功率級電路采用變壓器耦合D 類功率放大器的拓撲結(jié)構(gòu)[3]，如圖3 所示，對于功放管的選擇，從兩方面考慮，首先MOS管要損耗小，既漏-源級導(dǎo)通的電阻足夠小，這樣就可以最小化功放電路的損耗，其次需要考慮漏-源級的耐壓值，耐壓必須要有足夠的裕量，防止MOS 管被擊穿，理論上其耐壓值要大于供電電壓的3 倍，因此經(jīng)過綜合考慮，選用IRF530N 作為功率放大器的功放管，該MOS 管耐壓值為100V，導(dǎo)通內(nèi)阻為0.09Ω，完全符合系統(tǒng)的要求。良好D 類功率放大器的設(shè)計，在追求完美的輸出波形的同時，也要保證損耗小、效率高，圖中第一部分為吸收電路，該部分電路的目的是吸收變壓器原邊線圈的漏感，降低變壓器的漏感和勵磁電感對輸出波形的影響，優(yōu)化功放的輸出波形，第二部分是中心抽頭變壓器，目的起到了阻抗變換和隔離功能，阻抗匹配是為了保證最大功率輸出，隔離功能主要是為了防止后級天線模塊對前級電路的影響。

在變壓器設(shè)計方面，考慮變壓器的功率容量和所承受電流，本文選用骨架為上下繞組的RM12 變壓器，初級選用直徑為0.6mm 的漆包線繞制，次級選用單芯直徑為0.1mm 的26 芯的多股線繞制，初級采用雙線并繞的方式，并引出中心抽頭，初級與次級的匝數(shù)比為20:20:17。

圖3 功率級電路原理圖

1.2 天線模塊設(shè)計

天線是閱讀器與應(yīng)答器之間能量和信息交流的重要媒介，其性能設(shè)計的好壞直接決定了低頻RFID 閱讀器工作性能。在設(shè)計天線線圈時，除了需要考慮線圈的磁場強度，天線線圈的電感值L 和品質(zhì)因數(shù)Q，也需要考慮天線的合適尺寸和應(yīng)用場合，為了使設(shè)備可以工作在野外生態(tài)環(huán)境中，綜合考慮各方面的因素，本文設(shè)計的天線尺寸為1m×0.5m，采用3 匝單芯直徑為0.1mm 的300 芯的多股線制成，并包裹在橫截面積為314mm2的聚氯乙烯（PVC）管中，PVC 管內(nèi)填裝防水材料，將一根雙絞屏蔽線電纜焊接到天線的兩個自由端，并穿過防水接頭，然后將天線組件粘緊，以防止水與任何天線導(dǎo)線接觸。

在野外甚至水中的實際應(yīng)用中，閱讀器天線的電特性參數(shù)會發(fā)生改變，導(dǎo)致阻抗不匹配和發(fā)射頻率大幅下降，對閱讀器的識別距離和效率產(chǎn)生影響，因此需要設(shè)計調(diào)諧模塊來解決這個問題，調(diào)諧模塊一般分為手動調(diào)諧和自動調(diào)諧，自動調(diào)諧的優(yōu)點是精度高，方便快捷，缺點是成本高，在雷擊惡劣天氣時，容易損壞，而且自動調(diào)諧會帶來額外的功率損耗[4]。因此考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功耗成本等方面，本文選用手動調(diào)諧方案，電路圖如圖4 所示，包括電容矩陣、功率指示燈，通過配置電容矩陣，使天線模塊的諧振在134.2±2KHz 的范圍內(nèi)，功率指示燈用來觀測天線端的諧振電壓是否達到最大值，可根據(jù)指示燈的亮度來調(diào)諧電容矩陣，電容矩陣的調(diào)諧范圍為4.7nF-239nF，因此設(shè)計的天線線圈的電感值的范圍需在5.89uH-0.3mH，否則將需重新配置電容矩陣的電容值。

圖4 調(diào)諧模塊電路原理圖

2 功能測試

為了驗證閱讀器發(fā)射電路的性能，我們需要對閱讀器進行實際測試，由于天線模塊的狀態(tài)對整個系統(tǒng)有很大影響，故使用Agilent E5061B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線模塊進行調(diào)試，圖5 為天線模塊在100KHz 到300KHz 范圍內(nèi)的阻抗圓圖，為了保證天線可以獲得足夠大的功率，通過調(diào)諧模塊將134.2KHz 的阻抗點調(diào)整至阻抗圓圖的短路點處，當處于接收狀態(tài)時，134.2KHz的阻抗點位于阻抗圓圖的開路點處，此時系統(tǒng)有最好表現(xiàn)。調(diào)諧完成后的天線端工作電壓的峰峰值約為500V（示波器打開×10 檔位），輸出功率約為47W，如圖6 所示。

圖5

圖6

3 結(jié)語

本文設(shè)計的應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的低頻RFID閱讀器發(fā)射電路，實現(xiàn)了發(fā)射模塊的占空比可調(diào)，輸出功率可控，功率級電路采用變壓器耦合D 類功率放大器，結(jié)合良好的吸收電路，減少了功耗，優(yōu)化了輸出波形。經(jīng)過調(diào)試和測試，閱讀器的輸出功率約為47W，穩(wěn)定驅(qū)動2A 電流，識別距離約為60cm，特殊的天線設(shè)計和良好的EMC 設(shè)計，可以使系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作在野外生態(tài)環(huán)境中，注意板級電路的防水防潮。