基于射频技术的无线识别系统设计

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13．56MHz的无线识别系统采用了如图3的匹配电路。

    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。
2．2 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。
2．3 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
3．1 阅读器电路的设计计算
    本次所设计的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=12．60μH，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。

    图4属于高频小信号放大器，S8050的fT典型值为200MHz，则电流放大倍数约为：。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。

3．2 应答器电路设计计算
    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。

    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。

3．3 程序设计
    VD5027解码正确时，17管脚输出高电平，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。

3．4 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，由单片机显示结果。

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：12．73μH，应答器电感线圈Ll：12．60μH，
    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=0．00V。
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。

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0000-1111，阅读器相应显示0000-llll，数码管显示0～F，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：0．79s<1s。
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。
5．6 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。