一種射頻識別裝置的研制

摘要 設計了基于耦合線(xiàn)圈的射頻識別裝置。系統由閱讀器與應答器兩部分組成：閱讀器采用PT2272、耦合線(xiàn)圈、發(fā)光二極管;應答器采用PT2262、耦合線(xiàn)圈、撥碼開(kāi)關(guān)等。閱讀器采用單電源供電，應答器能量則全部來(lái)自耦合線(xiàn)圈;無(wú)線(xiàn)數據傳輸采用異步串口通信與負載調制等方法實(shí)現。閱讀器可識別靠近的應答器并顯示識別結果，識別距離≥10 cm，顯示正確率≥95%，響應時(shí)間≤1 s。

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification Technology，RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，其通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標并獲取相關(guān)數據?；镜腞FID系統由3部分組成：應答器、閱讀器和天線(xiàn)。RFID技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快，已成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要一環(huán)。本文探討中低頻RFID系統的工作原理，并通過(guò)實(shí)驗的方式進(jìn)行了驗證。

本裝置的主要目的是將應答器部分儲存的信息通過(guò)應答器端的耦合線(xiàn)圈傳遞到閱讀器端的耦合線(xiàn)圈，再由閱讀器讀出存儲信息。應答器采用線(xiàn)圈耦合無(wú)線(xiàn)供電，耦合線(xiàn)圈一方面傳遞信息，另一方面也充當應答器的能量源?？紤]到低功耗設計，功率放大器的效率必須較高，同時(shí)數據傳輸的調制、編碼等需盡可能地簡(jiǎn)單且低功耗，此外還需保證閱讀器的識別靈敏度。

1 系統總體方案

系統設計框圖如圖1和圖2所示。系統主要由閱讀器和應答器組成，閱讀器將振蕩器的振蕩信號放大后經(jīng)耦合線(xiàn)圈輻射出去;閱讀器通過(guò)耦合線(xiàn)圈接收信號再交給解碼芯片解碼輸出應答器卡號，并由發(fā)光二極管顯示。應答器一方面從耦合線(xiàn)圈得到激勵信號，另一方面將所得信號經(jīng)整流和穩壓后送入發(fā)射機為其提供能量。采用幅移鍵控(ASK)，即負載調制，其調制解調電路簡(jiǎn)單，且功耗較低。

2 硬件電路設計

2.1 閱讀器部分設計

采用晶振和非門(mén)的簡(jiǎn)單振蕩電路，使晶振工作在其的并聯(lián)諧振模式，該電路如圖3所示。為了推動(dòng)后級的丙類(lèi)功放，要求前級有一定的電流和功率驅動(dòng)能力，若插入中間放大器會(huì )增加額外的功率損耗，使效率降低，同時(shí)也增加了電路各級之間匹配的復雜程度，故采用兩個(gè)非門(mén)并聯(lián)的方式以增加驅動(dòng)能力。

非線(xiàn)性丙類(lèi)功率放大器的電流導通角90°，效率可達80%，通常作為發(fā)射機末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。為了不失真地放大信號，其負載必須是LC諧振回路。當放大器的輸入信號為正弦波時(shí)，集電極的輸出電流為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓和電流。

由前面載波產(chǎn)生電路可知產(chǎn)生的信號有一定的驅動(dòng)能力，可直接接入后極的功放進(jìn)行放大。為了便于后級匹配，將集電極饋電線(xiàn)圈兼作諧振回路，以抵消輸出電容的影響，其功放電路如圖4所示。

通過(guò)二極管的單向導通性及電容的充放電效應進(jìn)行峰值檢波。二極管選擇檢波二極管，其主要是利用檢波二極管的結電容小，工作頻率高及方向電流小的特點(diǎn)。包絡(luò )檢波后的輸出為不規則的波形，且其峰值小，不便于檢波芯片的處理，故采用放大比較電路，再通過(guò)非門(mén)整形后將信號處理為二進(jìn)制碼型以便于解碼器的解碼。其電路如圖5所示。

對輸出匹配網(wǎng)絡(luò )的主要要求包括：高效率的傳送能量、濾除高次諧波分量和阻抗變換3個(gè)方面，在設計匹配網(wǎng)絡(luò )時(shí)應綜合考慮這3方面的要求。設計采用倒L型濾波型匹配網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行設計，由于LC元件損耗功率微小，可高效地傳輸功率。同時(shí)，由于其對頻率的選擇作用，決定了該種電路的窄帶性質(zhì)。設計電路如圖6所示。

采用PT2262和PT2272進(jìn)行編解碼。PT2262最多可有6位(D0-D5)數據端管腳，設定的地址碼和數據碼從17腳串行輸出，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由地址碼、數據碼和同步碼組成一個(gè)完整的碼字，地址碼和數據碼均使用寬度不同的脈沖來(lái)表示，兩個(gè)窄脈沖表示“0”;兩個(gè)寬脈沖表示“1”。在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數據碼，此時(shí)PT2262和PT2272的第1～8腳為地址設定腳，有3種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地狀態(tài)，3*為6 561，所以地址編碼不重復度為6 561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用。解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，以確認是否接受正確。與此同時(shí)相應的數據腳也輸出與PT2262相對應的電平信號，即一旦地址匹配，PT2262與PT2272所有引腳的電平均相同。PT2262將數據位設置的并行數據以一定的電平方式串行輸出，控制應答器部分的負載變化，以達到負載調制的作用。而通過(guò)負載調制并通過(guò)耦合線(xiàn)圈反饋到應答部分的信號，經(jīng)包絡(luò )檢波及處理后為較規則的高低電平信號，PT2272可直接對其進(jìn)行解碼。編碼電路如圖7所示，解碼電路如圖8所示。兩個(gè)芯片的振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會(huì )變近甚至無(wú)法接收。

2.2 應答器部分電路設計

采用基本的二極管搭建橋式全波整流電路，以獲取足夠高的電壓供給后級使用。其電路如圖9所示。

采用CD4066模擬開(kāi)關(guān)，用PT2262編碼后的信號控制模擬開(kāi)關(guān)開(kāi)啟。當模擬開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，其等效阻值較小，相當于次級線(xiàn)圈的反射阻抗較小，次級線(xiàn)圈的反射阻抗并聯(lián)到讀寫(xiě)器線(xiàn)圈上，與其共同組成丙類(lèi)功放的輸出阻抗，從而使諧振頻率偏移，丙類(lèi)功放輸出失諧，且輸出電壓減小;而模擬開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)模擬開(kāi)關(guān)相當于開(kāi)路，次級線(xiàn)圈的反射阻抗過(guò)大，反射阻抗發(fā)生變化，使讀寫(xiě)器線(xiàn)圈電壓升高。在讀寫(xiě)器端可通過(guò)檢波方式檢測輸出電壓變化，從而得到應答器的解調信號。電路設計如圖10所示。

3 系統測試

對于功率的測試可直接采用萬(wàn)用表測量各測試點(diǎn)的電壓和回路電流，再由P=U×I計算出功率，算得最大消耗功率為365 mW。將兩耦合線(xiàn)圈從近及遠的移動(dòng)，觀(guān)察閱讀部分識別指示燈的亮滅，查看最遠可識別的距離，然后用直尺測量此間距，得出最大識別距離為12 cm。利用雙蹤示波器，分別檢查編碼發(fā)射部分的發(fā)射信號和閱讀器部分的解碼信號，可明顯看出發(fā)送數據與接收數據及數據延時(shí)的效果。通過(guò)測試指示燈的亮滅情況，記錄10 cm內識別正確率為95%，響應時(shí)間1 s。

4 結束語(yǔ)

本射頻識別裝置采用負載調制方式、電路簡(jiǎn)單、工作可靠，且有效提高了能量的利用率。同時(shí)采用編、解碼芯片，使系統的功耗大幅降低，其芯片本身有較強的抗干擾能力，使系統可靠性顯著(zhù)提高。閱讀器采用丙類(lèi)功率放大電路，效率較高，在系統總功率的限制下仍可提供充足的功率給應答器，使閱讀器與應答器之間的通信距離得以保證?？傮w上，本裝置的識別距離可達10 cm，準確率達到95%，且識別響應時(shí)間1 s。