簡(jiǎn)單無(wú)線(xiàn)射頻識別系統設計

　　1 總體方案設計

無(wú)線(xiàn)射頻識別(RFID)系統是由應答器、閱讀器及應用支撐軟件等幾部分組成。應答器采用直流電源供電，它主要由編碼電路、載波振蕩電路、調制電路和發(fā)射電路構成。該方案簡(jiǎn)單易行，電路簡(jiǎn)單。但這種應答器必須采用電源供電，否則電路無(wú)法工作。

　　將應答器看作有源應答器，在閱讀器設計部分，將接收到的微弱電壓信號進(jìn)行放大，在利用解調電路取出有用信號，經(jīng)過(guò)判別電路后再利用解碼芯片，最后利用顯示控制電路顯示閱讀器接收到的數據。所示該方案電路設計簡(jiǎn)單，容易硬件實(shí)施，可行性好。

　　2 電路的理論分析與計算

　　2.1 耦合線(xiàn)圈的匹配理論

　　作為電磁能量的發(fā)射裝置一耦合線(xiàn)圈，必須考慮其匹配問(wèn)題。耦合線(xiàn)圈在無(wú)線(xiàn)識別系統的工作頻率范圍內表現為阻抗ZL，為了實(shí)現與系統的功率匹配，必須通過(guò)無(wú)源的匹配電路實(shí)現阻抗轉換，使功率無(wú)反射地傳輸到耦合線(xiàn)圈?？梢岳蒙倭拷M件來(lái)實(shí)現相配的匹配電路。

　　本設計使用了該匹配電路，實(shí)現了阻抗匹配。要確定匹配電路的參數，需要測量出線(xiàn)圈的電感LS和導線(xiàn)的歐姆電阻RLS。

　　2.2 應答器的發(fā)射電路分析

　　在應答器的發(fā)送器部分，首先由頻率穩定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生所需的工作頻率的信號。振蕩器信號被饋送到由信號編碼的基帶信號控制的調制級。此基帶信號就是鍵控的恒壓信號，在此將二進(jìn)制數據以串行碼的形式表示出來(lái)。根據調制器的類(lèi)型，執行對振蕩器信號的ASK或FSK調制。此時(shí)基帶信號會(huì )被直接饋送到頻率合成器，再通過(guò)功率放大使調制后的信號達到所需電平，然后將調制后的放大信號輸出耦合到初級線(xiàn)圈。

　　2.3 閱讀器接收電路分析

　　閱讀器接收電路由耦合線(xiàn)圈、放大器、解調器、解碼器和顯示部分組成。通過(guò)耦合線(xiàn)圈所得的電壓信號經(jīng)過(guò)放大器放大后，再經(jīng)解調器解調得到載波信號，再經(jīng)解碼器解碼和顯示電路得到應答器所發(fā)送的數據。

　　3 程序及電路的設計與計算

　　3.1 閱讀器電路的設計計算

　　本次所設計的閱讀器電路由耦合線(xiàn)圈、放大電路、解調電路、解碼電路和單片機顯示電路組成。耦合線(xiàn)圈及放大器電路設計如圖4所示。為了使閱讀器線(xiàn)圈的耦合效率高，可將通過(guò)該線(xiàn)圈并聯(lián)可調電容，使其諧振頻率和應答器的工作頻率一致，使閱讀器線(xiàn)圈工作在諧振狀態(tài)，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率可由式(1)計算：

　　式中L為線(xiàn)圈的自感系數，測試得L=12.60μH，f為應答器的工作頻率，為13.56MHz，由于具有并聯(lián)電容器的閱讀器線(xiàn)圈在諧振頻率13.56-MHz激勵時(shí)，電壓明顯上升，因此應答器的工作頻率選為13.56MHz，理論計算出C=10.9pF。

　　屬于高頻小信號放大器，S8050的fT典型值為200MHz，則電流放大倍數約為：

　　3.2 應答器電路設計計算

　　編碼器設計由撥碼開(kāi)關(guān)和編碼芯片VD5026構成，信息由撥碼開(kāi)關(guān)生成。

編碼器電路

　　載波振蕩器采用74HC14構成的環(huán)行振蕩器，功耗小，最小工作電壓低，適合于3V電池供電。振蕩器反饋中接入13.56MHz晶體濾波器，載波頻率穩定度高。

　　調制器由高速CMOS器件74HC00構成，實(shí)現ASK調制。調制波形如圖所示。調制輸出信號經(jīng)反向后直接送諧振回路。

振幅鍵控信號波形

　　3.3 程序設計

VD5027解碼正確時(shí)，17管腳輸出高電平，4位數據由管腳10、11、12、13輸出。因此單片機設置為中斷模式，VD5027的17管腳經(jīng)反向后接在單片機的中斷0入口處。主程序為休眠等待狀態(tài)，當有應答器且解碼正確時(shí)，響應中斷服務(wù)子程序，顯示相應的信息。其流程如圖所示。

顯示程序流程圖

　　3.4 總電路圖設計

　　根據前面的分析設計，在面包板上安裝調試正確后，焊接印刷電路板，測試結果正確。

　　4 識別裝置工作流程圖

　　識別裝置工作流程如圖所示。此無(wú)線(xiàn)識別裝置由手動(dòng)輸入信息，經(jīng)編碼器編碼，采用ASK調制方式，載波為13.56MHz，經(jīng)線(xiàn)圈耦合發(fā)送。閱讀器將接收到的ASK信號放大后，經(jīng)二極管包絡(luò )檢波，送至數字恢復電路后，再解碼。解碼正確時(shí)，由單片機顯示結果。

識別裝置工作流程圖

　　5 測試方案與測試結果

　　5.1 電感線(xiàn)圈測量

　　測量設備：QBG-1A型高頻Q表。

　　測試結果：電感線(xiàn)圈匝數N=10匝，電感線(xiàn)圈直徑D=6.9cm，

　　閱讀器電感線(xiàn)圈Ll：12.73μH，應答器電感線(xiàn)圈Ll：12.60μH，

　　分析：兩電感線(xiàn)圈匝數、直徑相同，但電感量不同，主要是電感由手工繞制，因此因松緊、間隙不同造成。

　　5.2 編碼器VD5026測量

　　測試設備：數字示波器DS5062M。

　　測試結果：輸出為波形較好的方波信號。

　　振蕩頻率f=22.872kHz，幅度Vpp=3.00V，Vmax=2.24V，Vmin=0.00V。

　　5.3 載波振蕩器測量

　　測試設備：數字示波器DS5062M。

　　測試結果：頻率：13.56MHz幅度Vpp=1.40V

　　波形失真分析：振蕩器是由非門(mén)構成環(huán)行振蕩器，有門(mén)延遲時(shí)間。LC器件能夠存儲能量，故LC振蕩器波形較好。

　　5.4 調制輸出波形測量

　　測試設備：數字示波器DS5062M。

　　Vpp=4.12V，Vmax=2.24V，Vmin=-1.88V。

　　5.5 識別測量

　　5.5.1 誤碼測量

　　測試方法：在應答器上通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設置0000-1111，在閱讀器上用4個(gè)發(fā)光二極管顯示和一位數碼管顯示0-F。

　　測試結果：應答器撥0000-1111，閱

讀器相應顯示0000-llll，數碼管顯示0～F，測試結果正確，誤碼率為0。

　　5.5.2 傳輸時(shí)延測量

　　測試工具：手機秒表

　　測試方法：從應答器信息改變，到閱讀器顯示出的時(shí)間間隔。

　　測試結果：0.79s1s。

　　5.5.3 識別距離測量

　　測試工具：直尺。

　　測試方法：改變應答器與閱讀器間電感線(xiàn)圈的距離，并觀(guān)察閱讀器顯示信息是否與應答器相同。

　　測試結果：穩定傳輸距離5.5cm，最遠識別距離8.3cm。

　　5.6 功耗測量

　　測試工具：天宇TY360萬(wàn)用表。

　　測試方法：采用萬(wàn)用表測量電壓U和電流I，則功耗P=UI。

　　測試結果：a.閱讀器：U=5V，I=50 mA，P=UI=5x50=250mW。b.應答器：U=3V，I=8.5mA，P=UI=3x8.5=25.5mW。

　　通過(guò)以上測試數據可以看出設計是可行的。