基于A(yíng)TMEGA64L的RFID讀卡器設計

　　根據f=，當我們選取=1mH時(shí)，則TRH031M的內部接收電路利用卡的回應信號在副載波的雙邊帶上都有調制這一概念來(lái)進(jìn)行工作。采用芯片內部產(chǎn)生的VMID作為RX引腳輸入。為了穩定 VMID的輸出，必須在VMID和GND之間連接一個(gè)電容C4。接收電路需要在RX和VMID之間連接一個(gè)分壓電路。另外，建議在天線(xiàn)線(xiàn)圈和反壓器之間串連一個(gè)電容。這個(gè)接收電路由R1，R2，C3和C4組成，數值示于表1。

　　EMC濾波電路仿真

　　針對500W天線(xiàn)阻抗進(jìn)行EMC濾波電路的仿真：

　?、?設定特性阻抗Z。=500W，輸入信號頻率為13.56MHz;

　?、?令負載ZL=500W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1;

　?、?在ZL上并聯(lián)電容C0，得到點(diǎn)2;

　?、?再在C0上串聯(lián)電感L0，得到點(diǎn)3;

　　應使點(diǎn)3位于15W匹配點(diǎn)，若點(diǎn)3 不能精確位于該點(diǎn)，則應微調各元件參數。由圓圖的直觀(guān)性，該調整不難實(shí)現。由此，得到如圖5(a)所示的阻抗圓圖。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時(shí)，可以推算出1、3點(diǎn)間的等效阻抗為15.24+j 0.00W，接近于負載阻抗15Ω，這表明了我們所設計的元件參數是正確的。其誤差源于元件不可能無(wú)限精確。

　　(a)

　　(b)

　　圖5 EMC濾波電路Smith圓圖

　　由此，得到如圖5(b)所示的阻抗圓圖。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時(shí)，可以推算出1、3點(diǎn)間的等效阻抗為500.42+j 50.47歐姆，接近于天線(xiàn)阻抗500歐姆，這表明了前面我們所設計的元件參數是正確的。

　　天線(xiàn)匹配電路設計

　　天線(xiàn)本身是一個(gè)低電阻的器件，將天線(xiàn)連接到TRH031M需要一個(gè)匹配電路。設計天線(xiàn)的匹配電路有兩種方法：50W匹配天線(xiàn)和使用直接匹配的天線(xiàn)配置。在本設計中采用直接匹配的天線(xiàn)配置。

　　計算天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感

　　精確計算天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感值在實(shí)踐上非常困難的，通常用下面的公式估算：

　　L[nH]=2×L[cm]×(ln(L[mm] / D[mm]-k)) (1)

　　其中L為天線(xiàn)線(xiàn)圈一圈的長(cháng)度，N為天線(xiàn)線(xiàn)圈圈數，一般為3圈，D為天線(xiàn)線(xiàn)圈直徑或導體的寬度，P為由天線(xiàn)線(xiàn)圈的技術(shù)而定的N的指數因子(見(jiàn)表2)。

　　線(xiàn)圈電阻的估算

　　沒(méi)有阻抗分析儀的首次天線(xiàn)調諧的估算可以用下面的公式：

　　RANT=5RDC (2)

　　為了給RFID卡提供足夠的能量，天線(xiàn)與卡片間必須實(shí)現緊耦合，耦合系數最少為0.3(耦合系數為0時(shí)，即由于距離太遠或磁屏蔽導致完全去耦，耦合系數為1即全耦合)。因此天線(xiàn)線(xiàn)圈采用直徑為1mm的導線(xiàn)，設計為三圈的76mm×49mm長(cháng)方形天線(xiàn)。此時(shí)，天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生的電感，由公式1可計算出天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感值約為L(cháng)=1.7mH。天線(xiàn)電阻R=1.4W。

　　由于每塊不同的天線(xiàn)電路板實(shí)際的天線(xiàn)線(xiàn)圈電感值總是會(huì )稍有差異，在實(shí)際的PCB設計時(shí)，天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò )的元件的設計過(guò)程按照圖6進(jìn)行調整。諧振電容由固定電容=150pF和可調電容CV2代替。通過(guò)調整可調電容CV2來(lái)使得天線(xiàn)的振蕩頻率為13.35MHz，通過(guò)調節C1使得天線(xiàn)的阻抗為500W，通過(guò)調整可調電容將每塊天線(xiàn)板的讀寫(xiě)距離調整到最佳。

　　圖6天線(xiàn)匹配電路調整過(guò)程

　　天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò )仿真步驟如下：

　?、?設定特性阻抗Z。=500 W，輸入信號頻率為13.56MHz;

　?、?令負載ZL=0.00W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1;

　?、?在ZL上串聯(lián)電阻Rcoil=0.7W，得到點(diǎn)2;

　?、?再在Rcoil上串聯(lián)電感L=0.85mH，得到點(diǎn)3;

　?、?再并聯(lián)電容C2，得到點(diǎn)4;

　?、?最后再串聯(lián)電容C1，得到點(diǎn)5。

　　圖7 天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò )電路的Smith圓圖

　　由此，得到如圖7所示的阻抗圓圖。圖中設Rcoil為0.7W，L為0.85微亨，這樣天線(xiàn)就由Rcoil和L來(lái)等效代替。由Smith Chart得到C2=163pF ， C1 =15pF，由此可以推算出1、5點(diǎn)間的等效阻抗為247.79+j11W，接近于對稱(chēng)天線(xiàn)的一半阻抗250W。

　　通過(guò)仿真得到的結果與筆者設計的元件參數基本一致，這說(shuō)明了所設計的天線(xiàn)電路是正確的。

　　結語(yǔ)

　　基于ISO/IEC 15693標準，設計了基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M讀卡芯片工作頻率為13.56MHZ的RFID讀寫(xiě)器系統。設計并實(shí)現了基于 RFID技術(shù)的物流系統的軟硬件原型，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用證明，系統的總體方案設計可行，其主要功能基本得以實(shí)現，達到了系統的性能指標：設計的讀卡器系統對無(wú)源的15693協(xié)議的卡片的識別作用距離可達7.5cm。同時(shí)該系統能對ISO15693協(xié)議的卡片進(jìn)行讀寫(xiě)操作。系統運行正確，顯示準確，使用方便，具有較強的抗干擾性能。