一種簡單無線射頻識別(RFID)系統的實現方式

2021-01-06 RFID世界網

　　1 總體方案設計 
　　
　　無線射頻識別(RFID)系統是由應答器、閱讀器及應用支撐軟體等幾部分組成。應答器採用直流電源供電，它主要由編碼電路、載波振蕩電路、調製電路和發射電路構成。該方案簡單易行，電路簡單。但這種應答器必須採用電源供電，否則電路無法工作。

　　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行放大，在利用解調電路取出有用信號，經過判別電路後再利用解碼晶片，最後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單，容易硬體實施，可行性好。

　　2 電路的理論分析與計算

　　2.1 耦合線圈的匹配理論

　　作為電磁能量的發射裝置一耦合線圈，必須考慮其匹配問題。耦合線圈在無線識別系統的工作頻率範圍內表現為阻抗ZL，為了實現與系統的功率匹配，必須通過無源的匹配電路實現阻抗轉換，使功率無反射地傳輸到耦合線圈。可以利用少量組件來實現相配的匹配電路。

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

　　2.2 應答器的發射電路分析

　　在應答器的發送器部分，首先由頻率穩定的石英晶體振蕩器產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製級。此基帶信號就是鍵控的恆壓信號，在此將二進位數據以串行碼的形式表示出來。根據調製器的類型，執行對振蕩器信號的ASK或FSK調製。此時基帶信號會被直接饋送到頻率合成器，再通過功率放大使調製後的信號達到所需電平，然後將調製後的放大信號輸出耦合到初級線圈。

　　2.3 閱讀器接收電路分析

　　閱讀器接收電路由耦合線圈、放大器、解調器、解碼器和顯示部分組成。通過耦合線圈所得的電壓信號經過放大器放大後，再經解調器解調得到載波信號，再經解碼器解碼和顯示電路得到應答器所發送的數據。

　　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。耦合線圈及放大器電路設計如圖4所示。為了使閱讀器線圈的耦合效率高，可將通過該線圈並聯可調電容，使其諧振頻率和應答器的工作頻率一致，使閱讀器線圈工作在諧振狀態，並聯諧振迴路的諧振頻率可由式(1)計算：

　　式中L為線圈的自感係數，測試得L=12.60μH，f為應答器的工作頻率，為13.56MHz，由於具有並聯電容器的閱讀器線圈在諧振頻率13.56-MHz激勵時，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。

　　屬於高頻小信號放大器，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關和編碼晶片VD5026構成，信息由撥碼開關生成。


編碼器電路

　　載波振蕩器採用74HC14構成的環行振蕩器，功耗小，最小工作電壓低，適合於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。

　　調製器由高速CMOS器件74HC00構成，實現ASK調製。調製波形如圖所示。調製輸出信號經反向後直接送諧振迴路。


振幅鍵控信號波形

　　3.3 程序設計 
　　
　　VD5027解碼正確時，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管腳經反向後接在單片機的中斷0入口處。主程序為休眠等待狀態，當有應答器且解碼正確時，響應中斷服務子程序，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，在麵包板上安裝調試正確後，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。此無線識別裝置由手動輸入信息，經編碼器編碼，採用ASK調製方式，載波為13.56MHz，經線圈耦合發送。閱讀器將接收到的ASK信號放大後，經二極體包絡檢波，送至數字恢復電路後，再解碼。解碼正確時，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 電感線圈測量

　　測量設備：QBG-1A型高頻Q表。

　　測試結果：電感線圈匝數N=10匝，電感線圈直徑D=6.9cm，

　　閱讀器電感線圈Ll：12.73μH，應答器電感線圈Ll：12.60μH，

　　分析：兩電感線圈匝數、直徑相同，但電感量不同，主要是電感由手工繞制，因此因鬆緊、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：振蕩器是由非門構成環行振蕩器，有門延遲時間。LC器件能夠存儲能量，故LC振蕩器波形較好。

　　5.4 調製輸出波形測量

　　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：在應答器上通過撥碼開關設置0000-1111，在閱讀器上用4個發光二極體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間間隔。

　　測試結果：0.79s<1s。

　　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圈的距離，並觀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TY360萬用表。

　　測試方法：採用萬用表測量電壓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。

　　通過以上測試數據可以看出設計是可行的。

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