射频技术的无线识别系统设计方案

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。

图1应答器发射电路的电踣原理图
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。

图2倒读嚣接收电路廉瑾图
2电路的理论分析与计算 2. 1耦合线圈的匹配理论
■出・
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。

闔3竣誘的简单匹配电踣
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：
BA __ •
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式中L 为线圈的自感系数，测试得L=12. 60卩H, 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 0二注-眇I 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。

VM0T7
IA
S16 单I 机显系控制电路
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CMO 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。

“ W ~~Wwv ―—歸
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。

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L I L
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图7握码塞电路
ilth 麻・《1贰]
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图9显示程序it 程图
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LI : 12. 73卩H,应答器电感线圈LI : 12. 60卩H, 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。

(*SSn)
应答痔齟分
电/耦舍
阅读器部分
图1Q 识别装■工作流握再
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。

s VA~~WMh------------------------ WV
图II AS盘调制信号
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0000-1III ，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=250mWb.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。