无线射频识别装置的设计

王利恒，王祥力，陈 荡，夏寅力

（武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430205）

0 引 言

无线射频识别装置（Radio Frequency Identification Devices，以下简称：RFID）亦称电子标签，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［1］.无线射频识别是一种通信技术，已广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域［2］.射频识别系统一般由阅读器（Reader）、应答器及应用软件系统三个部分组成［3］.笔者设计了一种识别商品电子标签的装置，解决了超市中条形码不能自动读取、识别多个标签，对数据完整性要求较高且安全性和保密性有所欠缺的难题.

无线射频识别系统主要由阅读器、天线、标签、相关硬件和软件组成.在磁场范围内，标签接收阅读器发出的射频信号，主动发送某一频率的信号或者被动发送出存储在芯片中的产品信息，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行相关数据处理.RFID卡本身是无源体，当阅读器对卡进行读写操作时，阅读器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的L／C电路产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作；一部分是数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、存储等，并返回给阅读器［4］.

1 系统功能及组成框图

本设计制作一套无线识别装置，该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成［5］，其方框图见图1.

图1 无线识别装置方框图Fig.1 Wireless identification device block diagram

阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息，阅读器外接单电源，由发射部分和接收部分组成；应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得，不需要外接电源供电.阅读器通过亮灭LED灯显示应答器上预置的4位二进制编码，显示正确率≥80%，响应时间≤5s，耦合线圈间距D≥10cm.系统的整体模块框图如图2所示.

图2 系统整体模块框图Fig.2 Block diagram of whole system module

2 系统设计与硬件电路

2.1 阅读器电路设计

阅读器可分为发射和接收两部分.发射部分主要包括载波发生、调制及驱动电路、滤波及功率放大电路，接收部分主要是接收解调电路，包括检波、放大整形及解码电路.

2.1.1 载波发生及驱动电路 直接采用有源晶振产生载波信号，通过与门SN74LS08D实现振幅键控（ASK）调制，其原理是：当数据信号为高电平时，与门输出端与输入端的载波信号相同，此时输出信道上有载波信号；当数据信号为低电平时，输出为低电平，此时输出信道上无载波传送.为了推动后级的丙类功放，要求前级有一定的电流和功率驱动能力，但引入中间放大器会增加额外的功率损耗，使效率降低，同时也增加了电路各级之间匹配的复杂程度，故采用反相器U2里面的五个74HC04并联来增加驱动能力［6］.电路图如图3所示.

图3 载波发生及驱动电路Fig.3 Carrier producing and driving circuit

2.1.2 功率放大电路 为了让次级线圈获得尽可能大的能量，根据耦合线圈调谐匹配理论，应当让耦合线圈工作在复谐振状态下，在实际中阅读器和应答器之间的距离变化会导致回路互感变化，很难达到复谐振，故笔者采取部分谐振.初级线圈采用串联谐振，次级线圈采用并联谐振，由f＝1／（2π）（L和C分别为阅读器电路中线圈的电感和电容），由选择的感抗L可得出初级线圈的最佳匹配电容C.

经实测，读写器天线回路在4MHz频率下的阻抗约为20Ω，天线的品质因数Q值约为17，又根据回路中的极限传输带宽B＝f／Q（f为阅读器的调谐频率），经计算满足传输带宽的要求（设计传输速率为300bit／s≪B＝f／Q＝4×106／17≈2.35×105bit／s）.SC1970采用数字电路驱动，其输入阻抗匹配电路可以从简，滤波后用一个0.1uF电容直接耦合到SC1970基极.根据SC1970的输出阻抗进行输出匹配，保证功率的最大传输［6］.电路如图4所示.

图4 功率放大电路Fig.4 Power amplifier

2.1.3 接收解调电路 应答器采用的是负载调制，在接收电路中只需要经过检波、放大、比较整形、解码即可还原出应答器的数字信号［7］，最后进入比较器整形及解码还原原来的数字信号.

检波部分采用倍压检波电路，这种电路输入的灵敏度高，非常适合于解调负载调制在发射端引起的微小变化，如图5所示.

图5 检波电路Fig.5 Detecting circuit

由于发射功率比较大，检波后的信号包含非常大的直流分量，因此，采用一个LC串联回路来滤除直流分量和高频分量，然后送往由运放构成的放大器，如图6所示.

图6 比较整形放大电路Fig.6 Comparative plastic amplifying circuit

放大后的信号经过MAX291CPA芯片滤波后与给定参考电压比较，再送给解码芯片PT2272解码，还原数字信号，如图7所示.

图7 解码电路Fig.7 Decoding circuit

2.2 应答器电路设计

应答器由整流、负载调制及编码电路组成.应答器不需要外接电源，所有能量都是通过耦合线圈得到的.为了实现应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得，需要首先对耦合线圈上的能量进行提取［7］，采用简单的二极管整流桥来提供电源，整流后通过5V的稳压管稳压输出5V电源，来供应答器上的编码芯片和模拟开关，如图8所示.

图8 应答器电源电路Fig.8 Transponder power supply circuit

负载调制部分通过模拟开关TS5A3166实现，TS5A3166的带宽为300MHz，导通电阻为0.9Ω，在1MHz时的关断衰减为64dB，将编码后的数据直接接到模拟开关的控制口，来控制开关的导通和关断.由于模拟开关导通时电阻很小，相当于线圈短路，此时应答器耦合到阅读器端的线圈上的幅度将变小；模拟开关关断时，相当于开路，此时耦合到阅读器端线圈的信号幅度会发生变化，从而实现负载调制［8］，如图9所示.

图9 负载调制及编码电路Fig.9 Load modulation and coding circuit

3 软件设计

应答器控制电路的工作主要由软件完成，首先应答器从耦合线圈得电后，使用凌阳61单片机进行初始化，屏蔽接收中断，为发送数据做一系列准备工作.数据的接收采用中断方式，在中断服务子程序中主要采用循环冗余校验（Cyclic Redunancy Check，以下简称CRC）进行校验，并判断校验结果，若正确则将有效信息写入闪存保存，若错误则放弃闪存写入操作，直接使能接收中断，等待接收下一帧数据.工作流程图如图10所示.

4 测试结果分析

测试仪器：单路直流稳压电源（HY3003D－3）、数字万用表、50cm 直尺、秒表、示波器（GOS－6051－50MHz）

图10 应答器工作流程图Fig.10 Transponder work flowchart

将阅读器和应答器的耦合线圈置于大于10cm的地方，阅读器开关置于读位置，预置应答器的4位二进制数，接通阅读器电源，开始记录阅读器显示值及识别时间.应答器识别功能测试结果如表1所示，系统的识别精度较高，识别率可达100%，实现了无误差传输，识别时间小于0.1s.

表1 测量装置识别数据Table 1 Measuring device indentification data

固定阅读器及耦合线圈的位置，接通电源，然后将识别器由远到近缓慢移动，并观察阅读器指示灯，直至该灯亮时停止移动，标记该位置为A；再反向慢速移动识别器至该灯灭时停止移动，标记该位置为B，计算两次位置的平均值，即为最大间距.耦合线圈间最大间距测量结果如表2所示.

表2 耦合线圈测量间距Table 2 Coupling coil measuring distance

经测试，本系统两线圈距离可达20cm以上，完全满足实际需求.

5 结 语

本无线射频识别装置解决了超市中条形码读取的难题，采用无线射频识别装置无需人工扫描读取，可以同时识别多个标签，且读取数据的速度较快、获取商品的信息比较完整，可随意更改.经验证，耦合线圈间距大于20cm，识别时间小于0.1s，每250ms便可读出相关数据，基本可以满足实际需求.

［1］栾文利，毛贵才.无线射频识别（RFID）技术的应用分析［J］.黑龙江科技信息，2012（17）：19.

［2］刘小兵，苏磊，冯浩，等.基于51单片机的无线识别装置系统［J］.国外电子元器件，2008，16（10）：77－78，81.

［3］黄利军.一套基于耦合线圈的无线识别装置的设计［J］.科技创新导报，2010（6）：245.

［4］韩团军.基于射频技术的无线识别系统设计［J］.电子技术，2010，47（8）：24－26.

［5］高小明.一种无源RFID无线射频识别系统的研究与设计［J］.微计算机信息，2009，25（20）：161－163.

［6］彭仁明，潘晓慧.基于RFID无线识别器的设计［J］.黔南民族师范学院学报，2010，30（3）：39－42.

［7］高吉祥，王晓鹏，宋克慧.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 ：2007年全国大学生电子设计竞赛试题剖析［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［8］张肃文.高频电子线路：第五版［M］.北京：高等教育出版社，2009.