基于PIC16F877的RFID阅读器的硬件设计*

边 文 俊，边 疆

（1.包头师范学院信息科学与技术学院，内蒙古 包头014030;2.包头国家稀土高新技术产业开发区招商局，内蒙古包头 014010）

基于PIC16F877的RFID阅读器的硬件设计*

边 文 俊1，边 疆2

（1.包头师范学院信息科学与技术学院，内蒙古 包头014030;2.包头国家稀土高新技术产业开发区招商局，内蒙古包头 014010）

本文对915MHz射频识别系统具有读取范围广、阅读速度快，是目前国内外RFID产品发展的重点做了介绍。并且选用了单片机PIC16F877作为主控制器，完成了基于PIC16F877的RFID阅读器的硬件设计。

915MHz;射频识别系统;PIC16F877;阅读器;设计

1 前言

RFID是射频识别技术的英文缩写，它是通信技术在自动识别领域中的运用实例，它通过射频信号自动识别目标对象并获取了有关的数据。近些年来随着计算机技术与通信技术的迅速发展，RFID系统的体积和功耗越来越小，价格越来越低，功能越来越强，操作越来越简便，RFID系统广泛地应用于各个领域，它起着越来越重要的作用，被誉为《带来一个先进的通信技术市场》。

915MHz射频识别系统可以解决很多传统识别技术上的缺陷，它的优势及特点主要表现在:快速扫描，体积小型化和外形多样化，抗污染能力和耐久性强。可重复使用，穿透性和无屏障阅读，数据的存储容量大，安全性好等特点。

2 RFID系统的基本特征与工作原理

射频识别作为非接触识别系统中最有潜力的分支技术，它已发展成为一个跨学科的应用领域，并综合了不同专业领域的技术，但是最基本的工作原理来自于古典的电磁学理论。

2.1 系统的基本特点

基本工作方式分为全双工、半双工和时序系统。在全双工与半双工系统中，电子标签是在阅读器接通高频电/磁场的情况下响应以后才能发送出去的。因为它与阅读器自身的信号相比，在电子标签接收天线上的信号是比较弱的，只有使用合适的传输方法，才能有效地区分电子标签的信号与阅读器的信号。在实际生活中，人们对电子标签到阅读器的数据传输常常使用阅读器发射频率的谐波与负载调制、或者使用有负载载波的负载调制。

时序方法则与之不同，阅读器的电/磁场短时间周期性地断开，这些间隙被电子标签识别出来以后，并用于电子标签到阅读器的数据传输过程。缺点就在于阅读器发送间断时，电子标签的能量供应立即被中断，这就必须通过接入足量的辅助电源来进行有效的补偿。

射频识别系统的电子标签的数据流量通常是在几千个字节之内，但有时也有例外，就是几个比特的电子标签，它有几个比特的数据容量就己经足够了，使阅读器发出来的两种信号“在电磁场中有电子标签”或者“在电磁场中无电子标签”都可以。例如图书借阅门禁系统的工作原理就是这样的。

2.2 能量的供应与耦合原理

射频识别系统根据耦合的方式不同其作用的原理也截然不同，最为常见的有以下两种方式:

（1）电感耦合:这种类型的系统是由单个芯片与外围电路元件所组成。电感耦合的标签为无源工作方式，故由阅读器来给芯片提供所需要的全部能量，高频的电磁场由阅读器的天线线圈来产生。并把标签到天线间的电磁场当作简单的交变磁场进行处理。

图1:电感耦合电子标签结构图

由上图可知:阅读器天线线圈发射磁场的一少部分磁力线穿过距阅读器天线线圈一定距离的标签天线线圈，标签的天线线圈和电容器C1组成了振荡回路，把它调到阅读器的发射频率即可。通过以上回路的谐振，电子标签线圈上的电压值达到最大，并将整流后的电源作为数据载体（即芯片）的电源，线圈上电压值的大小与电容器的大小和线圈的匝数有直接的关系。

另外将阅读器的天线线圈与一个电容器Cr进行并联，电容器大小的选择根据是与天线线圈的电感一起形成谐振频率而且和阅读器发射的频率相等的并联振荡回路，此回路的谐振使得阅读器天线线圈产生的电流值最大。

（2）反向耦合:根据雷达的工作原理可以得知，电磁波是由大小超过波长一半的物体所反射。

2.3 数据传输和调制原理

在全双工和半双工系统中，所有己知的数字调制方式都可用于从阅读器到标签的数据传输，并且与工作频率和耦合方式没有直接关系，而是借助于天线能量与电磁波的发送或接收的。

2.4 编码工作原理

从某种角度来看射频识别系统是一个数字通信系统，它的数据传输部分主要包含了三个功能模块，从阅读器到电子标签的传输方向分别是从阅读器中的信号编码和调制器、传输介质以及电子标签中的解调器和信号译码。

3 RFID的硬件系统设计

该设计中的硬件系统结构主要包括三个部分:即主控模块、LF发射模块和UHF接收模块，由主控模块来控制射频的接收与发送，因此可以实现命令的收发功能。

3.1 射频阅读器硬件系统功能简介

硬件系统分为主控模块电路和射频收发电路两大部分:

主控模块是由主控制器、复位电路、应用系统电路、电源电路和辅助电路等组成。主控制器是系统的核心部分，它主要完成接收用户的命令、对发送出去的信号进行编码并对接收来的信号进行解码，它与电子标签的通信过程是由射频收发模块来完成的，电源模块给硬件系统来提供稳定的电源。

图2:硬件系统功能框图

射频收发模块是由射频发射电路与射频接收电路两部分组成的，射频发射电路主要完成对基带信号的调制与发射，射频接收电路主要完成对载波信号的解调与接收。所有RFID系统的通信过程是由阅读器发起的。本文所设计的阅读器工作流程如下:

1）主控制器将基带码发送给射频发射模块，然后由射频发射模块完成对信号的调制与放大。

2）电子标签完成发射任务后，然后由天线接收射频信号并传送给射频接收模块。

3）射频接收模块完成对射频信号的解调，并且把基带数据发送到主控制器。

4）主控制器完成了基带解码任务后，根据提供的操作命令做出相应的操作。

3.2 主控模块的设计

本系统选用了PIC单片机16F877作为主控制器，它是由Microchip公司生产的一款高性能、低功耗和低成本的产品，它属于PICmicro系列单晶片的微处理器，可以反复烧录程序，适用于教学与新产品的开发。J3是单片机和PIC仿真器的接口，各种应用程序就是从在这里写入的。

图3:微控器与外围电路的原理图

3.3 射频收发电路的设计

RFID阅读器的射频电路部分设计采用了厂商提供的专用读写芯片，该专用芯片内部都嵌入了不同频段的RFID通信协议，比如13.56MHz频段下的相应产品。但是对于超高频频段目前还没有供应商推出专用的RFID射频读写芯片，这样就给阅读器的开发工作带来了相当大的困难，并且提高了开发的成本。超高频频段的射频读写模块的开发一般情况下可以使用这两个方案:一个是采用搭建的硬件电路实现射频信号的调制发送和解调接收，另一个是采用通用的无线射频模块来完成射频信号的调制解调工作。本文采用了前一种方法来完成射频信号的调制工作，采用后一种方法来完成射频信号的解调工作。

3.3.1 UHF接收模块电路的设计

在该设计中射频接收模块的芯片选用了MICRF005芯片，这种收发器带有一个发送和接收开关与一个用于占空比操作的关断模式，它可以广泛地应用在低功率设备的单向或双向无线连接中。所有的IF和解调后的数据滤波都能够在MICRF005芯片内部来实现，根本不需要外加滤波装置。它的额定滤波频带宽为300KHz，同时也可以支持高达115kbps的数据传输速率。因此芯片采用了“天线输入与数据输出”的工作模式。

图4:HUF接收模块原理图

3.3.2 LF发射模块电路的设计

本文采用了搭建射频电路的方法来完成125KHz信号的调制发送，电路的原理图如下所示:

图5:LF发射模块原理图

该基站发出了125kHz的低频信号，发出LF命令以后，基站通过UHF链路检查是否会有响应。125kHz发送器立即产生了一个基于微处理器的脉宽调制器输出的载波信号。电流驱动器TC4422放大器来自MCU的125kHz方波脉冲的功率TC4422的方波脉冲输出，经过由L3、C37、C38和C39组成了LC串联谐振电路以后变成了正弦波。L3是主要用于125kHzLF天线的空芯电感，当把LC串联谐振电路调谐到PWM信号的固有频率时，天线的辐射最大。在谐振频率处LC电路中的阻抗最小，这样就使得L3负载的电流最大，因此产生了非常强的电磁场工作环境。

4 结论

近些年来逐渐发展起的一种智能识别技术，已经在各个领域的应用也越来越广，特别是超高频射频识别系统具有非常广阔的应用前景。本文是在广泛查阅各种资料以后，深入了解了射频识别技术的工作原理与应用技术的基础上，设计出一款基于PIC16F877的RFID阅读器的硬件系统。

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［5］郎为民.射频识别（RFID）技术原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2006:24－30.

［6］王辛瑞，王勇，张林霞.基于RF的无线公交车报站系统设计.北京:国外电子测量技术［J］.2007，4:24－26.

Hardware Design of RFID Reader Based on PIC16F877

BIAN Wen － jun1，BIAN Jiang2
（1.Faculty of Information Science and Technology，Baotou Teachers College，Baotou 014030;2.Investment Promotion Bureau，Baotou National Rare Earth Hi－Tech Industrial Development Zone，Baotou 014010）

The paper introduces the 915MHz RFID（Radio Frequency Identification）system has wider reading range and faster speed，and nowadays，it has become a focal point in RFID products.Then selecting PIC16F877 SCM as main controller，accomplishing the hardware design of RFID reader based on PIC16F877.

915MHz;RFID systems;PIC16F877;Reader;Hardware Design

TP391.44

A

1004－1869（2014）02－0045－04

10.13388/j.cnki.ysajs.2014.02.012

2014－03－12

边文俊（1956－），男，内蒙古包头人，教授，研究方向:计算机网络与数据库开发。