小型無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

當(dāng)今各種智能化控制系統(tǒng)離不開(kāi)數(shù)據(jù)信息的傳輸。其中，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是區(qū)別于傳統(tǒng)有線傳輸?shù)男滦蛡鬏敺绞?，系統(tǒng)不需要傳輸線纜且成本低廉。為單片機(jī)匹配相應(yīng)的無(wú)線通信接口電路，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。目前常用的無(wú)線通信接口電路，是以無(wú)線收發(fā)芯片為核心的電路。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)中采取必要的抗干擾措施和識(shí)別措施，可以有效地避免干擾，達(dá)到滿意的通信效果。文中以89c2051單片機(jī)為基礎(chǔ)，進(jìn)行無(wú)線通信以識(shí)別非接觸式無(wú)線識(shí)別裝置，其應(yīng)用可以嵌入到電業(yè)管理或燃?xì)馐召M(fèi)等系統(tǒng)中，也可作為一個(gè)獨(dú)立讀卡器對(duì)IC卡進(jìn)行操作，配合不同軟件可以應(yīng)用于不同行業(yè)。

1　系統(tǒng)的工作原理

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為閱讀器和應(yīng)答器的核心、這兩部分主要使用LM567。本系統(tǒng)是一個(gè)小型的無(wú)線識(shí)別器件最大操作距離達(dá)70mm。系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為射頻區(qū)和接口區(qū)：射頻區(qū)內(nèi)含調(diào)制解調(diào)器和電源供電電路，直接與天線連接;接口區(qū)有與單片機(jī)相連的端口，還具有與射頻區(qū)相連的收/發(fā)器、可以用單片機(jī)程序存放3套寄存器初始化文件的E2PROM以及進(jìn)行3次數(shù)據(jù)證實(shí)防錯(cuò)誤機(jī)制、防碰撞處理的防碰撞模塊和控制單元。這是閱讀器跟應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心模塊，也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2　硬件電路的設(shè)計(jì)

無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)裝置由閱讀器、應(yīng)答器與耦合線圈(即天線)3部分組成。

2.1　閱讀器的設(shè)計(jì)

閱讀器基本電路，如圖1所示。當(dāng)有應(yīng)答器靠近閱讀器時(shí)，閱讀器內(nèi)的天線組成了一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，其頻率與應(yīng)答器的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使高頻信號(hào)流入閱讀器中用于解調(diào)的LM567的輸入端。輸出的解調(diào)信號(hào)與上述單片機(jī)編碼信號(hào)反向，最后經(jīng)過(guò)單片機(jī)譯碼輸出顯示。

LM567具有調(diào)制和解調(diào)雙重功能。其調(diào)解出來(lái)的信號(hào)可直接被單片機(jī)識(shí)別，并由單片機(jī)發(fā)送給數(shù)碼管并顯示。

圖1　閱讀器

2.2　應(yīng)答器的設(shè)計(jì)

應(yīng)答器工作時(shí)，通過(guò)89c2051單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，然后送往LM567被調(diào)制到高頻載波上，與其輸出端相連的天線線圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波(145kHz)，當(dāng)有應(yīng)答器靠近閱讀器時(shí)，閱讀器識(shí)別并顯示。應(yīng)答器硬件電路如圖2所示。

圖2

2.3　耦合線圈(即天線)的設(shè)計(jì)

天線是一種轉(zhuǎn)能器。發(fā)射時(shí)，把發(fā)射機(jī)的高頻電流轉(zhuǎn)化為空間電磁波;接收時(shí)，把從空間截獲的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送入接收機(jī)。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的小功率、短距離無(wú)線收發(fā)設(shè)備，天線設(shè)計(jì)是其中的重要部分。良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達(dá)到最佳狀態(tài)。天線的種類很多，不同的應(yīng)用需要不同的天線。在小功率、短距離的RFID系統(tǒng)中，需要一個(gè)通信可靠、價(jià)格低廉的天線系統(tǒng)，耦合線圈環(huán)型天線是比較常用的一種。

2.3.1　分析環(huán)型天線的等效電路

環(huán)型天線激勵(lì)點(diǎn)的電壓和電流由環(huán)的輸入阻抗聯(lián)系起來(lái)，即V=ZI0。為了評(píng)估用于天線諧振的電容Z′in，環(huán)型天線的輸入阻抗必須確定;同樣，為了評(píng)估天線效率和輻射阻抗，環(huán)型導(dǎo)體內(nèi)的歐姆損耗和其他歐姆損耗也必須確定。

2.3.2　天線設(shè)計(jì)參數(shù)

環(huán)型天線輸入阻抗Zin可由下式給出：

式中，RR為輻射電阻;RL為環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻;RX為額外歐姆損耗電阻;LA為環(huán)型天線電感;L1為環(huán)型導(dǎo)體電感。

環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻為：

式中，l為金屬環(huán)形導(dǎo)體長(zhǎng)度，p為環(huán)形導(dǎo)體交叉部分的周長(zhǎng)，RS為導(dǎo)體表面電阻，u0為4π×10-7H/m;σ為導(dǎo)體電導(dǎo)率;RL的單位為Ω。額外歐姆損耗電阻主要來(lái)自電容CP上的等效串聯(lián)電阻：

2.4　帶有天線的閱讀器的等效電路

產(chǎn)生交變磁場(chǎng)所需的導(dǎo)體回路由線圈L1表示，串聯(lián)電阻R1相當(dāng)于導(dǎo)體回路L1中線繞電阻的歐姆損耗。為了當(dāng)閱讀器的工作頻率為fTX時(shí)在導(dǎo)體回路L1中獲得最大電流，從而產(chǎn)生最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H，經(jīng)電容器C1串聯(lián)形成諧振頻率fRES=fTX的串聯(lián)諧振電路。

閱讀器的發(fā)送器出口產(chǎn)生高頻電壓u2，接收器直接與天線線圈L1連接。串聯(lián)諧振電路的總阻抗Z1為各項(xiàng)單阻抗之和。

2.5　天線連接的匹配研究

根據(jù)閱讀器使用的頻率范圍，使用不同的方法將天線線圈連接到閱讀器發(fā)送器的輸出端。通過(guò)功率匹配將天線線圈直接連接功率輸出級(jí)，或通過(guò)同軸電纜饋送到天線線圈。天線線圈L1在射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為阻抗ZL。為了實(shí)現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，必須通過(guò)無(wú)源的匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω，然后通過(guò)同軸電纜即可幾乎無(wú)損失且無(wú)輻射地將此功率從閱讀器末級(jí)傳送到匹配電路。