概述

　　RFID" title="RFID">RFID（無線射頻識別技術(shù)）作為一種新興的非接觸自動識別技術(shù),，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),，可識別高速運(yùn)動物體，可同時(shí)識別多個標(biāo)簽,，可工作于惡劣環(huán)境,，操作快捷方便，在物流,、交通,、收費(fèi)、身份識別等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,。RFID技術(shù)在國外發(fā)展的很快,，RFID產(chǎn)品種類很多，像TI， MOTOROLA,，PHILIPS等世界著名廠商都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品,，并且它們的產(chǎn)品各有特點(diǎn),，自成系列,。目前，中國射頻識別技術(shù)及應(yīng)用處于初級發(fā)展階段,。RFID技術(shù)作為一種新興的自動識別技術(shù),，也已開始在國內(nèi)應(yīng)用，并且應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,。

　　本文把RFID技術(shù)應(yīng)用到物流系統(tǒng)中,，實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　為了增強(qiáng)讀寫模塊的通用性和擴(kuò)展性,，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想,。整個讀寫模塊由三大部分組成：

　　。主控MCU,，主要提供對射頻讀寫芯片的控制操作,。

　　。射頻讀寫芯片,，負(fù)責(zé)接收主控MCU的控制信息并完成與RFID卡的通信操作,。為了正常工作，射頻讀寫芯片須選用合適的并行接口與MCU連接,。而為了發(fā)送,、接收穩(wěn)定的高頻信號，射頻讀寫芯片要通過高頻濾波電路與天線部分連接,。

　　,。天線部分，包括線圈及匹配電路,。

　　在所設(shè)計(jì)的TRH031M" title="TRH031M">TRH031M評估板中,，主控MCU主要由微控制器ATMEGA64L" title="ATMEGA64L">ATMEGA64L和電源電路、復(fù)位電路,、晶振電路,、JTAG接口、RS-232串口接口組成,；同時(shí)增加了人機(jī)接口顯示電路,，采用EDM12864液晶顯示控制器；射頻讀寫芯片采用TRH031M多協(xié)議讀卡器" title="讀卡器">讀卡器芯片,。微控制器ATMEGA64L和TRH031M之間通過鎖存器SN74HC373N連接,。TRH031M評估板總體設(shè)計(jì)見圖1。

　　圖1 TRH031M評估板總體設(shè)計(jì)框圖

　　RFID接口電路

　　TRH031M是一款三合一的芯片，兼容ISO14443 Type A&B以及ISO15693協(xié)議,。TRH031M工作電壓范圍在2.7V-3.6V,，最大特點(diǎn)是功耗極低，芯片的封裝方式也特別適合用在手持機(jī)方面的產(chǎn)品上,。MCU對TRH031M的控制是通過對其內(nèi)部寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)的,。TRH031M內(nèi)部共有64個寄存器，分成8頁,，每頁8個寄存器,。

　　ATmega64L是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間,，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz,，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

　　ATmega64L通過TRH031M并行接口實(shí)現(xiàn)對TRH031M芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸,。Atmega64L對TRH031M的并行接口采用獨(dú)立的讀,、寫信號線連接，用兩個I/0引腳分別控制TRH031M的讀,、寫信號線,。為了節(jié)省I/O口，這里采用了地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式,，這樣就不需要專門的I/O口來控制地址線,。ATmega64L與TRH031M連接示意圖參見圖2。

　　圖2 ATmega64L與TRH031M連接示意圖

　　ATmega64L的PTA0～PTA7連接TRH031M的DATA0～DATA7,，作為數(shù)據(jù)/地址線,，傳輸數(shù)據(jù)及地址信息。由于采用數(shù)據(jù)/地址復(fù)用的連接方式,，Atmega64L 的PTA0～PTA7通過鎖存器SN74HC373DBLE與TRH031M的地址線引腳A0,，Al，A2連接,。

　　天線電路

　　TRH031M的天線部分組成,，主要分為發(fā)射和接收部分，發(fā)射部分又分為EMC低通濾波器,，天線匹配部分和天線線圈,。天線直接連接到TRH031M.，圖3為天線的結(jié)構(gòu)原理圖,。

　　圖3 天線結(jié)構(gòu)原理圖

　　由RTH031M的數(shù)據(jù)手冊可知,，芯片模擬部分（不含接收機(jī)部分）作為負(fù)載時(shí)，負(fù)載阻抗最高為15W,。這是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)置輸出阻抗為15W時(shí),，這時(shí)可以達(dá)到最低噪音,，最大增益和最大輸出功率。

　　天線的阻抗我們按500W進(jìn)行匹配,。

　　概述

　　RFID（無線射頻識別技術(shù)）作為一種新興的非接觸自動識別技術(shù),，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識別高速運(yùn)動物體,，可同時(shí)識別多個標(biāo)簽,，可工作于惡劣環(huán)境，操作快捷方便,，在物流,、交通,、收費(fèi),、身份識別等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。RFID技術(shù)在國外發(fā)展的很快,，RFID產(chǎn)品種類很多,，像TI， MOTOROLA,，PHILIPS等世界著名廠商都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品,，并且它們的產(chǎn)品各有特點(diǎn)，自成系列,。目前,，中國射頻識別技術(shù)及應(yīng)用處于初級發(fā)展階段。RFID技術(shù)作為一種新興的自動識別技術(shù),，也已開始在國內(nèi)應(yīng)用,，并且應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

　　本文把RFID技術(shù)應(yīng)用到物流系統(tǒng)中,，實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型,。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　為了增強(qiáng)讀寫模塊的通用性和擴(kuò)展性，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想,。整個讀寫模塊由三大部分組成：

　　,。主控MCU，主要提供對射頻讀寫芯片的控制操作,。

　　,。射頻讀寫芯片，負(fù)責(zé)接收主控MCU的控制信息并完成與RFID卡的通信操作,。為了正常工作,，射頻讀寫芯片須選用合適的并行接口與MCU連接。而為了發(fā)送,、接收穩(wěn)定的高頻信號,，射頻讀寫芯片要通過高頻濾波電路與天線部分連接。

　　。天線部分,，包括線圈及匹配電路,。

　　在所設(shè)計(jì)的TRH031M評估板中，主控MCU主要由微控制器ATMEGA64L和電源電路,、復(fù)位電路,、晶振電路、JTAG接口,、RS-232串口接口組成,；同時(shí)增加了人機(jī)接口顯示電路，采用EDM12864液晶顯示控制器,；射頻讀寫芯片采用TRH031M多協(xié)議讀卡器芯片,。微控制器ATMEGA64L和TRH031M之間通過鎖存器SN74HC373N連接。TRH031M評估板總體設(shè)計(jì)見圖1,。

　　圖1 TRH031M評估板總體設(shè)計(jì)框圖

　　RFID接口電路

　　TRH031M是一款三合一的芯片,，兼容ISO14443 Type A&B以及ISO15693協(xié)議。TRH031M工作電壓范圍在2.7V-3.6V,，最大特點(diǎn)是功耗極低,，芯片的封裝方式也特別適合用在手持機(jī)方面的產(chǎn)品上。MCU對TRH031M的控制是通過對其內(nèi)部寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)的,。TRH031M內(nèi)部共有64個寄存器,，分成8頁，每頁8個寄存器,。

　　ATmega64L是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器,。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz,，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾,。

　　ATmega64L通過TRH031M并行接口實(shí)現(xiàn)對TRH031M芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。Atmega64L對TRH031M的并行接口采用獨(dú)立的讀,、寫信號線連接,，用兩個I/0引腳分別控制TRH031M的讀、寫信號線,。為了節(jié)省I/O口,，這里采用了地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式，這樣就不需要專門的I/O口來控制地址線,。ATmega64L與TRH031M連接示意圖參見圖2,。

　　圖2 ATmega64L與TRH031M連接示意圖

　　ATmega64L的PTA0～PTA7連接TRH031M的DATA0～DATA7，作為數(shù)據(jù)/地址線,，傳輸數(shù)據(jù)及地址信息,。由于采用數(shù)據(jù)/地址復(fù)用的連接方式,，Atmega64L 的PTA0～PTA7通過鎖存器SN74HC373DBLE與TRH031M的地址線引腳A0，Al,，A2連接,。

　　天線電路

　　TRH031M的天線部分組成，主要分為發(fā)射和接收部分,，發(fā)射部分又分為EMC低通濾波器,，天線匹配部分和天線線圈。天線直接連接到TRH031M.,，圖3為天線的結(jié)構(gòu)原理圖,。

　　圖3 天線結(jié)構(gòu)原理圖

　　由RTH031M的數(shù)據(jù)手冊可知，芯片模擬部分（不含接收機(jī)部分）作為負(fù)載時(shí),，負(fù)載阻抗最高為15W,。這是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)置輸出阻抗為15W時(shí)，這時(shí)可以達(dá)到最低噪音,，最大增益和最大輸出功率,。

　　天線的阻抗我們按500W進(jìn)行匹配,。

　　EMC低通濾波器

　　TRH031M系統(tǒng)工作于13.56MHz頻率下,，這一頻率是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生。但是除了13.56MHz以外,，還會有可能以高次諧波的方式向外發(fā)射,。為了符合國際EMC 規(guī)定，13.56MHz 中的三次五次和高次諧波要被良好地抑制,，因此,，必須要有一個合適的濾波器濾波輸出信號以滿足此規(guī)定。為了減少信號線上的干擾,，使用了EMC高頻濾波電路,。EMC濾波電路和接收電路的原理圖見圖4。低通濾波器由L0和C0組成,，它們的值見表1,。

　　表1

　　圖4 EMC濾波電路和接收電路的原理圖

　　根據(jù)f=，當(dāng)我們選取=1mH時(shí),，則TRH031M的內(nèi)部接收電路利用卡的回應(yīng)信號在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來進(jìn)行工作,。采用芯片內(nèi)部產(chǎn)生的VMID作為RX引腳輸入。為了穩(wěn)定VMID的輸出,，必須在VMID和GND之間連接一個電容C4,。接收電路需要在RX和VMID之間連接一個分壓電路。另外,，建議在天線線圈和反壓器之間串連一個電容,。這個接收電路由R1,，R2，C3和C4組成,，數(shù)值示于表1,。

　　EMC濾波電路仿真

　　針對500W天線阻抗進(jìn)行EMC濾波電路的仿真：

　　① 設(shè)定特性阻抗Z,。=500W,，輸入信號頻率為13.56MHz；

　?、?令負(fù)載ZL=500W+0.00jW,，確定起始點(diǎn)1；

　?、?在ZL上并聯(lián)電容C0,，得到點(diǎn)2；

　?、?再在C0上串聯(lián)電感L0,，得到點(diǎn)3,；

　　應(yīng)使點(diǎn)3位于15W匹配點(diǎn),，若點(diǎn)3不能精確位于該點(diǎn),，則應(yīng)微調(diào)各元件參數(shù),。由圓圖的直觀性,，該調(diào)整不難實(shí)現(xiàn),。由此,，得到如圖5（a）所示的阻抗圓圖,。由Smith Chart得到C0 =136pF,，L0=1mH時(shí),，可以推算出1、3點(diǎn)間的等效阻抗為15.24+j 0.00W,，接近于負(fù)載阻抗15Ω,，這表明了我們所設(shè)計(jì)的元件參數(shù)是正確的。其誤差源于元件不可能無限精確,。

　?。╝）

　　（b）

　　圖5 EMC濾波電路Smith圓圖

　　由此,，得到如圖5（b）所示的阻抗圓圖,。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時(shí),，可以推算出1,、3點(diǎn)間的等效阻抗為500.42+j 50.47歐姆，接近于天線阻抗500歐姆,，這表明了前面我們所設(shè)計(jì)的元件參數(shù)是正確的,。

　　天線匹配電路設(shè)計(jì)

　　天線本身是一個低電阻的器件,，將天線連接到TRH031M需要一個匹配電路。設(shè)計(jì)天線的匹配電路有兩種方法：50W匹配天線和使用直接匹配的天線配置,。在本設(shè)計(jì)中采用直接匹配的天線配置,。

　　計(jì)算天線線圈的電感

　　精確計(jì)算天線線圈的電感值在實(shí)踐上非常困難的，通常用下面的公式估算：

　　L［nH］=2×L［cm］×（ln（L［mm］ / D［mm］-k）） （1）

　　其中L為天線線圈一圈的長度,，N為天線線圈圈數(shù),，一般為3圈，D為天線線圈直徑或?qū)w的寬度,，P為由天線線圈的技術(shù)而定的N的指數(shù)因子（見表2）,。

　　線圈電阻的估算

　　沒有阻抗分析儀的首次天線調(diào)諧的估算可以用下面的公式：

　　RANT=5RDC （2）

　　為了給RFID卡提供足夠的能量，天線與卡片間必須實(shí)現(xiàn)緊耦合,，耦合系數(shù)最少為0.3（耦合系數(shù)為0時(shí),，即由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦，耦合系數(shù)為1即全耦合）,。因此天線線圈采用直徑為1mm的導(dǎo)線,，設(shè)計(jì)為三圈的76mm×49mm長方形天線。此時(shí),，天線線圈產(chǎn)生的電感,，由公式1可計(jì)算出天線線圈的電感值約為L=1.7mH。天線電阻R=1.4W,。

　　由于每塊不同的天線電路板實(shí)際的天線線圈電感值總是會稍有差異,，在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，天線匹配網(wǎng)絡(luò)的元件的設(shè)計(jì)過程按照圖6進(jìn)行調(diào)整,。諧振電容由固定電容=150pF和可調(diào)電容CV2代替。通過調(diào)整可調(diào)電容CV2來使得天線的振蕩頻率為13.35MHz,，通過調(diào)節(jié)C1使得天線的阻抗為500W,，通過調(diào)整可調(diào)電容將每塊天線板的讀寫距離調(diào)整到最佳。

　　圖6天線匹配電路調(diào)整過程

　　天線匹配網(wǎng)絡(luò)仿真步驟如下：

　?、?設(shè)定特性阻抗Z,。=500 W，輸入信號頻率為13.56MHz,；

　?、?令負(fù)載ZL=0.00W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1,；

　?、?在ZL上串聯(lián)電阻Rcoil=0.7W，得到點(diǎn)2,；

　?、?再在Rcoil上串聯(lián)電感L=0.85mH,，得到點(diǎn)3；

　?、?再并聯(lián)電容C2,，得到點(diǎn)4；

　?、?最后再串聯(lián)電容C1,，得到點(diǎn)5。

　　圖7 天線匹配網(wǎng)絡(luò)電路的Smith圓圖

　　由此,，得到如圖7所示的阻抗圓圖,。圖中設(shè)Rcoil為0.7W，L為0.85微亨,，這樣天線就由Rcoil和L來等效代替,。由Smith Chart得到C2=163pF ， C1 =15pF,，由此可以推算出1,、5點(diǎn)間的等效阻抗為247.79+j11W，接近于對稱天線的一半阻抗250W,。

　　通過仿真得到的結(jié)果與筆者設(shè)計(jì)的元件參數(shù)基本一致,，這說明了所設(shè)計(jì)的天線電路是正確的。

　　結(jié)語

　　基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn),，設(shè)計(jì)了基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M讀卡芯片工作頻率為13.56MHZ的RFID讀寫器系統(tǒng),。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型，經(jīng)過實(shí)際使用證明,，系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)可行,，其主要功能基本得以實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了系統(tǒng)的性能指標(biāo)：設(shè)計(jì)的讀卡器系統(tǒng)對無源的15693協(xié)議的卡片的識別作用距離可達(dá)7.5cm,。同時(shí)該系統(tǒng)能對ISO15693協(xié)議的卡片進(jìn)行讀寫操作,。系統(tǒng)運(yùn)行正確，顯示準(zhǔn)確,，使用方便,，具有較強(qiáng)的抗干擾性能。