《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于RFID的無線識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于RFID的無線識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要: 引言射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),。射頻識(shí)別工作無須人工干預(yù),、非接觸,、閱讀速度快、無磨損,、不受環(huán)境影響,、壽命長、便于使用,。目前,,射頻識(shí)別技術(shù)在國
Abstract:
Key words :

引言

  射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),。射頻識(shí)別工作無須人工干預(yù),、非接觸、閱讀速度快,、無磨損,、不受環(huán)境影響、壽命長,、便于使用,。目前,射頻識(shí)別技術(shù)在國外發(fā)展非常迅速,,產(chǎn)品種類繁多,,已廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化,、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域,,如汽車、火車等交通監(jiān)控,;高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng),;停車場管理系統(tǒng);物品管理,;倉儲(chǔ)管理:車輛防盜等,。由于我國射頻識(shí)別技術(shù)起步較晚,除用于中國鐵路的車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)外,,僅限于射頻公交卡的應(yīng)用,。本文給出一種實(shí)現(xiàn)簡單射頻識(shí)別系統(tǒng)的方式。閱讀器和應(yīng)答器均包含在單片機(jī)控制系統(tǒng)中,,利用ASK調(diào)制與解調(diào)電路以及匹配網(wǎng)絡(luò)電路,,使整個(gè)系統(tǒng)的可識(shí)別有效距離約為8.3cm,有一定的使用價(jià)值,。

  1 總體方案設(shè)計(jì)

  無線射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)是由應(yīng)答器,、閱讀器
及應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。應(yīng)答器采用直流電源供電,,它主要由編碼電路,、載波振蕩電路,、調(diào)制電路和發(fā)射電路構(gòu)成。其原理如圖1所示,。該方案簡單易行,,電路簡單。但這種應(yīng)答器必須采用電源供電,,否則電路無法工作,。

 

  將應(yīng)答器看作有源應(yīng)答器,在閱讀器設(shè)計(jì)部分,,將接收到的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大,,在利用解調(diào)電路取出有用信號(hào),經(jīng)過判別電路后再利用解碼芯片,,最后利用顯示控制電路顯示閱讀器接收到的數(shù)據(jù),,其原理如圖2。所示該方案電路設(shè)計(jì)簡單,,容易硬件實(shí)施,,可行性好。

 

  2 電路的理論分析與計(jì)算

  2.1 耦合線圈的匹配理論

  作為電磁能量的發(fā)射裝置一耦合線圈,,必須考慮其匹配問題,。耦合線圈在無線識(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)與系統(tǒng)的功率匹配,,必須通過無源的匹配電路實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換,,使功率無反射地傳輸?shù)今詈暇€圈??梢岳蒙倭拷M件來實(shí)現(xiàn)相配的匹配電路,。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中有多種不同的13.56MHz的無線識(shí)別系統(tǒng)采用了如圖3的匹配電路,。

 

  本設(shè)計(jì)使用了該匹配電路,,實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。要確定匹配電路的參數(shù),,需要測量出線圈的電感LS和導(dǎo)線的歐姆電阻RLS,。

  2.2 應(yīng)答器的發(fā)射電路分析

  在應(yīng)答器的發(fā)送器部分,首先由頻率穩(wěn)定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生所需的工作頻率的信號(hào),。振蕩器信號(hào)被饋送到由信號(hào)編碼的基帶信號(hào)控制的調(diào)制級(jí),。此基帶信號(hào)就是鍵控的恒壓信號(hào),在此將二進(jìn)制數(shù)據(jù)以串行碼的形式表示出來,。根據(jù)調(diào)制器的類型,,執(zhí)行對(duì)振蕩器信號(hào)的ASK或FSK調(diào)制。此時(shí)基帶信號(hào)會(huì)被直接饋送到頻率合成器,,再通過功率放大使調(diào)制后的信號(hào)達(dá)到所需電平,,然后將調(diào)制后的放大信號(hào)輸出耦合到初級(jí)線圈,。

  2.3 閱讀器接收電路分析

  閱讀器接收電路由耦合線圈、放大器,、解調(diào)器,、解碼器和顯示部分組成。通過耦合線圈所得的電壓信號(hào)經(jīng)過放大器放大后,,再經(jīng)解調(diào)器解調(diào)得到載波信號(hào),,再經(jīng)解碼器解碼和顯示電路得到應(yīng)答器所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

  3 程序及電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算

  3.1 閱讀器電路的設(shè)計(jì)計(jì)算

  本次所設(shè)計(jì)的閱讀器電路由耦合線圈,、放大電路,、解調(diào)電路、解碼電路和單片機(jī)顯示電路組成,。耦合線圈及放大器電路設(shè)計(jì)如圖4所示,。為了使閱讀器線圈的耦合效率高,可將通過該線圈并聯(lián)可調(diào)電容,,使其諧振頻率和應(yīng)答器的工作頻率一致,,使閱讀器線圈工作在諧振狀態(tài),并聯(lián)諧振回路的諧振頻率可由式(1)計(jì)算:

 

  式中L為線圈的自感系數(shù),,測試得L=12.60μH,,f為應(yīng)答器的工作頻率,為13.56MHz,,由于具有并聯(lián)電容器的閱讀器線圈在諧振頻率13.56-MHz激勵(lì)時(shí),,電壓明顯上升,因此應(yīng)答器的工作頻率選為13.56MHz,,理論計(jì)算出C=10.9pF,。

 

  圖4屬于高頻小信號(hào)放大器,S8050的fT典型值為200MHz,,則電流放大倍數(shù)約為:,。數(shù)字恢復(fù)電路采用LM393,如圖5所示,,它的作用是將解調(diào)輸出模擬信號(hào)恢復(fù)為數(shù)字信號(hào),,以便解碼器識(shí)別。解碼,、單片機(jī)顯示控制電路如圖6所示,。

 

  3.2 應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)計(jì)算

  編碼器設(shè)計(jì)由撥碼開關(guān)和編碼芯片VD5026構(gòu)成,信息由撥碼開關(guān)生成,。電路圖如圖7所示,。

 

  載波振蕩器采用74HC14構(gòu)成的環(huán)行振蕩器,功耗小,,最小工作電壓低,,適合于3V電池供電,。振蕩器反饋中接入13.56MHz晶體濾波器,載波頻率穩(wěn)定度高,。

  調(diào)制器由高速CMOS器件74HC00構(gòu)成,,實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。調(diào)制波形如圖8所示,。調(diào)制輸出信號(hào)經(jīng)反向后直接送諧振回路,。

 3.3 程序設(shè)計(jì)

  VD5027解碼正確時(shí),17管腳輸出高電平,,4位數(shù)據(jù)由管腳10,、11、12,、13輸出,。因此單片機(jī)設(shè)置為中斷模式,VD5027的 17管腳經(jīng)反向后接在單片機(jī)的中斷0入口處,。主程序?yàn)樾菝叩却隣顟B(tài),,當(dāng)有應(yīng)答器且解碼正確時(shí),響應(yīng)中斷服務(wù)子程序,,顯示相應(yīng)的信息,。其流程如圖9所示。


3.4 總電路圖設(shè)計(jì)

  根據(jù)前面的分析設(shè)計(jì),,在面包板上安裝調(diào)試正確后,,焊接印刷電路板,測試結(jié)果正確,。


  4 識(shí)別裝置工作流程圖

  識(shí)別裝置工作流程如圖10所示,。此無線識(shí)別裝置由手動(dòng)輸入信息,經(jīng)編碼器編碼,,采用ASK調(diào)制方式,,載波為13.56MHz,經(jīng)線圈耦合發(fā)送,。閱讀器將接收到的ASK信號(hào)放大后,,經(jīng)二極管包絡(luò)檢波,送至數(shù)字恢復(fù)電路后,,再解碼。解碼正確時(shí),,由單片機(jī)顯示結(jié)果,。

 

  5 測試方案與測試結(jié)果

  5.1 電感線圈測量

  測量設(shè)備:QBG-1A型高頻Q表。

  測試結(jié)果:電感線圈匝數(shù)N=10匝,,電感線圈直徑D=6.9cm,,

  閱讀器電感線圈Ll:12.73μH,,應(yīng)答器電感線圈Ll:12.60μH,

  分析:兩電感線圈匝數(shù),、直徑相同,,但電感量不同,主要是電感由手工繞制,,因此因松緊,、間隙不同造成。

  5.2 編碼器VD5026測量

  測試設(shè)備:數(shù)字示波器DS5062M,。

  測試結(jié)果:輸出為波形較好的方波信號(hào),。

  振蕩頻率f=22.872kHz,幅度Vpp=3.00V,,Vmax=2.24V,,Vmin=0.00V。

  5.3 載波振蕩器測量

  測試設(shè)備:數(shù)字示波器DS5062M,。

  測試結(jié)果:頻率:13.56MHz幅度Vpp=1.40V

  波形失真分析:振蕩器是由非門構(gòu)成環(huán)行振蕩器,,有門延遲時(shí)間。LC器件能夠存儲(chǔ)能量,,故LC振蕩器波形較好,。

  5.4 調(diào)制輸出波形測量

  測試設(shè)備:數(shù)字示波器DS5062M。

  Vpp=4.12V,,Vmax=2.24V,,Vmin=-1.88V。

 

  5.5 識(shí)別測量

  5.5.1 誤碼測量

  測試方法:在應(yīng)答器上通過撥碼開關(guān)設(shè)置0000-1111,,在閱讀器上用4個(gè)發(fā)光二極管顯示和一位數(shù)碼管顯示0-F,。

  測試結(jié)果:應(yīng)答器撥0000-1111,閱讀器相應(yīng)顯示0000-llll,,數(shù)碼管顯示0~F,,測試結(jié)果正確,誤碼率為0,。

  5.5.2 傳輸時(shí)延測量

  測試工具:手機(jī)秒表

  測試方法:從應(yīng)答器信息改變,,到閱讀器顯示出的時(shí)間間隔。

  測試結(jié)果:0.79s<1s,。

  5.5.3 識(shí)別距離測量

  測試工具:直尺,。

  測試方法:改變應(yīng)答器與閱讀器間電感線圈的距離,并觀察閱讀器顯示信息是否與應(yīng)答器相同,。

  測試結(jié)果:穩(wěn)定傳輸距離5.5cm,,最遠(yuǎn)識(shí)別距離8.3cm。

  5.6 功耗測量

  測試工具:天宇TY360萬用表。

  測試方法:采用萬用表測量電壓U和電流I,,則功耗P=UI,。

  測試結(jié)果:a.閱讀器:U=5V,I=50 mA,,P=UI=5x50=250mW,。b.應(yīng)答器:U=3V,I=8.5mA,,P=UI=3x8.5=25.5mW,。

  通過以上測試數(shù)據(jù)可以看出設(shè)計(jì)是可行的。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。