一種射頻識別裝置的研制

摘要 設(shè)計了基于耦合線圈的射頻識別裝置。系統(tǒng)由閱讀器與應(yīng)答器兩部分組成：閱讀器采用PT2272、耦合線圈、發(fā)光二極管;應(yīng)答器采用PT2262、耦合線圈、撥碼開關(guān)等。閱讀器采用單電源供電，應(yīng)答器能量則全部來自耦合線圈;無線數(shù)據(jù)傳輸采用異步串口通信與負(fù)載調(diào)制等方法實現(xiàn)。閱讀器可識別靠近的應(yīng)答器并顯示識別結(jié)果，識別距離≥10 cm，顯示正確率≥95%，響應(yīng)時間≤1 s。

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification Technology，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其通過射頻信號自動識別目標(biāo)并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)?；镜腞FID系統(tǒng)由3部分組成：應(yīng)答器、閱讀器和天線。RFID技術(shù)近年來發(fā)展較快，已成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要一環(huán)。本文探討中低頻RFID系統(tǒng)的工作原理，并通過實驗的方式進(jìn)行了驗證。

本裝置的主要目的是將應(yīng)答器部分儲存的信息通過應(yīng)答器端的耦合線圈傳遞到閱讀器端的耦合線圈，再由閱讀器讀出存儲信息。應(yīng)答器采用線圈耦合無線供電，耦合線圈一方面?zhèn)鬟f信息，另一方面也充當(dāng)應(yīng)答器的能量源?？紤]到低功耗設(shè)計，功率放大器的效率必須較高，同時數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制、編碼等需盡可能地簡單且低功耗，此外還需保證閱讀器的識別靈敏度。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1和圖2所示。系統(tǒng)主要由閱讀器和應(yīng)答器組成，閱讀器將振蕩器的振蕩信號放大后經(jīng)耦合線圈輻射出去;閱讀器通過耦合線圈接收信號再交給解碼芯片解碼輸出應(yīng)答器卡號，并由發(fā)光二極管顯示。應(yīng)答器一方面從耦合線圈得到激勵信號，另一方面將所得信號經(jīng)整流和穩(wěn)壓后送入發(fā)射機(jī)為其提供能量。采用幅移鍵控(ASK)，即負(fù)載調(diào)制，其調(diào)制解調(diào)電路簡單，且功耗較低。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 閱讀器部分設(shè)計

采用晶振和非門的簡單振蕩電路，使晶振工作在其的并聯(lián)諧振模式，該電路如圖3所示。為了推動后級的丙類功放，要求前級有一定的電流和功率驅(qū)動能力，若插入中間放大器會增加額外的功率損耗，使效率降低，同時也增加了電路各級之間匹配的復(fù)雜程度，故采用兩個非門并聯(lián)的方式以增加驅(qū)動能力。

非線性丙類功率放大器的電流導(dǎo)通角90°，效率可達(dá)80%，通常作為發(fā)射機(jī)末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。為了不失真地放大信號，其負(fù)載必須是LC諧振回路。當(dāng)放大器的輸入信號為正弦波時，集電極的輸出電流為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓和電流。

由前面載波產(chǎn)生電路可知產(chǎn)生的信號有一定的驅(qū)動能力，可直接接入后極的功放進(jìn)行放大。為了便于后級匹配，將集電極饋電線圈兼作諧振回路，以抵消輸出電容的影響，其功放電路如圖4所示。

通過二極管的單向?qū)ㄐ约半娙莸某浞烹娦?yīng)進(jìn)行峰值檢波。二極管選擇檢波二極管，其主要是利用檢波二極管的結(jié)電容小，工作頻率高及方向電流小的特點。包絡(luò)檢波后的輸出為不規(guī)則的波形，且其峰值小，不便于檢波芯片的處理，故采用放大比較電路，再通過非門整形后將信號處理為二進(jìn)制碼型以便于解碼器的解碼。其電路如圖5所示。

對輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要要求包括：高效率的傳送能量、濾除高次諧波分量和阻抗變換3個方面，在設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)綜合考慮這3方面的要求。設(shè)計采用倒L型濾波型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，由于LC元件損耗功率微小，可高效地傳輸功率。同時，由于其對頻率的選擇作用，決定了該種電路的窄帶性質(zhì)。設(shè)計電路如圖6所示。

采用PT2262和PT2272進(jìn)行編解碼。PT2262最多可有6位(D0-D5)數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼和同步碼組成一個完整的碼字，地址碼和數(shù)據(jù)碼均使用寬度不同的脈沖來表示，兩個窄脈沖表示“0”;兩個寬脈沖表示“1”。在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，此時PT2262和PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有3種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地狀態(tài)，3*為6 561，所以地址編碼不重復(fù)度為6 561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用。解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，以確認(rèn)是否接受正確。與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出與PT2262相對應(yīng)的電平信號，即一旦地址匹配，PT2262與PT2272所有引腳的電平均相同。PT2262將數(shù)據(jù)位設(shè)置的并行數(shù)據(jù)以一定的電平方式串行輸出，控制應(yīng)答器部分的負(fù)載變化，以達(dá)到負(fù)載調(diào)制的作用。而通過負(fù)載調(diào)制并通過耦合線圈反饋到應(yīng)答部分的信號，經(jīng)包絡(luò)檢波及處理后為較規(guī)則的高低電平信號，PT2272可直接對其進(jìn)行解碼。編碼電路如圖7所示，解碼電路如圖8所示。兩個芯片的振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會變近甚至無法接收。

2.2 應(yīng)答器部分電路設(shè)計

采用基本的二極管搭建橋式全波整流電路，以獲取足夠高的電壓供給后級使用。其電路如圖9所示。

采用CD4066模擬開關(guān)，用PT2262編碼后的信號控制模擬開關(guān)開啟。當(dāng)模擬開關(guān)開通時，其等效阻值較小，相當(dāng)于次級線圈的反射阻抗較小，次級線圈的反射阻抗并聯(lián)到讀寫器線圈上，與其共同組成丙類功放的輸出阻抗，從而使諧振頻率偏移，丙類功放輸出失諧，且輸出電壓減小;而模擬開關(guān)關(guān)閉時模擬開關(guān)相當(dāng)于開路，次級線圈的反射阻抗過大，反射阻抗發(fā)生變化，使讀寫器線圈電壓升高。在讀寫器端可通過檢波方式檢測輸出電壓變化，從而得到應(yīng)答器的解調(diào)信號。電路設(shè)計如圖10所示。

3 系統(tǒng)測試

對于功率的測試可直接采用萬用表測量各測試點的電壓和回路電流，再由P=U×I計算出功率，算得最大消耗功率為365 mW。將兩耦合線圈從近及遠(yuǎn)的移動，觀察閱讀部分識別指示燈的亮滅，查看最遠(yuǎn)可識別的距離，然后用直尺測量此間距，得出最大識別距離為12 cm。利用雙蹤示波器，分別檢查編碼發(fā)射部分的發(fā)射信號和閱讀器部分的解碼信號，可明顯看出發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)延時的效果。通過測試指示燈的亮滅情況，記錄10 cm內(nèi)識別正確率為95%，響應(yīng)時間1 s。

4 結(jié)束語

本射頻識別裝置采用負(fù)載調(diào)制方式、電路簡單、工作可靠，且有效提高了能量的利用率。同時采用編、解碼芯片，使系統(tǒng)的功耗大幅降低，其芯片本身有較強(qiáng)的抗干擾能力，使系統(tǒng)可靠性顯著提高。閱讀器采用丙類功率放大電路，效率較高，在系統(tǒng)總功率的限制下仍可提供充足的功率給應(yīng)答器，使閱讀器與應(yīng)答器之間的通信距離得以保證?？傮w上，本裝置的識別距離可達(dá)10 cm，準(zhǔn)確率達(dá)到95%，且識別響應(yīng)時間1 s。