基于ATMEGA64L和TRH031M的RFID讀卡器設計

(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，可以推算出1、3點間的等效阻抗為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計的元件參數(shù)是正確的。

天線匹配電路設計

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。設計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。在本設計中采用直接匹配的天線配置。

計算天線線圈的電感

精確計算天線線圈的電感值在實踐上非常困難的，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為天線線圈直徑或導體的寬度，P為由天線線圈的技術而定的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現(xiàn)緊耦合，耦合系數(shù)最少為0.3(耦合系數(shù)為0時，即由于距離太遠或磁屏蔽導致完全去耦，耦合系數(shù)為1即全耦合)。因此天線線圈采用直徑為1mm的導線，設計為三圈的76mm×49mm長方形天線。此時，天線線圈產生的電感，由公式1可計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際的天線線圈電感值總是會稍有差異，在實際的PCB設計時，天線匹配網(wǎng)絡的元件的設計過程按照圖6進行調整。諧振電容由固定電容=150pF和可調電容CV2代替。通過調整可調電容CV2來使得天線的振蕩頻率為13.35MHz，通過調節(jié)C1使得天線的阻抗為500W，通過調整可調電容將每塊天線板的讀寫距離調整到最佳。

圖6天線匹配電路調整過程

天線匹配網(wǎng)絡仿真步驟如下:
① 設定特性阻抗Z。=500 W，輸入信號頻率為13.56MHz；
② 令負載ZL=0.00W+0.00jW，確定起始點1；
③ 在ZL上串聯(lián)電阻Rcoil=0.7W，得到點2；
④ 再在Rcoil上串聯(lián)電感L=0.85mH，得到點3；
⑤ 再并聯(lián)電容C2，得到點4；
⑥ 最后再串聯(lián)電容C1，得到點5。

圖7 天線匹配網(wǎng)絡電路的Smith圓圖

由此，得到如圖7所示的阻抗圓圖。圖中設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。

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

結語

基于ISO/IEC 15693標準，設計了基于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)。設計并實現(xiàn)了基于RFID技術的物流系統(tǒng)的軟硬件原型，經(jīng)過實際使用證明，系統(tǒng)的總體方案設計可行，其主要功能基本得以實現(xiàn),達到了系統(tǒng)的性能指標：設計的讀卡器系統(tǒng)對無源的15693協(xié)議的卡片的識別作用距離可達7.5cm。同時該系統(tǒng)能對ISO15693協(xié)議的卡片進行讀寫操作。系統(tǒng)運行正確，顯示準確，使用方便，具有較強的抗干擾性能。

參考文獻：

1.  游戰(zhàn)清、李蘇劍，無線封頻識別技術(RFID)理論與應用，電子工業(yè)出版社2004
2.  Klaus Finkenzeller著，陳大才譯，射頻識別(RFID)技術，電子工業(yè)出版社，2001
3.  劉培國、毛鈞杰，電波與天線，國防科技大學出版社，2004
4.  Foster P.R, Burberry R.A，Antenna problems in RFID systems, RFID Technology, 2001