无线射频识别系统设计
eefocus 2022-09-28

 1 总体方案设计

无线射频识别(RFID)系统是由应答器、阅读器及应用支撑软件等几部分组成。应答器采用直流电源供电,它主要由编码电路、载波振荡电路、调制电路和发射电路构成。该方案简单易行,电路简单。但这种应答器必须采用电源供电,否则电路无法工作。

  将应答器看作有源应答器,在阅读器设计部分,将接收到的微弱电压信号进行放大,在利用解调电路取出有用信号,经过判别电路后再利用解码芯片,最后利用显示控制电路显示阅读器接收到的数据。所示该方案电路设计简单,容易硬件实施,可行性好。

  2 电路的理论分析与计算

  2.1 耦合线圈的匹配理论

  作为电磁能量的发射装置一耦合线圈,必须考虑其匹配问题。耦合线圈在无线识别系统的工作频率范围内表现为阻抗ZL,为了实现与系统的功率匹配,必须通过无源的匹配电路实现阻抗转换,使功率无反射地传输到耦合线圈。可以利用少量组件来实现相配的匹配电路。

  本设计使用了该匹配电路,实现了阻抗匹配。要确定匹配电路的参数,需要测量出线圈的电感LS和导线的欧姆电阻RLS。

  2.2 应答器的发射电路分析

  在应答器的发送器部分,首先由频率稳定的石英晶体振荡器产生所需的工作频率的信号。振荡器信号被馈送到由信号编码的基带信号控制的调制级。此基带信号就是键控的恒压信号,在此将二进制数据以串行码的形式表示出来。根据调制器的类型,执行对振荡器信号的ASK或FSK调制。此时基带信号会被直接馈送到频率合成器,再通过功率放大使调制后的信号达到所需电平,然后将调制后的放大信号输出耦合到初级线圈。

  2.3 阅读器接收电路分析

  阅读器接收电路由耦合线圈、放大器、解调器、解码器和显示部分组成。通过耦合线圈所得的电压信号经过放大器放大后,再经解调器解调得到载波信号,再经解码器解码和显示电路得到应答器所发送的数据。

  3 程序及电路的设计与计算

  3.1 阅读器电路的设计计算

  本次所设计的阅读器电路由耦合线圈、放大电路、解调电路、解码电路和单片机显示电路组成。耦合线圈及放大器电路设计如图4所示。为了使阅读器线圈的耦合效率高,可将通过该线圈并联可调电容,使其谐振频率和应答器的工作频率一致,使阅读器线圈工作在谐振状态,并联谐振回路的谐振频率可由式(1)计算:

  式中L为线圈的自感系数,测试得L=12.60μH,f为应答器的工作频率,为13.56MHz,由于具有并联电容器的阅读器线圈在谐振频率13.56-MHz激励时,电压明显上升,因此应答器的工作频率选为13.56MHz,理论计算出C=10.9pF。

  属于高频小信号放大器,S8050的fT典型值为200MHz,则电流放大倍数约为:

  3.2 应答器电路设计计算

  编码器设计由拨码开关和编码芯片VD5026构成,信息由拨码开关生成。


编码器电路

  载波振荡器采用74HC14构成的环行振荡器,功耗小,最小工作电压低,适合于3V电池供电。振荡器反馈中接入13.56MHz晶体滤波器,载波频率稳定度高。

  调制器由高速CMOS器件74HC00构成,实现ASK调制。调制波形如图所示。调制输出信号经反向后直接送谐振回路。


振幅键控信号波形

  3.3 程序设计

VD5027解码正确时,17管脚输出高电平,4位数据由管脚10、11、12、13输出。因此单片机设置为中断模式,VD5027的17管脚经反向后接在单片机的中断0入口处。主程序为休眠等待状态,当有应答器且解码正确时,响应中断服务子程序,显示相应的信息。其流程如图所示。


显示程序流程图

  3.4 总电路图设计

  根据前面的分析设计,在面包板上安装调试正确后,焊接印刷电路板,测试结果正确。

  4 识别装置工作流程图

  识别装置工作流程如图所示。此无线识别装置由手动输入信息,经编码器编码,采用ASK调制方式,载波为13.56MHz,经线圈耦合发送。阅读器将接收到的ASK信号放大后,经二极管包络检波,送至数字恢复电路后,再解码。解码正确时,由单片机显示结果。


识别装置工作流程图

  5 测试方案与测试结果

  5.1 电感线圈测量

  测量设备:QBG-1A型高频Q表。

  测试结果:电感线圈匝数N=10匝,电感线圈直径D=6.9cm,

  阅读器电感线圈Ll:12.73μH,应答器电感线圈Ll:12.60μH,

  分析:两电感线圈匝数、直径相同,但电感量不同,主要是电感由手工绕制,因此因松紧、间隙不同造成。

  5.2 编码器VD5026测量

  测试设备:数字示波器DS5062M。

  测试结果:输出为波形较好的方波信号。

  振荡频率f=22.872kHz,幅度Vpp=3.00V,Vmax=2.24V,Vmin=0.00V。

  5.3 载波振荡器测量

  测试设备:数字示波器DS5062M。

  测试结果:频率:13.56MHz幅度Vpp=1.40V

  波形失真分析:振荡器是由非门构成环行振荡器,有门延迟时间。LC器件能够存储能量,故LC振荡器波形较好。

  5.4 调制输出波形测量

  测试设备:数字示波器DS5062M。

  Vpp=4.12V,Vmax=2.24V,Vmin=-1.88V。

  5.5 识别测量

  5.5.1 误码测量

  测试方法:在应答器上通过拨码开关设置0000-1111,在阅读器上用4个发光二极管显示和一位数码管显示0-F。

  测试结果:应答器拨0000-1111,阅

读器相应显示0000-llll,数码管显示0~F,测试结果正确,误码率为0。

  5.5.2 传输时延测量

  测试工具:手机秒表

  测试方法:从应答器信息改变,到阅读器显示出的时间间隔。

  测试结果:0.79s<1s。

  5.5.3 识别距离测量

  测试工具:直尺。

  测试方法:改变应答器与阅读器间电感线圈的距离,并观察阅读器显示信息是否与应答器相同。

  测试结果:稳定传输距离5.5cm,最远识别距离8.3cm。

  5.6 功耗测量

  测试工具:天宇TY360万用表。

  测试方法:采用万用表测量电压U和电流I,则功耗P=UI。

  测试结果:a.阅读器:U=5V,I=50 mA,P=UI=5x50=250mW。b.应答器:U=3V,I=8.5mA,P=UI=3x8.5=25.5mW。

  通过以上测试数据可以看出设计是可行的。

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