基于耦合線圈的無線射頻識別裝置的實現

廖雪平　常　劍　趙小翠

摘要：電感耦合是實現能量和數據無線傳輸的物理基礎。首先介紹7基于耦合線圈的無線識別裝置的實現方法，該方法通過閱讀器線圈和應答器線圈之間的耦合來發(fā)送和接收數據。然后給出了無線識別的硬件實現電路及軟件設計流程圖。閱讀器和應答器由MCU控制。

關鍵詞：耦合線圈；無線識別；閱讀器；應答器

1引言

無線射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。無線射頻識別系統一般由兩個部分組成：應答器和閱讀器。當帶應答器的被識別物品通過其可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將應答器中的約定識別信息取出來，從而實現自動識別的功能。

本文給出一種實現簡單射頻識別系統的方式。閱讀器由普通功耗的單片機系統構成，應答器由一種低功耗的貼片單片機系統構成。單片機通過串口接收和發(fā)送數據，數據的校驗則通過程序實現。

2無線射頻識別裝置的工作原理

本無線識別裝置包括閱讀器和應答器兩部分。其系統方框圖如圖1所示。

閱讀器使用5V的直流電源供電。它主要由載波信號產生電路、信號放大電路、單片機及其LED顯示電路組成。應答器主要由整流濾波儲能電路、單片機及其接口電路組成。數據的發(fā)送和接收是通過Mc u之間的串口編程實現的。其工作流程如下：芯片CD4060產生一個500KHz的載波信號，線圈回路通過調整電感電容的參數使其發(fā)生諧振，從而發(fā)射一定能量的電磁波。閱讀器的線圈將產生的能量以電磁波的方式發(fā)送到一定的空間范圍內，形成閱讀器的有效閱讀區(qū)域。當應答器到達閱讀器有效閱讀區(qū)域中時，閱讀器通過電感耦合接收應答器發(fā)出的數據信號，并將信號通過放大電路進行放大，經單片機的串行口送入單片機。單片機通過程序，將數據通過LED顯示，從而完成數據的無線識別。

應答器根據能量來源可分為有源應答器和無源應答器。有源應答器的工作所需的能量由外電源提供。對于無源應答器來，其工作所需的能量來自于閱讀器發(fā)射的電磁波。本裝置的應答器可以由外電源供電，也可以由閱讀器發(fā)出的電磁波獲得能量。

3系統硬件設計

系統硬件主要包括閱讀器載波信號產生電路、閱讀器單片機系統電路、應答器整流濾波電路、應答器單片機系統電路四部分。

3、1閱讀器載波信號產生電路

閱讀器載波信號產生電路中，閱讀器使用芯片c D4060產生一個500KHz的信號給線圈，通過串聯電容c和電阻R使電路發(fā)生振蕩。當電容c為某個值時電路發(fā)生串聯諧振。線圈接收到信號后，通過放大電路將信號放大，再送入單片機處理。放大倍數可通過調節(jié)輸入端的匹配電阻來調節(jié)。

3、2閱讀器單片機系統電路

單片機系統是閱讀器的主要組成部分。數據的發(fā)送主要通過它來實現的。單片機采用結果和功能比較簡單的MS51的單片機。閱讀器通過單片機接收和發(fā)送數據，對接收到的數據進行校驗，若收到的數據有效，便通過LED顯示出來。由于應答器的置數是撥碼開關實現，其范圍為0到15，因此這里用四位LED來表示。

3、3應答器整流濾波電路

應答器由單片機及接口電路、耦合線圈、濾波儲能電路等構成。當應答器無外接電源時，線圈上獲得的耦合電壓通過電容C送入二極管半波整流電路，經濾波電容濾掉高頻信號，其兩端輸出的電壓既為應答器內需要的直流電源電壓；該電容同時又作為儲能器件以加強負載能力。

3、4應答器單片機系統電路

應答器單片機系統電路與閱讀器的類似。主要的區(qū)別是應答器單片機系統采用了STC89LE58低功耗單片機。在外圍電路上，它沒有LED顯示電路，但多了一個撥碼開關置數電路。與普通單片機相比，STC89LE58工作電

壓范圍較寬(2～3.8V)，功耗較低。這里選用4M晶振以減少單片機的工作頻率，從而降低了應答器的功耗。應答器在無源狀態(tài)下，選用低功耗的單片機顯得尤其重要。

4、系統軟件設計[4]

4、1閱讀器軟件設計

閱讀器的工作流程如下：閱讀器上電后，先對單片機進行初始化，并發(fā)送載波信號形成有效的閱讀區(qū)域；然后不斷檢測是否有中斷，當有串口中斷時，表明有應答器進入有效閱讀區(qū)域數據；閱讀器通過單片機串行通信的RXD端接收數據，當跳變檢測器檢測到RXD引腳的負跳變時，開始接收數據，并點亮一只LED；當一幀數據接收完畢，單片機對數據進行校驗，校驗為有效數據，將接收到的數據輸出到LED顯示；接收控制器向CPU申請中斷，開始接收下一幀數據。

4、2應答器軟件設計

應答器工作分為有源狀態(tài)和無源狀態(tài)。在無源狀態(tài)下，其工作流程為：應答器進入閱讀器的有效閱讀區(qū)域，通過線圈之間的電磁感應獲得電能并提供給單片機工作；單片機不斷掃描撥盤開關的數據，并按一定的波特率發(fā)送出去；在發(fā)送兩位數據的同時，單片機工作于等待方式以降低功耗；通過定時器中斷請求，單片機將退出等待方式，繼續(xù)發(fā)送下一位數據，直到發(fā)送完整個字節(jié)。單片機等待工作方式由電源控制寄存器PCON設定。

有源狀態(tài)時的應答器工作與無源狀態(tài)相同，只是應答器直接用兩節(jié)干電池供電。

5、測試方案與測試結果

測試方案主要包括對識別距離、識別時間、識別正確率三個方面進行測試。測試時，閱讀器以5V直流電源供電，應答器以兩節(jié)1.5V的干電池供電。耦合線圈為用直徑不大于1mm的漆包線密繞10圈的制成圓形空芯線圈。線圈直徑為6.8cm。

(1)識別距離D的測試。在頻率f＝500KHz，L＝20uH的條件下，通過改變匹配電容的大小，測出了閱讀器能識別應答器的距離D。測試結果表明：當匹配電容c=6000PF時，閱讀器能識別應答器的距離D最大。最大值為Dmax＝6.9cm。

(2)識別時間的測試。經過三十次測試，測試閱讀器識別應答器的時間T均在1s以內，響應非?？?。

(3)識別應答器預置編碼的正確率測試。改變應答器預置數的大小，分別測出觀察閱讀器所顯示的數據的正確性。不斷重復上述操作，測試結果如表1所示。

對識別距離D的測試結果表明，當匹配電容為6000PF時，能識別的距離最大，原因是此時閱讀器的振蕩支路發(fā)生LC諧振。在閱讀器的有效閱讀區(qū)域內，閱讀器識別應答器編碼的正確率達到了95％以上，這主要是因為在識別過程中增加了校驗，大大減少了識別的誤碼率。經過多次測量接收的數據，識別時間T均在1s以內，表明識別裝置的響應非常迅速。

參考文獻

1朱兵基于MSCl21l單片機的RFID接收系統設計，微計算機信息2006(12)：69～70

[2]丁元杰單片微機原理及應用[M]，第3版北京：機械工業(yè)出版社，2005

[3]清源計算機工作室Protel99SE原理圖與PCB及仿真[M]，E京：機械工業(yè)出版社,2006

[4]馬梅忠，單片機的c語言應用程序設計[M]，第3版，北京：北京航空航天大學出版社，2004