P87LPC767的LF頻段中遠(yuǎn)距離RFID讀寫器系統(tǒng)設(shè)計*

，，

(海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，三亞 572022)

引 言

RFID射頻識別技術(shù)屬于自動識別技術(shù)中的一種，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的核心技術(shù)之一，其原理是通過無線射頻方式產(chǎn)生電磁場或者是交變磁場，然后對場內(nèi)的電子標(biāo)簽進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信[1-2]。常見的RFID系統(tǒng)中主要有低頻LF頻段系統(tǒng)、高頻HF頻段系統(tǒng)、超高頻UHF頻段系統(tǒng)和微波頻段系統(tǒng)，各頻段系統(tǒng)的特征不盡相同[3-4]。本文針對LF頻段RFID展開研究，該頻段RFID系統(tǒng)具備相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，電子標(biāo)簽的形式較為多樣，相關(guān)基站芯片的種類也較多，對常規(guī)建筑物、木材、石板等穿透力較強，但市面上該頻段RFID閱讀器識別距離普遍較短，閱讀器產(chǎn)生的磁場強度不夠，磁場分布不均，可能導(dǎo)致移動電子標(biāo)簽的“丟卡”現(xiàn)象，無法適用于中遠(yuǎn)距離的射頻識別需求[5-6]。基于此類問題，本文設(shè)計了一種大電流高電壓的射頻前端諧振電路，改進(jìn)了天線線纜材料，優(yōu)化了曼徹斯特解碼程序，綜合提升了RFID識別距離和解碼響應(yīng)速度。

1 讀寫器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

常見的LF頻段RFID讀寫器系統(tǒng)均基于電感耦合模型設(shè)計，該耦合方式類似于變壓器裝置，讀寫器上電后會產(chǎn)生高頻交變磁場，激勵信號頻率一般是125 kHz，如果特定頻段的電子標(biāo)簽進(jìn)入了磁場就能感應(yīng)磁場產(chǎn)生電壓，感應(yīng)電壓就可以用于電子標(biāo)簽內(nèi)部的工作[7-8]。讀寫器一般具備3個必要組成部分,即讀寫器接口、讀寫器主板和天線線圈，接口負(fù)責(zé)與后級設(shè)備連接，用于傳輸電子標(biāo)簽信息或者接收控制指令。讀寫器主板一般包含天線驅(qū)動電路、微控制器處理電路、信號處理與放大電路及電源電路。讀寫器天線線圈一般設(shè)計在產(chǎn)品外形框內(nèi)部，根據(jù)實際需求可變化外形及長度，多以矩形和圓形為主，用于產(chǎn)生交變磁場和耦合標(biāo)簽信號，也是影響距離參數(shù)的重點之一，基于此模型設(shè)計的讀寫器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 讀寫器結(jié)構(gòu)框圖

硬件電路中含有多個功能單元，重點設(shè)計了電源、高品質(zhì)因數(shù)的射頻前端電路、衰減補償?shù)臋z波放大電路以及聲光指示電路、單片機處理電路和讀寫器功能接口電路。讀寫器部分主要完成對LF頻段電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通信和讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)，具備調(diào)制、解調(diào)和解碼功能。

2 讀寫器硬件單元設(shè)計

2.1 讀寫器天線設(shè)計

實物天線采用了5圈外徑約為3.25 mm的滌綸聚氨酯漆包線繞制而成，每一圈滌綸聚氨酯漆包線內(nèi)部又是由600股線徑0.1 mm的滌綸聚氨酯漆包線合成的。實物設(shè)計的天線線圈把多股漆包線按計算后的矩形位置束合在一起，形成眾多圓周表面以降低集膚效應(yīng)，使高頻電阻下降而提高天線線圈的品質(zhì)因素。在設(shè)計時先選定矩形線圈外形，用理論計算討論線圈的最佳尺寸，再配合仿真工具，經(jīng)過多次繞制測試，也更換過多次天線材料，最終設(shè)計了一款長寬均為23 cm、天線感量為14.015 μH，天線損耗電阻值為0.056 2 Ω的天線線圈作為讀寫器天線，制作實物如圖2所示。

圖2 天線線圈實物圖

2.2 射頻前端電路設(shè)計

射頻前端電路中包含天線線圈接入部分、電容陣列部分、天線線圈信號功率放大部分和基頻濾除部分以及諧振信號單向整流電路部分，電路原理如圖3所示。左側(cè)部分的多圈圖形即為天線線圈，天線與C4、C5、C6、C23、C24、C25等CBB電容組成串聯(lián)諧振電路，中間的C15和C16是保留的電容焊盤，可以用來微調(diào)諧振參數(shù)。C6電容的非接地端接出信號分為兩路:第一路是將自舉放大后的諧振信號Net_A送至包絡(luò)檢波電路，第二路是經(jīng)過LC濾波電路去除基頻后再單向整流送至單片機處理單元中。U3、U4、U5和U6是4個MOS管組成了橋式驅(qū)動單元，P20、P18、P19和P1電氣網(wǎng)絡(luò)來自單片機處理單元，傳輸了單片機產(chǎn)生的互補式125 kHz驅(qū)動信號。

圖3 射頻前端電路原理圖

2.3 包絡(luò)檢波電路設(shè)計

包絡(luò)檢波是利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負(fù)載RC的充放電過程來提取調(diào)制信號的，經(jīng)過了包絡(luò)檢波變換后的信號與之前高頻調(diào)幅的信號是相似的，兩種信號的包絡(luò)變化是同步的，這種電路就是本章需要設(shè)計的射頻后級包絡(luò)檢波器。包絡(luò)檢波電路如圖4所示，該電路是一個典型的無源包絡(luò)檢波電路單元，讀寫器射頻前端輸出的調(diào)幅信號其實就是Net_A，該信號進(jìn)入了由二極管和相關(guān)阻容器件所構(gòu)成的無源包絡(luò)檢波電路單元中，D7、D6、D10、D11就是檢波二極管，信號經(jīng)過這些二極管的時候負(fù)半周的信號被消去，只剩下了正半周信號能過通過電路到達(dá)后級，這時如果利用低通濾波器對每個信號周期取平均值，就可以提取得到射頻信號中混雜的原始基帶低頻信號。

這個過程利用了包絡(luò)檢波電路的解調(diào)和檢波功能。在原理圖中，Net_A電氣網(wǎng)絡(luò)為射頻前端網(wǎng)絡(luò)的輸出信號，Net_B電氣網(wǎng)絡(luò)為圖4中包絡(luò)檢波后的信號輸出，P14連接到了單片機處理單元，作為信號反饋和天線諧振狀態(tài)檢測。

圖4 包絡(luò)檢波電路原理圖

2.4 讀寫器主控制器電路設(shè)計

圖5 P87LPC767單片機核心電路原理圖

讀寫器主控制器單元部分采用了Philips公司生產(chǎn)的P87LPC767單片機，該單片機核心主要負(fù)責(zé)天線線圈射頻前端電路的諧振狀態(tài)檢測，以及接收數(shù)據(jù)的解碼和與第一個單片機單元的數(shù)據(jù)交互，其電路原理圖如圖5所示。電路中包含了基本的信號放大電路和單片機控制器核心電路，U11為單片機芯片P87LPC767，電氣網(wǎng)絡(luò)P4為U11單片機芯片的復(fù)位信號輸出網(wǎng)絡(luò)，該復(fù)位電路既能上電自動為U11單片機芯片提供復(fù)位操作，又可以根據(jù)用戶的實際情況采用手動方式對U11單片機芯片P87LPC767進(jìn)行復(fù)位操作。U12、U13、U14和U15主要是對X1X和X2X網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行二次放大，便于單片機檢測射頻前端狀態(tài)。其中，619和718均是國產(chǎn)三極管，BAV99W是二極管。

3 讀寫器軟件設(shè)計

本文設(shè)計和實現(xiàn)的LF頻段RFID讀寫器軟件部分主要實現(xiàn)的功能包括：基于單片機處理單元產(chǎn)生射頻125kHz信號、產(chǎn)生無源蜂鳴器激勵信號、檢測射頻前端諧振電路狀態(tài)、解析EM4100芯片的Manchester編碼、封裝數(shù)據(jù)幀格式以及初始化串口資源向后臺發(fā)送電子標(biāo)簽信息。軟件部分的設(shè)計重點在Manchester編碼上。

EM4100芯片的內(nèi)部已經(jīng)固化了一組64位數(shù)據(jù)，64位數(shù)據(jù)中包含了8位版本號和廠家的編號，剩下的32位數(shù)據(jù)就是芯片電子標(biāo)簽的ID序列了，芯片內(nèi)部固化的64位數(shù)據(jù)開頭是由9個“1”組成的同步頭，這個同步頭非常重要，在解碼程序中就需要檢測同步頭以獲得有效和完整的數(shù)據(jù)編碼[9-10]。同步頭之后是10組4位的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，最前的兩組一共是8位，表示版本號和廠家編號，后面的8組就是ID序列，每組4位數(shù)據(jù)后面還有偶校驗位。最后一組4位數(shù)據(jù)是對前面的10組數(shù)據(jù)各列的偶校驗結(jié)果。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入天線場獲得能量后就會連續(xù)傳出數(shù)據(jù)編碼到讀寫器。

按照Manchester編碼的組成規(guī)律、EM4100信號數(shù)據(jù)的同步頭規(guī)則以及每一位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間，就可以在程序上構(gòu)建解碼算法，可以用單片機的定時計數(shù)器捕獲外部編碼數(shù)據(jù)，然后檢測波形的跳變邊沿，判斷每位的時間寬度和邊沿跳變的時間就能得到編碼所對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和組合，最后得到有效的電子標(biāo)簽ID卡號序列。

在程序的實現(xiàn)上采用了軟件精確延時方法，編寫了Delay384μs()延時函數(shù)提供精確的384 μs延時間隔，該時間間隔只要在256～512 μs之間即可，不能超過512 μs，因為傳輸1位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間不超過512 μs，必須在其持續(xù)范圍內(nèi)去檢測。利用C語言編寫的Manchester編碼延時法解碼核心代碼如下：

ulong GetRead_Card(){ //讀取卡號功能函數(shù)

{

while(1)//進(jìn)入死循環(huán)

{

if(TOUT==10)return 0;

//判斷10次同步頭失敗后返回“0”

else TOUT++;Find_NO=0;

while(ManchesterCode==0)

//等待64位序列中的“1”

{

if(Finde_NO==TIME_OF)break;else Finde_NO++;

}

if(Finde_NO==100)continue;

//結(jié)束本次主循環(huán)

else Finde_NO=0;

delay ();

//延時等待下一個碼元數(shù)據(jù)

if(ManchesterCode)

//確定高電平起始頭

{

for(i=0;i<8;i++)

//限時判斷起始位有效性

{ Finde_NO=0;

while(ManchesterCode)

{

if(Finde_NO==TIME_OF)

//時間溢出則退出

{ERROR_bit=1;break;}

else Finde_NO++;

}

delay(); //延時等待下一個碼元數(shù)據(jù)

if(ManchesterCode&&ERROR_bit==0);

//判定下一位電平及時間溢出情況

else break;

}

if(ERROR_bit) //時間溢出，退出本次主循環(huán)

{ERROR_bit=0;continue;}else;

if(i==8) //開始接收起始位之后數(shù)據(jù)

{

ERROR_bit=0;Finde_NO=0;

while(ManchesterCode)

{

if(Finde_NO==TIME_OF)

//時間溢出錯誤

{ERROR_bit=0;break;}else Finde_NO++;

}

if(ERROR_bit)

//若數(shù)據(jù)錯誤則退出本次主循環(huán)

{ERROR_bit=0;continue;}else;

何必這樣的奔逃呢，前路也是在下著雨，張開我的傘來的時候，我這樣漫想著。不覺已走過了天潼路口。大街上浩浩蕩蕩地降著雨，真是一個偉觀，除了間或有幾輛摩托車，連續(xù)地沖破了雨仍舊鉆進(jìn)了雨中地疾馳過去之外，電車和人力車全不看見。我奇怪它們都躲到什么地方去了。至于人，行走著的幾乎是沒有，但在店鋪的檐下或蔽陰下是可以一團(tuán)一團(tuán)地看得見，有傘的和無傘的，有雨衣的和無雨衣的，全都聚集著，用嫌厭的眼望著這奈何不得的雨。我不懂他們這些雨具是為了怎樣的天氣而買的。

COLP[0]=0；COLP[1]=0；COLP[2]=0；

COLP[3]=0；COLP[4]=0; //清零列校驗

}

}

}

在Manchester編碼的解碼核心代碼中，i變量是無符號字符型用于表示起始位的計數(shù)值，F(xiàn)inde_NO是時間溢出的計數(shù)值，ERROR_bit是時間溢出標(biāo)志，row和col為行列變量，ROWP為行校驗變量，COLP[5]為列校驗變量，data是數(shù)據(jù)變量，temp是無符號長整型變量，用來裝載卡號，TOUT是搜索次數(shù)變量。

4 讀寫器實物設(shè)計及測試

讀寫器實物設(shè)計包括PCB設(shè)計及器件裝貼，讀寫器實物如圖6所示。在設(shè)計之中,實物電源線不能連接成環(huán)路，在設(shè)計電源模塊電路時反復(fù)檢查了電源網(wǎng)絡(luò)，確保了電源非環(huán)路布線，同時還對電源線進(jìn)行了加粗處理。單片機的串口通信線路避開了射頻125 kHz的信號線路和外圍石英晶體振蕩器線路，以防止信號打擾導(dǎo)致的串口亂碼。對PCB中單片機處理模塊進(jìn)行了敷銅，以確保單片機處理核心不會收到干擾。盡量縮短了單片機射頻125 kHz的信號線路到達(dá)2SK2962功放電路的走線，在走線過程中避免接近MCP6002運算放大器電路。

圖6 LF頻段RFID讀寫器實物

在實際的測試中，隨機對5套成品LF頻段RFID讀寫器進(jìn)行了射頻距離測量，射頻距離的長短都不一致，但是大都滿足70～100 cm的范圍，經(jīng)過環(huán)境測試和參數(shù)分析可以得出導(dǎo)致差異的原因，其原因主要是因為射頻前端電路中元器件的性能差異及手工繞制天線線圈的寄生參數(shù)影響。

在諧振電路中采用的諧振電容容值精度是10～20%，這個精度范圍內(nèi)對諧振頻率影響較大。另外手工繞制的天線線圈測試得到的參數(shù)也有較大差異，在實測過程中只能進(jìn)行挑選和讀寫器匹配后才能配套使用。

將讀寫器與上位機聯(lián)調(diào)時，在串口調(diào)試助手的串口數(shù)據(jù)接收窗口中有6次數(shù)據(jù)的接收過程，前三次刷卡時采用了十六進(jìn)制數(shù)據(jù)顯示格式，接收到的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)串為(02 30 31 30 42 37 44 31 35 42 44 0D 0A 03)H，后面的三次刷卡是采用了ACSII碼數(shù)據(jù)顯示格式。通過對不同格式的接收數(shù)據(jù)的比對可以發(fā)現(xiàn)，讀卡6次所接收到的數(shù)據(jù)在各自格式下均是相同的。實測中使用的電子標(biāo)簽實物及串口調(diào)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 LF頻段電子標(biāo)簽實物及實測數(shù)據(jù)

結(jié) 語

本文設(shè)計和實現(xiàn)了一款LF頻段RFID讀寫器，使用無源電子標(biāo)簽的射頻識別距離可達(dá)70～100 cm，該讀寫器適合于中遠(yuǎn)距離應(yīng)用場合。設(shè)計采用了Philips半導(dǎo)體公司的P87LPC767單片機作為核心控制器,構(gòu)建了射頻數(shù)據(jù)處理單元，二次開發(fā)者可以將本系統(tǒng)進(jìn)行功能裁剪或者增加相關(guān)外設(shè),構(gòu)成多接口數(shù)據(jù)交互的嵌入式組件。

龍順宇(碩士)，主要研究方向為嵌入式應(yīng)用、單片機智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。