RFID詳細(xì)設(shè)計(jì)

1、項(xiàng)目名稱：簡易的RFID識別系統(tǒng)中國民航大學(xué)電子信息工程CDIO初級項(xiàng)目簡易的RFID識別系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告（總體）總 15頁第 1 頁編號1、設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)主要是基于RFID的簡單射頻識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于51單片機(jī)控制，以無線通信為基礎(chǔ)。該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：識別時(shí)，無需接觸；識別時(shí)間短；錯誤識別的概率相對較??；有良好的擴(kuò)展性。這種系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展后可用于停車場、交通道路管理、智能物業(yè)管理等多種場合。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分閱讀器、應(yīng)答器兩部分。各部分電路為：閱讀器：1、電源2、電源控制器3、本振信號源4、功率放大放大電路5、包絡(luò)檢波電路6、帶通濾波 電路7、方波整形電路8、電壓比較電路 9、51單片機(jī)控制

2、電路。 應(yīng)答器：1、電源：2、撥碼電路 3、編碼電路：4、加密電路 5、調(diào)制電路 6、功放電路原理概述：電路主要由閱讀器與應(yīng)答器兩部分構(gòu)成。閱讀器是可以利用射頻技術(shù)來完成讀取電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，它通過發(fā)射信號喚醒和傳送命令給電子標(biāo)簽，并接受標(biāo)簽返回的信號，在經(jīng)過對信號進(jìn)行初步過濾和處理之后，將信息傳送給中央處理單元處理得到有用的數(shù)據(jù)（并顯示出來）,從而完成對電子標(biāo)簽信息的獲取與解析。閱讀器的工作頻率決定了RFID系統(tǒng)的工作頻率，另外閱讀器的發(fā)射頻率又決定了識別距離的遠(yuǎn)近。應(yīng)答器主要作為信息的載體儲存了不同的信息，應(yīng)答器接受讀寫器的命令后開始工作，將存儲的信息編碼、加密、調(diào)制、放大后通過天線耦合

3、到初級線圈，完成信息的傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 射頻識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成閱讀器：1、電源：給閱讀器個各部分電路供電；2、電源控制器：控制發(fā)射端的接通與關(guān)閉； 3、本振信號源：為檢波與信號傳輸提供振蕩信號；4、放大電路：增加信號功率便于傳輸與處理； 5、包絡(luò)檢波電路：將調(diào)制信號解調(diào)得到有用的信號；6、帶通濾波電路：濾除噪聲和消除載波； 7、方波整形電路：將得到的信號方波平滑整形；電壓比較電路：使方波更加適合數(shù)字處理； 8、51單片機(jī)發(fā)送信號發(fā)射命令和對信號進(jìn)行解碼，控制LED顯示應(yīng)答器：1、電源：給應(yīng)答器的撥碼電路中的撥碼開關(guān)供電；2、撥碼電路：不同撥碼的組合形成不同的信息； 3、編

4、碼電路：將撥碼電路產(chǎn)生的輸入信號進(jìn)行編碼；4、加密電路：對編碼的信號進(jìn)行加密； 5、調(diào)制電路：對本振與輸入信號進(jìn)行調(diào)制，使用與門或與非門； 6、功放電路：放大調(diào)制信號，使其符合天線耦合傳輸?shù)男枰?、 各分系統(tǒng)或部件的技術(shù)、質(zhì)量指標(biāo)要求閱讀器部分電路設(shè)計(jì)：1、 本源振蕩電路：為信號傳輸提供振蕩信號；本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)諧振c-b型晶體振蕩電路（也稱皮爾斯電路）晶體振蕩電路中，把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路之中，作為一感性元件，與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。由于石英晶體存在感性和容性之分，且在感性榮性之間有一條極陡峭的感抗曲線，而振蕩器又被限定在此頻率范圍內(nèi)工作。該電抗曲線對頻

5、率有極大的變化速度，亦即石英晶體在這頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線。所以他具有很高的穩(wěn)頻能力，或者說具有很高的電 感補(bǔ)償能力。因此選用c-b型皮爾斯電路進(jìn)行制作。 為信號傳輸提供振蕩信號；本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)諧振c-b型晶體振蕩電路（也稱皮爾斯電路）。 設(shè)計(jì)理由：具有很高的穩(wěn)頻能力（或者說具 有很高的電感補(bǔ)償能力），因此可產(chǎn)生更加穩(wěn)定的頻率。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1、振蕩頻率：。=13.56MHz 2、工作環(huán)境溫 度范圍：-40+85 3、電源電壓：+12V 4、輸出電壓：1V 主要參數(shù)： 三極管工作在放大區(qū)，因此： 反饋系數(shù)：F=C3/C1 圖2 皮爾斯電路 石英晶體選取：HC_49/U_13.5

6、6MHz晶振 工作原理：晶體振蕩電路中，把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路之中作為一感性元件，與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。由于石英晶體存在感性和容性之分， 且在感性容性之間有一條 極陡峭的感抗曲線，而振蕩器又被限定在此頻率范圍內(nèi)工作。該電抗曲線對頻率有極大的變化速度，亦即石英晶體在這頻率范圍內(nèi)具有極陡峭的相頻特性曲線。所以他具有很高的穩(wěn)頻能力，或者說具 有很高的電 感補(bǔ)償能力。因此選用c-b型皮爾斯電路進(jìn)行制作。 原 理 圖 二、功率放大電路：增加信號功率便于傳輸與處理；本設(shè)計(jì)采用丙類功率放大電路 確定功放的工作狀態(tài)：丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)

7、。因欠壓狀態(tài)效率低，而過壓狀態(tài)嚴(yán)重失真，諧波分量大，為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，一般選用臨界狀態(tài)。  主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：1、輸出功率Po125mW 2、諧振頻率f=13.56MHz 3、>65%； 4、增益放大倍數(shù)50 主要參數(shù)計(jì)算： L=41.1nH C=3.3nF 三級管工作在臨界狀態(tài) 圖3 丙類功率放大器 丙類功放c=60°90°，這里為方便計(jì)算，設(shè)c=70°?？傻眉姌O電流余弦脈沖直流ICO系數(shù)0(70°)=0.25，集電極電流余弦脈沖基波ICM1系數(shù)1(70°)=0.44。設(shè)功放的輸出功率為0.5W。  （1

8、）集電極參數(shù)計(jì)算 集電極電流脈沖的直流分量：ICO=ICmax*0(c)=216*0.25=54mA 電源提供的直流功率：PD=VCCICO=12V*54mA= 0.65w      集電極的耗散功率：PC=PD-PO=0.65w-0.5w=0.15w 集電極的效率：=PO/PD=0.5/0.65=77%  （2）基極參數(shù)計(jì)算 基極基波電流的振幅：IB1m=IBm*1(70°)=9.5mA 基極輸入的電壓振幅：VBm=2Pi/IB1m=5.3V 

9、    （3）電源去耦濾波元件選擇  高頻電路的電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用型LC低通濾波器，濾波電感可按經(jīng)驗(yàn)取50100uH，濾波電感一般取0.01uf。 三、低通濾波器：濾除剩余載波分量，設(shè)計(jì)采用二階低通有源濾波器電路。在設(shè)計(jì)的過程中運(yùn)用的是濾波器的快速算法 設(shè)計(jì)理由：提高通帶的增益放大倍數(shù)，避免信號過小導(dǎo)致檢測困難，采用有源濾波電路 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：1、通帶增益Av=5 2、截止頻率f=125KHz 3、品質(zhì)因數(shù)Q=0.707 主要參數(shù)計(jì)算 ： 通帶增益 ： 截止頻率 ： 品質(zhì)因數(shù)： 圖3 低通濾波電路 同相比例因數(shù)： 四、電壓增益放大電路：增大調(diào)制信號

10、的電壓，便于檢波。本設(shè)計(jì)采用二級甲類功率放大電路。設(shè)計(jì)理由：甲類功率放大電路，在信號全范圍內(nèi)均導(dǎo)通，非線性失真小，但輸出功率和效率低，為彌補(bǔ)輸出功率低的缺點(diǎn)設(shè)置二級放大，因?yàn)檩斎胄盘枮橐颜{(diào)信號，其頻率跨度很大使用丙類放大會對信號造成嚴(yán)重失真，因此選用線性的功率放大器作為增益放大電路 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：1、輸出功率Po125mW 2、>65%； 3、增益放大倍數(shù)：20 4、電源供電為12V，晶體管用2N2219 主要參數(shù)： 圖5 二級甲類功率放大電路原理圖 五、檢波電路：將調(diào)制信號解調(diào)得到有用的信號。本設(shè)計(jì)采用二極管檢波電路。 設(shè)計(jì)理由：二極管包絡(luò)檢波器具有電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。 主要設(shè)計(jì)

11、指標(biāo)：1、輸出波形頻率：250KHz 2、包絡(luò)波形衰減率<10% 主要參數(shù)計(jì)算： =300kHz 圖6 二極管檢波電路原理圖 該電路中一般要求輸入信號的幅度在0.5V以上，所以二極管處于大信號工作狀態(tài)，又稱為大信號檢波電路。它適用于解調(diào)含有較大載波分量的大信號，利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負(fù)載LRC的充放電過程實(shí)現(xiàn)檢波。所以LRC時(shí)間常數(shù)的選擇很重要。LRC時(shí)間常數(shù)過大，會產(chǎn)生惰性失真。LRC常數(shù)太小，高頻分量會濾不干凈。綜合考慮要求滿足 其中：ma為調(diào)制度f0為載波頻率，max為調(diào)制信號角頻率的最大值。  六、帶通濾波電路：濾除信道噪聲。本設(shè)計(jì)采用四階切比雪夫帶通濾波電路.

12、 設(shè)計(jì)理由：本設(shè)計(jì)采用歸一化切比雪夫低通濾波電路轉(zhuǎn)化為帶通濾波電路。 主要性能指標(biāo)：1、中心頻率為：fo =13.56MHz 2、上通帶截止頻率 ：f1=13MHz 3、下通帶截止頻率 ：f2=14MHz 4、阻帶頻率： 5、通帶增益： Av=1； 6、品質(zhì)因數(shù)Q值取1； 圖6 電路原理圖 7、阻帶衰減速率為：-40dB/10倍頻。 低通通濾波器轉(zhuǎn)換成帶通濾波器的設(shè)計(jì)公式： 低通濾波轉(zhuǎn)帶通原理：低通衰減特性可通過頻率變換，轉(zhuǎn)換成帶通衰減特性，s表示低通原型下，對通帶上限的廣義頻率，p表示低通轉(zhuǎn)換的任意類型濾波器的中心頻率w0的歸一化廣義頻率，設(shè)，則 ，由此可得： 由此看出：時(shí)為帶通的通帶中心頻

13、率，由可得： 由此便可變換為帶通濾波器。 七、電壓比較電路：使方波更加適合數(shù)字處理；本設(shè)計(jì)采用采用單電源運(yùn)算放大器LM258做比較； 檢波以后的信號是模擬信號，需要經(jīng)過比較器與判決門限比較，才能還原為數(shù)字基帶信號。它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系)：當(dāng)”輸入端電壓高于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)”輸入端電壓低于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平. 主要

14、性能指標(biāo)：1、比較電壓：0.35V ； 2、轉(zhuǎn)換域?qū)挾葹闉椋?.1mv 3、增益： Av=2； 主要元件： LM258集成芯片 圖8電壓比較電路 八、51單片機(jī)控制電路：發(fā)送信號發(fā)射命令和對信號進(jìn)行解碼，控制LED顯示 51單片機(jī)每隔一段時(shí)間發(fā)送一段指令給電源控制電 路，使射頻發(fā)送端導(dǎo)通，同時(shí)方波信號送到A/D轉(zhuǎn)換芯 片TLC0831中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入51單片機(jī)中進(jìn)行 解碼與存儲處理，最后通過LED顯示屏將結(jié)果顯示出來。 圖9 單片機(jī)控制電路應(yīng)答器部分電路設(shè)計(jì)： 一、編碼電路： 主要性能指標(biāo)：1、工作電壓：5V ； 2、輸出電壓：5V ； 3、時(shí)鐘頻率：125KHz ； 主要元件： VD5

15、026、八位撥碼開關(guān) 圖10 編碼電路圖 VD5026編碼器是一種8位編碼發(fā)射器，第1到8腳是編碼的輸入端，VD5026的第10到第13腳為數(shù)據(jù)輸入線，第14腳為發(fā)射指令端，當(dāng)此腳接地時(shí)，VD5026輸出端則發(fā)出一組編碼脈沖，第15腳、第16腳是一個內(nèi)置振蕩器，外接幾十到幾百千歐的電阻即可產(chǎn)生振蕩，振蕩頻率為fosc=1600/R（KHz），式中R為外接電阻，單位為千歐。第17腳是編碼輸出端，第18腳、第9腳分別是電源的正、負(fù)極。電路工作時(shí)，撥動撥碼開關(guān)，產(chǎn)生不同的信息，由八個輸入管腳輸入到vd5026編碼器中，經(jīng)處理后，由輸出端輸出一個串行的脈沖信號，由加密、調(diào)制電路進(jìn)行進(jìn)一步的處理。 二、

16、加密電路：加密電路主要對所產(chǎn)生的編碼信息進(jìn)行一定的加密，我們暫時(shí)選定將編碼信息經(jīng)過一個非門電路作為信息的加密。 三、調(diào)制電路：在RFID系統(tǒng)中，數(shù)字ASK調(diào)制在系統(tǒng)的信息交互中廣泛使用，實(shí)現(xiàn)調(diào)幅 的方法有很多，如平方律調(diào)幅、高電平調(diào)幅、斬波調(diào)幅和負(fù)載調(diào)制等，我們選用使用率較高的負(fù)載調(diào)制。當(dāng)編碼電路產(chǎn)生的信息經(jīng)由非門加密電路處理后，輸入到負(fù)載調(diào)制電路，控制開關(guān)三極管的導(dǎo)通與斷開。當(dāng)編碼電路輸出為高電平時(shí)，開關(guān)三極管導(dǎo)通，R10中有電流通過，電路負(fù)載減小。當(dāng)編碼電路輸出低電平時(shí)，開關(guān)三極管斷開，基極與射極間沒有電流通過，電路負(fù)載增大。在諧振時(shí)，并聯(lián)振蕩電路的諧振電阻由計(jì)算公式 可知阻值數(shù)量級為，故

17、其在并聯(lián)負(fù)載電阻R11時(shí)可忽略不計(jì)，負(fù)載電阻接通時(shí)也可忽略不計(jì)。主要性能指標(biāo)：1、諧振頻率：13.56Mhz 2、調(diào)制電阻：10k 主要元件： 2N3906 圖九 調(diào)制電路圖 四、功率放大電路 功率放大電路用來增大調(diào)制信號的電壓，便于信號發(fā)送。設(shè)計(jì)采用二級甲類功率放大電路。甲類功率放大電路，在信號全范圍內(nèi)均導(dǎo)通，非線性失真小，但輸出功率和效率低，為彌補(bǔ)輸出功率低的缺點(diǎn)設(shè)置二級放大，因?yàn)檩斎胄盘枮橐颜{(diào)信號，其頻率跨度很大使用丙類放大會對信號造成嚴(yán)重失真，因此選用線性的功率放大器作為增益放大電路。 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：1、輸出功率Po125mW 2、>35%； 3、增益放大倍數(shù)：20 主要元件：

18、12V供電電源，晶體管用2N2219 圖十 功率放大電路五、整流濾波電路主要性能指標(biāo)： 12V穩(wěn)壓輸出主要元件： LM7812應(yīng)答器天線之后為整流濾波電路，為編碼芯片提供12V的穩(wěn)定直流電源。 圖十一 直流穩(wěn)壓電路主要性能指標(biāo)：1、線圈直徑：約8cm 2、線圈阻值：約0.3 主要元件： 銅線六、天線線圈 閱讀器和應(yīng)答器之間進(jìn)行信息交流需要天線線圈，暫定為手工繞制或網(wǎng)上定制，擬定工作時(shí)兩線圈間距為3cm。根據(jù)計(jì)算公式式中，為常數(shù)。對的求解，可解得磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值的條件為，也就是說，當(dāng)線圈半徑一定時(shí)，在處時(shí)可獲得最大場強(qiáng)。計(jì)算得出，線圈直徑約為8cm。 總系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)：1、 傳輸距離：5cm左右；2、 傳輸頻率：13.56MHz；3、 數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率為：125KHz；4、數(shù)據(jù)傳輸速率：125比特/秒；5、誤碼率：小于5%；6、閱讀器可順利將應(yīng)答器的撥碼信息在LED顯示屏顯示出來；7、天線傳輸效率達(dá)到50%以上；8、 應(yīng)答器采用無源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)；9、調(diào)制方法為ASK負(fù)載調(diào)制3、對子系統(tǒng)或部件計(jì)劃進(jìn)度要求91