基于耦合線圈的無線射頻識別裝置的實現(xiàn)

1、基于耦合線圈的無線射頻識別裝置的實現(xiàn)    摘要:電感耦合是實現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奈锢砘A(chǔ)。首先介紹7基于耦合線圈的無線識別裝置的實現(xiàn)方法,該方法通過閱讀器線圈和應(yīng)答器線圈之間的耦合來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。然后給出了無線識別的硬件實現(xiàn)電路及軟件設(shè)計流程圖。閱讀器和應(yīng)答器由MCU控制。 關(guān)鍵詞:耦合線圈;無線識別;閱讀器;應(yīng)答器 1引言 無線射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù),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(xiàn)對被識別物體的自動識別。無線射頻識別系統(tǒng)一般由兩個部分組成:應(yīng)答器和閱讀器。當(dāng)帶應(yīng)答器的被識別物品通過其可識讀范圍時

2、,閱讀器自動以無接觸的方式將應(yīng)答器中的約定識別信息取出來,從而實現(xiàn)自動識別的功能。 本文給出一種實現(xiàn)簡單射頻識別系統(tǒng)的方式。閱讀器由普通功耗的單片機系統(tǒng)構(gòu)成,應(yīng)答器由一種低功耗的貼片單片機系統(tǒng)構(gòu)成。單片機通過串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的校驗則通過程序?qū)崿F(xiàn)。 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(yīng)答器兩部分。其系統(tǒng)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(chǎn)生電路、信號放大電路、單片機及其LED顯示電路組成。應(yīng)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(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是通過Mc u之間的串口編程實現(xiàn)的。其工作流程如下:芯片CD4060產(chǎn)生一個5

3、00KHz的載波信號,線圈回路通過調(diào)整電感電容的參數(shù)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(chǎn)生的能量以電磁波的方式發(fā)送到一定的空間范圍內(nèi),形成閱讀器的有效閱讀區(qū)域。當(dāng)應(yīng)答器到達(dá)閱讀器有效閱讀區(qū)域中時,閱讀器通過電感耦合接收應(yīng)答器發(fā)出的數(shù)據(jù)信號,并將信號通過放大電路進行放大,經(jīng)單片機的串行口送入單片機。單片機通過程序,將數(shù)據(jù)通過LED顯示,從而完成數(shù)據(jù)的無線識別。 應(yīng)答器根據(jù)能量來源可分為有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器。有源應(yīng)答器的工作所需的能量由外電源提供。對于無源應(yīng)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(yīng)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。

4、3系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件主要包括閱讀器載波信號產(chǎn)生電路、閱讀器單片機系統(tǒng)電路、應(yīng)答器整流濾波電路、應(yīng)答器單片機系統(tǒng)電路四部分。 3、1閱讀器載波信號產(chǎn)生電路 閱讀器載波信號產(chǎn)生電路中,閱讀器使用芯片c D4060產(chǎn)生一個500KHz的信號給線圈,通過串聯(lián)電容c和電阻R使電路發(fā)生振蕩。當(dāng)電容c為某個值時電路發(fā)生串聯(lián)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(shù)可通過調(diào)節(jié)輸入端的匹配電阻來調(diào)節(jié)。 3、2閱讀器單片機系統(tǒng)電路 單片機系統(tǒng)是閱讀器的主要組成部分。數(shù)據(jù)的發(fā)送主要通過它來實現(xiàn)的。單片機采用結(jié)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(shù)據(jù),對接

5、收到的數(shù)據(jù)進行校驗,若收到的數(shù)據(jù)有效,便通過LED顯示出來。由于應(yīng)答器的置數(shù)是撥碼開關(guān)實現(xiàn),其范圍為0到15,因此這里用四位LED來表示。 3、3應(yīng)答器整流濾波電路 應(yīng)答器由單片機及接口電路、耦合線圈、濾波儲能電路等構(gòu)成。當(dāng)應(yīng)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(jīng)濾波電容濾掉高頻信號,其兩端輸出的電壓既為應(yīng)答器內(nèi)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(fù)載能力。 3、4應(yīng)答器單片機系統(tǒng)電路 應(yīng)答器單片機系統(tǒng)電路與閱讀器的類似。主要的區(qū)別是應(yīng)答器單片機系統(tǒng)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(guān)置數(shù)

6、電路。與普通單片機相比,STC89LE58工作電 壓范圍較寬(23.8V),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(yīng)答器的功耗。應(yīng)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(tǒng)軟件設(shè)計4 4、1閱讀器軟件設(shè)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(dāng)有串口中斷時,表明有應(yīng)答器進入有效閱讀區(qū)域數(shù)據(jù);閱讀器通過單片機串行通信的RXD端接收數(shù)據(jù),當(dāng)跳變檢測器檢測到RXD引腳的負(fù)跳變時,開始接收數(shù)據(jù),并點亮一只LED;當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢,單片機對數(shù)據(jù)進行校驗,校驗為有效數(shù)據(jù),將接收到的數(shù)據(jù)

7、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(shù)據(jù)。4、2應(yīng)答器軟件設(shè)計 應(yīng)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(yīng)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(yīng)獲得電能并提供給單片機工作;單片機不斷掃描撥盤開關(guān)的數(shù)據(jù),并按一定的波特率發(fā)送出去;在發(fā)送兩位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),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(shè)定。 有源狀態(tài)時的應(yīng)答器工作與無源狀態(tài)相同,只是應(yīng)答器直接用兩節(jié)干電池供電。 5、測試方案與測試結(jié)果 測試方案主要包括對識別距離、識

8、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(yīng)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(yīng)答器的距離D。測試結(jié)果表明:當(dāng)匹配電容c=6000PF時,閱讀器能識別應(yīng)答器的距離D最大。最大值為Dmax=6.9cm。 (2)識別時間的測試。經(jīng)過三十次測試,測試閱讀器識別應(yīng)答器的時間T均在1s以內(nèi),響應(yīng)非?？臁?(3)識別應(yīng)答器預(yù)置編碼的正確率測試。改變應(yīng)答器預(yù)置數(shù)的大小,分別測出觀察閱

9、讀器所顯示的數(shù)據(jù)的正確性。不斷重復(fù)上述操作,測試結(jié)果如表1所示。 對識別距離D的測試結(jié)果表明,當(dāng)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(nèi),閱讀器識別應(yīng)答器編碼的正確率達(dá)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(jīng)過多次測量接收的數(shù)據(jù),識別時間T均在1s以內(nèi),表明識別裝置的響應(yīng)非常迅速。 參考文獻 1朱兵基于MSCl21l單片機的RFID接收系統(tǒng)設(shè)計,微計算機信息2006(12):6970 2丁元杰單片微機原理及應(yīng)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(yīng)用程序設(shè)計M,第3版,北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004&