無線識別裝置中無源式應(yīng)答器的設(shè)計

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無線識別裝置中無源式應(yīng)答器的設(shè)計

第一章緒論

射頻識別技術(shù)是無線電技術(shù)在自動識別領(lǐng)域應(yīng)用中的具體運用。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。近年來，隨著芯片技術(shù)，天線技術(shù)以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，RFID系統(tǒng)的體積，功耗越來越小，成本越來越低，功能日趨靈活，操作快捷便利，加上其擅長多目標(biāo)識別，運動目標(biāo)識別，便利物品跟蹤和物流管理的突出特點，RFID系統(tǒng)日益廣泛的應(yīng)用于各種生產(chǎn)生活場所，扮演著越來越重要的角色，被評為“帶來了一個進(jìn)化的無線市場〞。

本文論述了大學(xué)期間進(jìn)行的RFID技術(shù)在無線識別裝置中無源式應(yīng)答器的研究與設(shè)計實踐。

1.1RFID系統(tǒng)

1.1.1什么是RFID系統(tǒng)

RFID（RadioFrequencyIdentification）系統(tǒng)稱為射頻識別系統(tǒng)。它不傳統(tǒng)意義上的識別方式的本質(zhì)區(qū)別在于：它的能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)交換是運用無線電和雷達(dá)技術(shù)實現(xiàn)的。RFID系統(tǒng)一般由兩個部分組成:閱讀器和應(yīng)答器。如圖1.1所示，是RFID系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1.1RFID系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

Fig.1.1ThebasicstructureofRFIDsystem

計算機耦合組件（線圈，微波天線）射頻識別閱讀器能量時序應(yīng)答器（非接觸數(shù)據(jù)載體）

應(yīng)答器分為兩大類，即：有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器。所謂有源應(yīng)答器顧名思義就是自己提供能量，來進(jìn)行信息的收發(fā)；而我們尋常意義上所講的應(yīng)答器都是指無源應(yīng)答器，它由耦合組件和微電子芯片組成。在閱讀器的響應(yīng)范圍外，它處于無源狀態(tài)；而在閱讀器的響應(yīng)范圍內(nèi)，它才處于有源狀態(tài)，所以我們稱之為無源應(yīng)答器。而它工作所需要的能量要通過耦合單元的傳輸。當(dāng)然，有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器都有自己的缺陷，譬如，有源應(yīng)答器它就要在芯片上提供一個電源，這就增加了應(yīng)答器的體積，而且假使是集成的話還限制了應(yīng)答器的壽命，由于不管應(yīng)答器的工作功率有多小，待機模式的耗電有多么的少，但是它總要消耗一定的能量，當(dāng)然假使電池可換的話就是另外一回事了，前提當(dāng)然是要犧牲體積了。而無源應(yīng)答

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器的一個致命的缺點便是工作距離，關(guān)于這部分的解釋會在后面的章節(jié)詳細(xì)的介紹，在這里就不想再多占篇幅了。

應(yīng)答器有幾種實現(xiàn)的方式，尋常我們接觸到的射頻卡就是一種比較常見的模式，還有一種是以器件的形式實現(xiàn)的，它的數(shù)據(jù)可以讀、寫、改，而且它的功能也要比射頻卡強得多，譬如在本課題識別上的應(yīng)用，我們甚至可以看到它響應(yīng)閱讀器指令的結(jié)果：假使認(rèn)證成功，則在應(yīng)答器的終端顯示結(jié)果；假使失敗，則可以顯示結(jié)果并給出失敗的原因。當(dāng)然假使設(shè)計和微機的接口的話就更便利數(shù)據(jù)的管理了，但是一個比較大的缺點就是體積太大了，不過在本文的設(shè)計中，以功能的實現(xiàn)為主要目標(biāo)，所以其它的問題都是課題以后仍舊要努力的目標(biāo)。

1.1.2RFID系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

自動識別系統(tǒng)出現(xiàn)了迅速的發(fā)展，而且技術(shù)種類繁多。相繼出現(xiàn)的主要自動識別系統(tǒng)有：條碼系統(tǒng)、光學(xué)碼系統(tǒng)、光學(xué)符號識別系統(tǒng)、生物識別法(包括語音識別、指紋鑒定法等)、IC卡、射頻識別(RFID)系統(tǒng)。

射頻識別系統(tǒng)是IC技術(shù)的延伸和發(fā)展，它是無線電電頻率識別的簡稱，即通過無線電波進(jìn)行識別，同其它識別系統(tǒng)相比，射頻識別有好多的優(yōu)點。因此，射頻識別開始有了較大的市場占有率，并且正在逐步取代原有的好多自動識別系統(tǒng)，如表1.1所示，說明白射頻識別和其它的識別系統(tǒng)相比，有好多的優(yōu)點：

1)使用時無需和閱讀器接觸，操作快捷。2)抗干擾性強，允大量個應(yīng)答器的同時操作。3)協(xié)同具體應(yīng)用，具有多種工作距離。

4)由于使用時沒有機械觸點，提高了反應(yīng)的可靠性和設(shè)備的壽命。5)應(yīng)答器可以多功能使用。6)安全性高。

7)不怕污染，可以在很惡劣的條件下替代其它接觸式的識別方式。

RFID系統(tǒng)最早的運用是在1945年，二次世界大戰(zhàn)中用于戰(zhàn)斗機IFF(IdentifyFriendorFoe)。但是作為真正的廣泛應(yīng)用卻是近十幾年的事情。譬如1985年底瑞士開始投入研究鐵路管理的RFID系統(tǒng)，到1989年共用了4年的時間才成功的將其應(yīng)用到鐵路管理系統(tǒng)，使鐵路的管理以及火車的調(diào)度效率得到了大大的提高。到了90年代，國外有大量的研究及生產(chǎn)RFID系統(tǒng)的機構(gòu)、公司成立，所有的這些都促進(jìn)了RFID系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。譬如ISO于1995年后相繼推出了ISO-11784動物識別，ISO-10374集裝箱等標(biāo)準(zhǔn)。

近年來在國外有好多公司都投入了一定的力量來研究移植性強的RFID系統(tǒng)的統(tǒng)解決方案，如TagMaster、TI、Motorola、Intel??等；在韓國已經(jīng)成功地將研究成果應(yīng)用到了公交行業(yè)；歐盟將RFID技術(shù)用到“ICARE〞和“CALYPSO〞項目上，形成了一個基于RFID技術(shù)的“信用卡〞系統(tǒng)；德國漢莎航空公司對高頻率乘客發(fā)放的Miles&More卡，也是用RFID技術(shù)的，大大提高了機場的效率，節(jié)省了乘客的時間。這些應(yīng)用的成功標(biāo)志著RFID系統(tǒng)已經(jīng)取得了信息系統(tǒng)中舉足輕重的地位?，F(xiàn)在國外已經(jīng)在大量領(lǐng)域，譬如：服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷售、

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后勤分派、商業(yè)部門、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通等領(lǐng)域得到了快速的普及和推廣。

而在我國也有好多公司在進(jìn)行這項技術(shù)的開發(fā)，如上?？菩局悄芸萍加邢薰?、煙臺威爾數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司、杭州力匯電子有限公司、TagMaster(中國)有限公司、北京蘭德華電子技術(shù)有限公司、上海華虹集成電路有限公司等，且已經(jīng)開發(fā)了大量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品已廣泛用于服務(wù)、銷售、分派等領(lǐng)域，如動物識別器、卡門禁機、指紋考勤機、電子閉鎖防盜專置、產(chǎn)品產(chǎn)量統(tǒng)計、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、產(chǎn)品防偽、公交車系統(tǒng)等。

1.2主要工作及章節(jié)提要

無線識別裝置是2023年索尼杯全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中的一個題目，無線識別裝置由閱讀器和應(yīng)答器組成，本文所論述的主要工作是無線識別裝置中的無源式應(yīng)答器的設(shè)計，無盡管會涉及到閱讀器部分，但是重點無疑是在應(yīng)答器部分，而本論文的工作也將著重介紹無源式應(yīng)答器部分。在本設(shè)計中的要求是不能使用現(xiàn)有射頻識別卡或用于識別的專用芯片，所以在設(shè)計中基本都采用的是集成電路和分開元件，而在無源式應(yīng)答器和閱讀器當(dāng)中分別采用了PT2262編碼芯片和PT2272解碼芯片，這樣不僅系統(tǒng)組成簡單，成本低，功耗小，而且PT2262起始工作電壓低，能很好的滿足無源式應(yīng)答器的無源要求。

章節(jié)提要：

第一章主要介紹了射頻識別（RFID）系統(tǒng)的定義、組成以及RFID系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。其次章是本人設(shè)計無線識別裝置所提出的總體方案和調(diào)制方式的方案并對這些方案進(jìn)行的論證和比較。

第三章是無線識別裝置總體電路設(shè)計，包括了閱讀器部分以及無源式應(yīng)答器部分的組成方框圖和總體電路圖。

第四章是無線識別裝置各主要電路設(shè)計，包括耦合線圈的匹配理論，閱讀器的發(fā)射電路分析、接收電路分析、有源晶振單元、功率放大單元、電源單元以及PT2272解碼單元，并著重介紹了無源式應(yīng)答器的電路設(shè)計，包括無源式應(yīng)答器的電源單元、555時鐘單元以及PT2262編碼單元，在本章最終列出了該系統(tǒng)閱讀器和無源式應(yīng)答器的工作流程圖。

第五章介紹的是對該系統(tǒng)進(jìn)行測試的測試方法與測試數(shù)據(jù)。第六章是對無線識別裝置設(shè)計的總結(jié)以及對無線識別裝置的展望。

源部分的實現(xiàn)一是應(yīng)答器上要有為應(yīng)答器工作提供能量的無源單元，二是閱讀器

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其次章無線識別裝置方案論證與比較

2.1總體方案論證與比較

方案一：如圖2.1所示，采用單片機與有源晶振振蕩器組成無線識別系統(tǒng)。閱讀器：用串口通信方式掃描應(yīng)答信號，接受到應(yīng)答信號后，判別其是否有效，若有效則顯示應(yīng)答器信息，并蜂鳴提醒。應(yīng)答器：當(dāng)靠近閱讀器時，通過線圈耦合獲得工作能量，讀取撥碼開關(guān)狀態(tài)，發(fā)送應(yīng)答信號。

無源式應(yīng)答器

閱讀器

特點：采用單片機異步串口通信方式，具有較高的顯示正確率。但對于本設(shè)計任務(wù)，考

慮到耦合能量有限，不足以驅(qū)動單片機。該方案不太適合。

耦合線圈

89S52振蕩器耦合線圈

檢波整形89S52串口無線傳輸撥碼開關(guān)發(fā)光二極管圖2.1無線識別裝置方案一方框圖

Fig.2.1Blockdiagramofthefirstprogrammeofwirelessidentificationdevice

方案二：如圖2所示，采用PT2262編碼芯片，與PT2272解碼芯片組成無線識別系統(tǒng)。應(yīng)答器通過四位撥碼開關(guān)進(jìn)行卡號設(shè)置，PT2262對卡號進(jìn)行編碼并通過耦合線圈發(fā)射出去；閱讀器通過耦合線圈接收信號并交給PT2272解碼芯片譯碼輸出應(yīng)答器卡號，由發(fā)光二極管顯示。

特點：系統(tǒng)組成簡單，成本低，功耗小，且PT2262起始工作電壓低十分適合能量供應(yīng)有限的場合。

無源式

應(yīng)答器

閱讀器

耦合線圈

編碼芯片無線傳輸耦合線圈解碼芯片四位撥碼開關(guān)發(fā)光二極管圖2.2無線識別裝置方案二方框圖

Fig.2.2Blockdiagramofthesecendprogrammeofwirelessidentificationdevices

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結(jié)合以上分析實際狀況，我們采用方案二。

2.2調(diào)制方式論證與比較

方案一：頻移鍵控（FSK）。傳輸速率快，數(shù)據(jù)正確率高，但調(diào)制電路繁雜，成本高，特別功耗較高，而且解調(diào)電路較為繁雜。此題目要求低功耗，且對通訊指標(biāo)要求不是很苛刻，如傳輸數(shù)據(jù)正確率≥80%，響應(yīng)時間≤5S，故不宜選用該方案。

方案二：幅移鍵控（ASK）。調(diào)制電路簡單，功耗較低，常用于簡單的低速數(shù)據(jù)通信，解調(diào)電路也十分簡單，滿足本設(shè)計任務(wù)要求，綜合考慮我們選用該方案。

2.3555時鐘電路的控制對象論證與比較

方案一：用555時鐘電路控制閱讀器和應(yīng)答器，也就是在閱讀器和應(yīng)答器當(dāng)中都使用555時鐘電路。當(dāng)閱讀器向應(yīng)答器輻射能量時應(yīng)答器只接收能量，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)行編碼并發(fā)射時閱讀器中止向應(yīng)答器輻射能量而只接收應(yīng)答器發(fā)來的編碼信號并對其進(jìn)行解碼和顯示，但在實際工作中，很難保證閱讀器和應(yīng)答器同步，所以不采用此方案。

方案二：用555時鐘電路控制應(yīng)答器，閱讀器不使用該電路。這樣的設(shè)計就是讓閱讀器不停地工作，定時電路控制應(yīng)答器接受能量、儲能以及編碼并發(fā)送，但由于應(yīng)答器的輸出功率太小，假使閱讀器那邊連續(xù)輻射信號，閱讀器就無法接收到應(yīng)答器的信號，所以也不采用此方案。

方案三：用555時鐘電路控制閱讀器，應(yīng)答器不使用該電路。也就是應(yīng)答器會不停地工作，而閱讀器間歇的工作，這樣就能夠很好的保證閱