1、1无线识别装置中无源式应答器的设计第一章 绪论射频识别技术是无线电技术在自动识别领域应用中的具体运用。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。近年来，随着芯片技术，天线技术以及计算机技术的不断发展，RFID 系统的体积，功耗越来越小，成本越来越低，功能日趋灵活，操作快捷方便，加上其擅长多目标识别，运动目标识别，方便物品跟踪和物流管理的突出特点，RFID 系统日益广泛的应用于各种生产生活场所，扮演着越来越重要的角色，被评为“带来了一个进化的无线市场” 。本文论述了作者大学期间进行的 RFID 技术在无线识别装置中无源式应答器的研究与设计实践。1.1 RFID 系统1.1.1 什么是 RFI
2、D 系统RFID（Radio Frequency Identification）系统称为射频识别系统。它不传统意义上的识别方式的本质区别在于：它的能量供应和数据交换是运用无线电和雷达技术实现的。RFID系统一般由两个部分组成:阅读器和应答器。如图 1.1 所示，是 RFID 系统的基本结构。图 1.1 RFID 系统的基本结构Fig. 1.1 The basic structure of RFID system应答器分为两大类，即：有源应答器和无源应答器。所谓有源应答器顾名思义就是自己提供能量，来进行信息的收发；而我们通常意义上所讲的应答器都是指无源应答器，它由耦合组件和微电子芯片组成。在阅读
3、器的响应范围外，它处于无源状态；而在阅读器的响应范围内，它才处于有源状态，所以我们称之为无源应答器。而它工作所需要的能量要通过耦合单元的传输。当然，有源应答器和无源应答器都有自己的缺陷，比如，有源应答器它就要在芯片上提供一个电源，这就增加了应答器的体积，而且如果是集成的话还限制了应答器的寿命，因为不管应答器的工作功率有多小，待机模式的耗电有多么的少，但是它总要消耗一定射频识别阅读器计算机应答器（非接触数据载体）时序能量耦合组件（线圈，微波天线）2的能量，当然如果电池可换的话就是另外一回事了，前提当然是要牺牲体积了。而无源应答器的一个致命的缺点便是工作距离，关于这部分的解释作者会在后面的章节详细
4、的介绍，在这里就不想再多占篇幅了。应答器有几种实现的方式，通常我们接触到的射频卡就是一种比较常见的模式，还有一种是以器件的形式实现的，它的数据可以读、写、改，而且它的功能也要比射频卡强得多，比如在本课题识别上的应用，我们甚至可以看到它响应阅读器指令的结果：如果认证成功，则在应答器的终端显示结果；如果失败，则可以显示结果并给出失败的原因。当然如果设计和微机的接口的话就更方便数据的管理了，但是一个比较大的缺点就是体积太大了，不过在本文的设计中，作者以功能的实现为主要目标，所以其它的问题都是课题以后仍旧要努力的目标。1.1.2 RFID 系统的发展状况自动识别系统出现了迅速的发展，而且技术种类繁多。
5、相继出现的主要自动识别系统有：条码系统、光学码系统、光学符号识别系统、生物识别法(包括语音识别、指纹鉴定法等)、IC 卡、射频识别(RFID)系统。射频识别系统是 IC 技术的延伸和发展，它是无线电电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别，同其它识别系统相比，射频识别有很多的优点。因此，射频识别开始有了较大的市场占有率，并且正在逐步取代原有的很多自动识别系统，如表 1.1 所示，表明了射频识别和其它的识别系统相比，有很多的优点：1)使用时无需和阅读器接触，操作快捷。2)抗干扰性强，允许多个应答器的同时操作。3)配合具体应用，具有多种工作距离。4)由于使用时没有机械触点，提高了反应的可靠性和设备
6、的寿命。5)应答器可以多功能使用。6)安全性高。7)不怕污染，可以在很恶劣的条件下替代其它接触式的识别方式。RFID 系统最早的运用是在 1945 年，二次世界大战中用于战斗机 IFF(Identify Friend or Foe)。但是作为真正的广泛应用却是近十几年的事情。比如 1985 年底瑞士开始投入研究铁路管理的 RFID 系统，到 1989 年共用了 4 年的时间才成功的将其应用到铁路管理系统，使铁路的管理以及火车的调度效率得到了大大的提高。到了 90 年代，国外有大量的研究及生产 RFID 系统的机构、公司成立，所有的这些都促进了 RFID 系统的标准化。比如 ISO 于1995
7、年后相继推出了 ISO-11784 动物识别，ISO-10374 集装箱等标准。近年来在国外有很多公司都投入了一定的力量来研究移植性强的 RFID 系统的统解决方案，如 TagMaster、TI、Motorola、Intel等；在韩国已经成功地将研究成果应用到了公交行业；欧盟将 RFID 技术用到“ICARE”和“CALYPSO”项目上，形成了一个基于 RFID 技术的“信用卡”系统；德国汉莎航空公司对高频率乘客发放的 Miles&More 卡，也是用 RFID技术的，大大提高了机场的效率，节省了乘客的时间。这些应用的成功标志着 RFID 系统已3经取得了信息系统中举足轻重的地位。现在国外已经
8、在许多领域，比如：服务领域、货物销售、后勤分配、商业部门、生产企业和材料流通等领域得到了快速的普及和推广。而在我国也有很多公司在进行这项技术的开发，如上海科芯智能卡科技有限公司、烟台威尔数据系统有限公司、杭州力汇电子有限公司、TagMaster(中国)有限公司、北京兰德华电子技术有限公司、上海华虹集成电路有限公司等，且已经开发了许多产品。这些产品已广泛用于服务、销售、分配等领域，如动物识别器、卡门禁机、指纹考勤机、电子闭锁防盗专置、产品产量统计、产品质量跟踪、产品防伪、公交车系统等。1.2 主要工作及章节提要无线识别装置是 2007 年索尼杯全国大学生电子设计竞赛中的一个题目，无线识别装置由阅
9、读器和应答器组成，本文所论述的主要工作是无线识别装置中的无源式应答器的设计，无源部分的实现一是应答器上要有为应答器工作提供能量的无源单元，二是阅读器 尽管会涉及到阅读器部分，但是重点无疑是在应答器部分，而本论文的工作也将着重介绍无源式应答器部分。在本设计中的要求是不能使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片，所以在设计中基本都采用的是集成电路和分离元件，而在无源式应答器和阅读器当中分别采用了 PT2262 编码芯片和 PT2272 解码芯片，这样不仅系统组成简单，成本低，功耗小，而且PT2262 起始工作电压低，能很好的满足无源式应答器的无源要求。章节提要：第一章主要介绍了射频识别（RFID）系
10、统的定义、组成以及 RFID 系统的发展状况。第二章是本人设计无线识别装置所提出的总体方案和调制方式的方案并对这些方案进行的论证和比较。第三章是无线识别装置总体电路设计，包括了阅读器部分以及无源式应答器部分的组成方框图和总体电路图。第四章是无线识别装置各主要电路设计，包括耦合线圈的匹配理论，阅读器的发射电路分析、接收电路分析、有源晶振单元、功率放大单元、电源单元以及 PT2272 解码单元，并着重介绍了无源式应答器的电路设计，包括无源式应答器的电源单元、555 时钟单元以及PT2262 编码单元，在本章最后列出了该系统阅读器和无源式应答器的工作流程图。第五章介绍的是作者对该系统进行测试的测试方
11、法与测试数据。第六章是作者对无线识别装置设计的总结以及对无线识别装置的展望。4第二章 无线识别装置方案论证与比较2.1 总体方案论证与比较方案一：如图 2.1 所示，采用单片机与有源晶振振荡器组成无线识别系统。阅读器：用串口通信方式扫描应答信号，接受到应答信号后，判别其是否有效，若有效则显示应答器信息，并蜂鸣提示。应答器：当靠近阅读器时，通过线圈耦合获得工作能量，读取拨码开关状态，发送应答信号。特点：采用单片机异步串口通信方式，具有较高的显示正确率。但对于本设计任务，考虑到耦合能量有限，不足以驱动单片机。该方案不太合适。89S52 89S52耦合线圈 耦合线圈串口无线传输无源式应答器 阅读器图
12、 2.1 无线识别装置方案一方框图Fig.2.1 Block diagram of the first programme of wireless identification device振荡器拨码开关 发光二极管检波整形 方案二：如图 2 所示，采用 PT2262 编码芯片，与 PT2272 解码芯片组成无线识别系统。应答器通过四位拨码开关进行卡号设置，PT2262 对卡号进行编码并通过耦合线圈发射出去；阅读器通过耦合线圈接收信号并交给 PT2272 解码芯片译码输出应答器卡号，由发光二极管显示。特点：系统组成简单，成本低，功耗小，且 PT2262 起始工作电压低非常适合能量供应有限的场合
13、。编码芯片解码芯片发光二极管四位拨码开关 耦合线圈 耦合线圈无线传输无源式应答器阅读器图 2.2 无线识别装置方案二方框图Fig.2.2 Block diagram of the secend programme of wireless identification devices5结合以上分析实际情况，我们采用方案二。2.2 调制方式论证与比较方案一：频移键控（FSK） 。传输速率快，数据正确率高，但调制电路复杂，成本高，尤其功耗较高，而且解调电路较为复杂。本题目要求低功耗，且对通讯指标要求不是很苛刻，如传输数据正确率80%，响应时间5S，故不宜选用该方案。方案二：幅移键控（ASK）。调制电
14、路简单，功耗较低，常用于简单的低速数据通信，解调电路也十分简单，满足本设计任务要求，综合考虑我们选用该方案。2.3 555 时钟电路的控制对象论证与比较方案一：用 555 时钟电路控制阅读器和应答器，也就是在阅读器和应答器当中都使用555 时钟电路。当阅读器向应答器辐射能量时应答器只接收能量，当应答器进行编码并发射时阅读器停止向应答器辐射能量而只接收应答器发来的编码信号并对其进行解码和显示，但在实际工作中，很难保证阅读器和应答器同步，所以不采用此方案。方案二：用 555 时钟电路控制应答器，阅读器不使用该电路。这样的设计就是让阅读器不停地工作，定时电路控制应答器接受能量、储能以及编码并发送，但
15、因为应答器的输出功率太小，如果阅读器那边连续辐射信号，阅读器就无法接收到应答器的信号，所以也不采用此方案。方案三：用 555 时钟电路控制阅读器，应答器不使用该电路。也就是应答器会不停地工作，而阅读器间歇的工作，这样就能够很好的保证阅读器能够接收到应答器发送的编码信号并进行解码显示。所以本设计中采用此方案。2.4 功率放大电路设计的论证与比较方案一：采用 3355 和 2035 两种三极管的功率放大电路，如图 2.3 所示。这个放大电路理论上能够满足本设计的需要，但在实际操作的过程中因为实验室的接地不好，电烙铁带电，3355 很容易烧坏，因此本设计中不采用该方案。方案二：采用 9014 和 2
16、053 的功率放大电路，用 9014 代替 3355。6该电路不仅能够满足本设计的需要而且 9014 不易烧坏、工作也比较稳定，因此本设计中采用该方案7第三章 无线识别装置总体电路设计对于无线识别装置本设计采用这样的设计思想：阅读器所需电能由单电源供电，首先振荡电路产生电能，经过放大电路放大后由线圈发射给应答器，应答器线圈接收到能量信号后对该信号进行放大整流为应答器的提供所需的工作电压，这样就实现了应答器的无源，然后应答器中有了电能后，PT2262 读取拨码开关值并对其进行编码，编码信号经过 ASK 调制后由振荡电路发射出去，此时阅读器线圈感应到由无源式应答器发送来的编码信号通过检波电路检波之
17、后发送给 PT2272，PT2272 对编码信号进行解码并在发光二极管上显示，二极管的显示与无源式应答器的拨码开关值相对应，这样就完成了无线识别。本章主要介绍了无线识别装置的阅读器和应答器的总体电路设计。3.1 阅读器部分如图 3.1 所示，电能由振荡电路产生经后续多级放大电路放大，通过耦合线圈发送出去；阅读器通过耦合线圈接收应答器发送的信号，信号经检波电路检波后送给 PT2272 串口接收，PT2272 对编码信号进行解调后输出识别结果。振荡电路与检波电路是独立周期工作的，周期由 555 时钟电路产生，独立工作由继电器控制。发光二极管演PT2272耦合线圈检波电路振荡电路单电源信号电磁能放大
18、电路555 时钟电路继电器图 3.1 阅读器组成方框图Fig.3.1 Block diagram of readers 3.2 无源式应答器部分如图 3.2 所示，应答器通过耦合线圈谐振耦合获取能量，再经放大整流电路向储能电容充电获得系统工作所需电能；当电容电压经电压判断电路判断达到指定幅值时，应答器开始工作，PT2262 读取拨码开关值，并通过串口发送编码信号，此时有源晶振产生载波信号，编码信号再经 ASK 调制，从耦合线圈辐射出去。8PT2262耦合线圈图 3.2 无源式应答器组成方框图Fig.3.2 Block diagram of the passive pransponder放大整流
19、电路信号电磁能 电能拨码开关ASK 调制振荡电路3.3 无源式应答器总体电路图无源式应答器电路，见图 3.3图 3.3 无源式应答器电路图Fig.3.3 The circuit of the passive pransponder9第四章 无线识别装置各主要电路设计4.1 耦合线圈的匹配理论耦合线圈的匹配主要采用磁场耦合，通过电感与电容发生 LC 谐振。在指定的频率下，可以通过改变电感大小或者电容大小，从而达到谐振频率。当两个线圈发生谐振并且靠得比较近时，其中一个线圈里的电流所产生的磁场在另一个线圈中产生感应电动势。本设计中的耦合线圈根据大学生电子竞赛的要求采用直径约为 0.5mm 的漆包线密
20、绕 10圈形成直径为 6.5cm 的线圈，线圈总长 2.14 米，厚度为 5mm。由圆形线圈的电感计算公式：（4-1）726.0235.0lg*30.28.0 rcbcbrrNL其中：N 为线圈匝数；r 为线圈的半径(cm)；b 为线圈绕制的长度（cm） ；c 为线圈的厚度(cm)；耦合线圈 1、2 的电感计算值为 14.1uH，实际测量两个线圈电感值都为 11.2uH,可以看出电感线圈的计算值与实际值非常接近。线圈与可变电容组成并联谐振回路，线圈电感为 11.2uH,可变电容容量为 525PF，根据谐振频率公式：（4-2 ）12FLC可得谐振频率为：21MHZ 到 9MHZ 之间。对回路进行
21、谐振频率测量得到谐振频率为11.4MHZ。因而，阅读器采用 11.0952MHZ 有源晶振产生接近与谐振频率的能源载波频率。应答器也采用 11.0952MHZ 有源晶振作为载波频率。4.2 阅读器部分电路设计本设计的题目是无源式应答器的设计，应答器要实现无源的过程是阅读器发射电路产生频率为 11.0952MHz 的信号，经过耦合线圈发送至应答器，应答器接收信号后经过无源式应答器的电源单元为应答器工作提供能量。阅读器发射电路由有源晶振单元和功率放大单元组成。在本节中将介绍阅读器中与实现无源式应答器功能相关的一部分电路设计。4.2.1 阅读器发射电路分析1.阅读器有源晶振单元阅读器和无源式应答器都
22、采用有源晶振单元，不同的是阅读器的有源晶振单元供电是来外接电源，而无源式应答器的有源晶振单元则是由自身的电源单元供电，关于有源晶振单元将会在本章的无源式应答器电路设计部分详细介绍。2.功率放大单元如图 4.1 所示，Q1、R1、T1、C5 组成缓冲级，增大信号的驱动能力，然后送给由L2、C10 组成的二阶低通滤波器，滤除放大过程中产生的谐波。Q2、L1、R2 组成功率放大级，10Q2 采用 2SC2053，2053 是高频中功率三极管，有较大的输出功率，而且能够承受较大的电流，综合功耗和作用距离等相关因素，可知 2053 是极佳的选择。经过 2053 功率放大后的信号再次经过一个由 L3、C1
23、1 组成的二阶低通滤波器，滤除功率放大过程中产生的谐波，以便使电路工作在最佳状态，最后，能量信号经电感线圈辐射出去，供给应答器使用。这里需要指出，缓冲级和功率放大级采用的都是甲类放大电路的形式，所以比较容易产生谐波，所以需要不断的进行滤除高次谐波，使电路工作在最佳状态。而考虑到 9014 的静态工作点，则必须要使用中周即 T1，如果没有中周，相当于 9014 没有供电，9014 不会工作。图 4.1 功率放大单元电路Fig.4.1 Power amplifier module circuit 4.2.2 电源单元在阅读器设计中，有源晶振单元和 PT2272 解码芯片使用 5V 电源，功率放大单元采用8V 供电，因此，使用三端集成稳压器 LM7805 为有源晶振单元和 PT2272 解码芯片提供 5V 电源，而功率放大单元所需的 8V 由外接电源直接供给，本着简洁实用的原则，电源电路如图4.2 所示。图 4.2 阅读器电源单元电路Fig.4.2 Power unit Circuit of reader
