基于耦合線圈的無線射頻識別裝置的實現

廖雪平　常　劍　趙小翠

摘要：電感耦合是實現能量和數據無線傳輸的物理基礎。首先介紹7基于耦合線圈的無線識別裝置的實現方法，該方法通過閱讀器線圈和應答器線圈之間的耦合來發送和接收數據。然后給出了無線識別的硬件實現電路及軟件設計流程圖。閱讀器和應答器由MCU控制。

關鍵詞：耦合線圈；無線識別；閱讀器；應答器

1引言

無線射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術，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，實現對被識別物體的自動識別。無線射頻識別系統一般由兩個部分組成：應答器和閱讀器。當帶應答器的被識別物品通過其可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將應答器中的約定識別信息取出來，從而實現自動識別的功能。

本文給出一種實現簡單射頻識別系統的方式。閱讀器由普通功耗的單片機系統構成，應答器由一種低功耗的貼片單片機系統構成。單片機通過串口接收和發送數據，數據的校驗則通過程序實現。

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答器兩部分。其系統方框圖如圖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生電路、信號放大電路、單片機及其LED顯示電路組成。應答器主要由整流濾波儲能電路、單片機及其接口電路組成。數據的發送和接收是通過Mc u之間的串口編程實現的。其工作流程如下：芯片CD4060產生一個500KHz的載波信號，線圈回路通過調整電感電容的參數使其發生諧振，從而發射一定能量的電磁波。閱讀器的線圈將產生的能量以電磁波的方式發送到一定的空間范圍內，形成閱讀器的有效閱讀區域。當應答器到達閱讀器有效閱讀區域中時，閱讀器通過電感耦合接收應答器發出的數據信號，并將信號通過放大電路進行放大，經單片機的串行口送入單片機。單片機通過程序，將數據通過LED顯示，從而完成數據的無線識別。

應答器根據能量來源可分為有源應答器和無源應答器。有源應答器的工作所需的能量由外電源提供。對于無源應答器來，其工作所需的能量來自于閱讀器發射的電磁波。本裝置的應答器可以由外電源供電，也可以由閱讀器發出的電磁波獲得能量。

3系統硬件設計

系統硬件主要包括閱讀器載波信號產生電路、閱讀器單片機系統電路、應答器整流濾波電路、應答器單片機系統電路四部分。

3、1閱讀器載波信號產生電路

閱讀器載波信號產生電路中，閱讀器使用芯片c D4060產生一個500KHz的信號給線圈，通過串聯電容c和電阻R使電路發生振蕩。當電容c為某個值時電路發生串聯諧振。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。放大倍數可通過調節輸入端的匹配電阻來調節。

3、2閱讀器單片機系統電路

單片機系統是閱讀器的主要組成部分。數據的發送主要通過它來實現的。單片機采用結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送數據，對接收到的數據進行校驗，若收到的數據有效，便通過LED顯示出來。由于應答器的置數是撥碼開關實現，其范圍為0到15，因此這里用四位LED來表示。

3、3應答器整流濾波電路

應答器由單片機及接口電路、耦合線圈、濾波儲能電路等構成。當應答器無外接電源時，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，經濾波電容濾掉高頻信號，其兩端輸出的電壓既為應答器內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載能力。

3、4應答器單片機系統電路

應答器單片機系統電路與閱讀器的類似。主要的區別是應答器單片機系統采用了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置數電路。與普通單片機相比，STC89LE58工作電

壓范圍較寬(2～3.8V)，功耗較低。這里選用4M晶振以減少單片機的工作頻率，從而降低了應答器的功耗。應答器在無源狀態下，選用低功耗的單片機顯得尤其重要。

4、系統軟件設計[4]

4、1閱讀器軟件設計

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，并發送載波信號形成有效的閱讀區域；然后不斷檢測是否有中斷，當有串口中斷時，表明有應答器進入有效閱讀區域數據；閱讀器通過單片機串行通信的RXD端接收數據，當跳變檢測器檢測到RXD引腳的負跳變時，開始接收數據，并點亮一只LED；當一幀數據接收完畢，單片機對數據進行校驗，校驗為有效數據，將接收到的數據輸出到LED顯示；接收控制器向CPU申請中斷，開始接收下一幀數據。

4、2應答器軟件設計

應答器工作分為有源狀態和無源狀態。在無源狀態下，其工作流程為：應答器進入閱讀器的有效閱讀區域，通過線圈之間的電磁感應獲得電能并提供給單片機工作；單片機不斷掃描撥盤開關的數據，并按一定的波特率發送出去；在發送兩位數據的同時，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，繼續發送下一位數據，直到發送完整個字節。單片機等待工作方式由電源控制寄存器PCON設定。

有源狀態時的應答器工作與無源狀態相同，只是應答器直接用兩節干電池供電。

5、測試方案與測試結果

測試方案主要包括對識別距離、識別時間、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，應答器以兩節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答器的距離D。測試結果表明：當匹配電容c=6000PF時，閱讀器能識別應答器的距離D最大。最大值為Dmax＝6.9cm。

(2)識別時間的測試。經過三十次測試，測試閱讀器識別應答器的時間T均在1s以內，響應非常快。

(3)識別應答器預置編碼的正確率測試。改變應答器預置數的大小，分別測出觀察閱讀器所顯示的數據的正確性。不斷重復上述操作，測試結果如表1所示。

對識別距離D的測試結果表明，當匹配電容為6000PF時，能識別的距離最大，原因是此時閱讀器的振蕩支路發生LC諧振。在閱讀器的有效閱讀區域內，閱讀器識別應答器編碼的正確率達到了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。經過多次測量接收的數據，識別時間T均在1s以內，表明識別裝置的響應非常迅速。

參考文獻

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[3]清源計算機工作室Protel99SE原理圖與PCB及仿真[M]，E京：機械工業出版社,2006

[4]馬梅忠，單片機的c語言應用程序設計[M]，第3版，北京：北京航空航天大學出版社，2004