433 MHz有源電子標簽的設計與實現

胡林亞， 鄒傳云， 張剛建

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010）

0 引言

射頻識別(RFID)是一種基于無線通信的自動識別技術，簡單的來講就是可以不通過物體間接觸，通過線圈的耦合或者雷達的原理，來自動識別的電子標簽所攜帶的信息。RFID系統中的標簽根據它自身是否能供電可以分為有源或無源電子標簽，有源電子標簽由于它本身能夠供電，識別距離大概是普通無源標簽的5～10倍[1]。隨著技術的進步和需求指標的不斷提高，有源遠距離的電子標簽越來越受到人們的關注。文中設計的433 MHz有源電子標簽為可讀寫型電子標簽，閱讀器不需要向電子標簽供電，只需給到達自己輻射范圍的電子標簽一個激勵信號，標簽本身帶有電池，感受到這個激勵信號后電池開始工作，完成讀寫信息的交換。這樣做大大可以降低電池的待機功耗，增加標簽的使用年限。

1 標簽電路的設計

1.1 芯片的選型

有源電子標簽電路主要由控制電路、射頻電路、天線、電池這4部分構成。其中控制電路和射頻電路由于都需要供電耗能，所以在設計的時候要重點的考慮，這是因為標簽自帶電池的電量有限，如果想要增加使用時間必須要從芯片電路設計和待機這兩部分考慮，所以芯片的選型至關重要，選擇芯片時應盡量選外圍電路簡單，元器件少，體積小，耗能低的芯片。文中的設計中采用TI公司生產的CC1110，該芯片集成了控制部分和射頻部分，同一塊芯片可以完成控制和射頻兩部分功能，大大減小標簽的體積和外圍電路設計的復雜程度，從而可以實現降低電路的耗能，增加標簽的使用壽命。

1.2 標簽電路的設計

文中設計的有源電子標簽的硬件結構框圖如圖1所示[2]。

圖1 標簽的原理

芯片CC1110集成了射頻芯片CC1101和8051 MCU控制芯片，具有32 kByte的Flash和4 kByte的RAM，Flash存儲器主要用于保存用戶程序或重要的數據、信息等一些掉電后不能丟失的數據。只有通過對Flash的編程操作，才能將這些數據寫入Flash存儲器。這里設計時考慮到防止電池供電不足，通過芯片CC1110片內的模數轉換模塊對電池電壓時時檢測，當電池電壓低于2.2 V時，進行聲光報警[3]。

J1是芯片程序燒錄口，通過它可以將外部編寫的程序燒錄到芯片上，從而可以使CC1110進行工作。CC1110芯片工作時，在接受和發射模式下，電流分別低于16.2 mA或16 mA，速率為2.4 kb/s。休眠模式電流僅為0.5 uA，待機模式僅為0.3 uA，CC1110的休眠模式和轉到主動模式的超短時間的特性，可以滿足標簽增加壽命的要求。文中的設計采用的電池供電，綜合標簽的體積和供電消耗，設計采用CR2450型號的電池。

2 天線的設計

天線的設計成功與否直接影響標簽本身讀取性能好壞，標簽設計重點考慮的地方。現在市面上該頻率的產品大多用的都是彈簧天線和陶瓷天線，這樣做不僅增加成本而且加大設計和調試的難度。文中運用天線半波長理論，采用等間隔外加襯底的結構實現天線在PCB板上直接印制，方便電路的連接和調試，降低標簽設計的成本。天線諧振點可以通過改變天線結構進行調節，改變天線的間隔寬度可以調節諧振點，改變天線線寬的長度和寬度可以調節頻率帶寬等等。PCB板上設計天線由于它是直接放到基板上，所以設計時可以用ADS軟件設定板材的參數，套用微帶線的理論，用微帶線計算工具完成天線寬度和長度的確定，到達理論上得正確性和可行性[4]。頻率為433 MHz,波長大概為69 cm,天線的尺寸應滿足半波長的整數倍。設計參數：板材FR4，介電常數為4.4，厚度為1.6 mm。天線參數：長63 mm，寬15.67 mm，線寬為1.1 mm，線的間隔為1.33 mm，間隙為2 mm。運用ADS軟件進行天線的仿真設計，天線的形狀如圖2所示。

圖2 天線的形狀

2.1 天線仿真

參數S11的仿真結果如圖3所示，m1點為f=430.9 MHz，db(s(1,1))=3.089；m3點為f=430.2 MHz，s(1,1)=0.410/178.364，impedance=Z0·(0.418+j·0.012)。

2.2 天線的匹配

由圖3(c)可以算出貼片天線在433 MHz時的阻抗為20.9+j·0.6 Ω，要將它變換到阻抗變換到50 Ω，來實現與原理圖中天線接口匹配，采用最簡單的微帶線匹配，運用ADS中的史密斯圓圖工具進行匹配，結果如圖4所示,其中響應的起止頻率為0～2 GHz。

由圖4看出需要加一條特性阻抗為32.5 Ω的微帶線實現天線阻抗匹配到 50 Ω，利用 ADS中的LinCalc工具計算出微帶線的長為 3.7 mm，寬為6.36 mm。根據匹配的結果最終完成PCB設計板圖。

3 標簽的測試

標簽實際的大小類似于標準卡，長86 mm，寬54 mm,厚6.8 mm. 這樣可以方便人員的佩戴，由于很薄可以貼在物體的背面，或者鑲嵌到物體中。該標簽被封裝在模壓塑料外殼里，能夠抵抗惡劣的環境，可以應用在小型資產跟蹤管理，如筆記本電腦，IT設備，車輛和其他傳輸媒介，非常適合在金屬或高金屬含量的塑料表面工作。根據應用條件作了如下測試，室外空曠環境下，閱讀器高度1.2 m，標簽用雙面膠貼在電腦的背面，讀取距離達到60 m，室內可達到35 m，讀卡成功率達到97%。

4 結語

文中在理論計算的基礎上，根據現在市場上的情況，設計出一種適于資產和人員管理的有源電子標簽，該標簽價格便宜，結構簡單，耗電量低，采用貼片天線，并進行仿真和優化設計，利用ADS完成芯片接口和貼片天線的匹配設計，最后進行了實際的測試，滿足了設計的要求，具有很強的市場推廣性。目前該標簽的主要缺點在于天線尺寸較大，外形不能做到很小。下一步的工作主要是進行不同環境下的應用，根據具體情況進行不同的調整，以擴大標簽的應用范圍。

[1] 廖應成,孫長征,王文峰,等.有源電子標簽與物聯網(上)[J].信息技術與標準化，2010(05):29-31.

[2] 李文仲,段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機和無線自組織網絡入門與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008:31-47.

[3] 王洋,王忠.基于CC2431的無線定位系統[J].通信技術，2009,42(09):190-192.

[4] 何蘇勤,白天石.射頻電路的ADS設計仿真與分析[J].微電子學,2011,41(04):479-483.