負載調制原理的無線射頻應答器設計與實現

林天亮， 陳 曦

(東北大學 a. 計算中心(網絡中心); b. 信息科學與工程學院, 遼寧 沈陽 110819)

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負載調制原理的無線射頻應答器設計與實現

林天亮a， 陳 曦b

(東北大學 a. 計算中心(網絡中心); b. 信息科學與工程學院, 遼寧 沈陽 110819)

射頻識別技術，又稱電子標簽。它利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)自動識別目標對象并獲取相關數據，識別高速運動物體同時可識別多個標簽，操作快捷方便，同時具有難以偽造和智能性較高而得到社會各領域的廣泛應用。本文通過對負載調制原理的研究，設計了RFID應答器的硬件軟件電路系統。本系統主要采用分立元件，有利于學生對原理知識理解，并通過對單片機、觸發器和運放的選型，設計了應答器的各單元電路，如電磁線圈諧振回路、電源穩壓電路、負載調制電路等。本系統經過實驗測試，性能穩定，各項指標滿足設計要求。

射頻識別; 讀卡器; 單片機; VC++； 電子標簽

0 引 言

無線射頻識別技術[1](Radio Frequency IDentification, RFID)已經成為一個很熱門話題。據業內人士預測，RFID[2]技術市場將在未來5年內在新的產品與服務上帶來30～100億美金商機，隨之而來的還有服務器[3]、資料儲存系統、資料庫程序、商業管理軟件、顧問服務，以及其他電腦基礎建設的龐大需求。

最初在技術領域，應答器是指能夠傳輸信息回復信息的電子模塊，近些年，由于射頻技術發展迅猛，應答器有了新的說法和含義，又被叫做智能標簽[4]或標簽。RFID電子標簽[5]的閱讀器通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。因此可以說無線射頻識別技術正在成為全球熱門新科技。

1 負載調制原理

負載調制是電子標簽經常使用的向讀寫器傳輸數據的方法。負載調制[6]通過對電子標簽振蕩回路的電參數按照數據流的節拍進行調節，使電子標簽阻抗大小和相位隨之改變，從而完成調制的過程。負載調制技術主要有電阻負載和電容負載調制兩種方式。

1.1 電阻負載調制

在電阻負載調制中，負載RL并聯一個電阻Rmod，Rmod稱為負載調制電阻，該電阻按數據流的時鐘接通和斷開，開關S的通斷由二進制數據編碼控制。電阻負載調制的電路原理圖如圖1所示。電阻負載調制的特性是：

(1) 當二進制數據編碼[7]為“1”時，開關S接通，電子標簽的負載電阻為Rmod和RL的并聯；當二進制數據編碼為“0”時，開關S斷開，電子標簽的負載電阻為RL。這說明，開關S接通時，電子標簽的負載電阻比較小。

(2) 對于并聯諧振，如果并聯電阻比較小，將降低品質因數[8]。品質因數Q值的降低，將使諧振回路兩端的電壓下降。

(3) 上述分析說明，開關S接通或斷開，會使電子標簽諧振回路兩端的電壓發生變化。為了恢復(解調)電子標簽發送的數據，上述變化應該輸送到讀寫器。

圖1 電磁線圈諧振回路電路圖

(4) 當電子標簽諧振回路兩端的電壓發生變化時，由于線圈電感耦合，這種變化會傳遞給讀寫器，表現為讀寫器線圈兩端電壓的振幅發生變化，因此產生對讀寫器電壓的調幅。

1.2 電容負載調制

在電阻負載調制中，負載RL并聯一個電容Cmod，Cmod取代了由二進制數據編碼控制的負載調制電阻Rmod。電容負載調制的電路原理圖如圖1所示。

電容負載調制的特性是：

(1) 在電阻負載調制中，讀寫器和電子標簽在工作頻率下都處于諧振狀態；而在電容負載調制中，由于接入了電容Cmod，電子標簽回路失諧，又由于讀寫器與電子標簽的耦合作用，導致讀寫器也失諧。

(2) 開關S的通斷控制電容Cmod按數據流的時鐘接通和斷開，使電子標簽的諧振頻率在兩個頻率之間轉換。

(3) 通過定性分析可以知道，電容Cmod的接入使電子標簽電感線圈上的電壓下降。

(4) 由于電子標簽電感線圈上的電壓下降，使讀寫器電感線圈上的電壓上升。

(5) 電容負載調制的波形變化，與電阻負載調制的波形變化相似，但此時讀寫器電感線圈上電壓不僅發生振幅的變化，也發生相位的變化，相位變化應盡量減小。

2 系統硬件單元電路設計

應答器系統的硬件部分由單片機電路、電磁線圈諧振回路、電源整流部分電路、電壓穩壓部分電路、負載調制部分、ID序列號產生部分電路等電路組成。

2.1 系統主芯片選型

系統使用STC89C52作為控制的單片機芯片，STC89C52[9]是一種低功耗、高性能CMOS 8 b微控制器，具有8KB在系統可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 b CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供靈活有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8 kB字節Flash，512 B RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內置8KB E2PROM，MAX810復位電路，三個16 b 定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0 Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35 MHz，6T/12T可選。

2.2 電磁線圈諧振回路

電磁感應現象電磁線圈諧振回路電路圖如圖2所示。LC網絡構成并聯諧振，諧振頻率為125 kHz，線圈靠近讀卡器時，產生電磁諧振[10]，回路中感應出感應波形，但是這個過程很短暫，無法用示波器觀看。

2.3 電源整流部分電路

電源整流電路圖如圖3所示，經由天線電路耦合得到的高頻交流信號經過二極管組成的全波整流電路后，轉換為單極性的交流信號，再經過電容C20濾除高頻成分，獲得直流電壓。C20同時作為儲能元件，獲得較強的帶載能力。

圖2 電磁線圈諧振回路電路圖

圖3 電源整流部分電路

2.4 電壓穩壓部分電路

經過整流濾波電路[11]后，在濾波電容兩端得到的直流電壓是不穩定的，當應答器原理機與閱讀器的距離變化時，它隨應答器線圈上的耦合電壓的變化而變化，而應答器內的電路需要較高穩定性的電壓，因此需要采用穩壓電路[12]。在圖4中，信號首先經過一個穩壓管，再經過放大網絡，輸出到Vcc，同時給控制器MCU一個中斷信號，通知MCU開始工作。得到穩定的直流電壓后，電源指示燈點亮，電路開始正常工作。

圖4 電壓穩壓部分電路圖

2.5 負載調制部分電路

控制器輸出的ID序列號要經過負載調制才能通過線圈，經過耦合發送至閱讀器。從CPU的P1.3與P1.4口輸出的數字序列先經過7407傳輸門[13]，然后經過負載調制網絡，得到負載調制波形，傳送到線圈發送出去，閱讀器接收到后解調即可得到ID序列波形。負載調制部分電路如圖5所示。

3 系統軟件設計及系統測試

本文應用 Visual C++6.0[14]作為開發工具，后端數據庫則使用MS SQL Server 2008[15]開發，使用C++語言進行開發。

圖5 負載調制部分電路圖

上位機開發流程設計步驟如下：

(1) 打開VC++6.0[16]SP6，新建一個基于對話框的MFC AppWizard應用程序，命名為“RFID讀卡器二次開發軟件平臺”；

(2) 將對話框Caption更改為“RFID讀卡器二次開發平臺”，并創建新類CRFID，作為平臺的主界面；

(3) 在對話框資源處插入一個新的對話框，更改Caption為“125KHz系統二次開發”，創建新類 ，進行界面設計及功能實現；以此類推，創建需要的按鈕對話框；

(4) 編寫典型開發文檔，實現主界面對應按鈕功能；

(5) 制作AVI動畫，實現主界面對應按鈕功能；

(6) 添加連接、包含等代碼，將各個對話框類與主程序關聯，整體調試、運行；

(7) 反復調試無誤，生成Release版或Debug版并發布。

系統調試：將應答器硬件電路設計完成后，進行焊接，然后靠近閱讀器產生如圖6的(b)波形，即為負載調制波形，(a)為二進制數據編碼信號。

圖6 負載調制測試波形圖

4 結 語

本系統完成了應答器的硬件軟件電路設計，具有電路設計簡單、易于操作、設計成本低的特點。文本設計采用分立元器件設計，利于學生對原理知識的理解消化，提高學生動手能力。本設計還存在不足之處，系統硬件測試存在干擾，可考慮增加電容，去除干擾。

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The Design and Implementation of a Wireless RF Transponder Based on the Load Modulation Principle

LINTian-lianga,CHENXib

(a. Computing and Network Center; b. College of Information Science Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

RFID (Radio Frequency Identification), also known as electronic tags, can recognize target and get relevant data automatically by using radio frequency signals through space coupling (alternating magnetic or electromagnetic fields). RFID technology can not only identify fast moving objects and multiple tags in a fast and convenient way, but also be difficult to be forged. So the technology is applied in all areas of society. In this paper, the hardware and software of transponder circuit system are designed through the study of load modulation principle. This system mainly adopts the discrete component, and is conductive to understand the principles of knowledge for students. And the unit circuit of the transponder is designed based on the selection of single chip microcomputer, triggers and op-amp, such as the electromagnetic coil resonant circuit, power supply voltage regulator circuit, load modulation circuit, etc. After experiments and testing, the system performance is stable and the indicators meet the design requirements.

radio frequency identification(RFID); card reader; single-chip processor; VC++； electronic tags

2015-01-11

國家自然科學基金資助項目(11273001)

林天亮(1967-)，男，遼寧大連人，學士，工程師，主要研究方向為計算機應用技術、多媒體網絡教學等。

E-mail: rage_zg@r26.com

TP 393

A

1006-7167(2015)08-0112-03