【正文】 自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，它可以使用 RFID 技術(shù)，通過路側(cè)天線與車載電子標(biāo)簽之間的專用短程通信，不需要司機(jī)停車和收費(fèi)人員的操作，自動(dòng)完成 收費(fèi)。美國是最早采用 RFID 進(jìn)行軍事物流管理的國家，美國每年經(jīng)國防物資利用與銷售系統(tǒng)處理的物資價(jià)值在六十億以上，采用射頻識(shí)別技術(shù)后，將極大地提高物資補(bǔ)給的效率。 隨著微型集 成電路、天線技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 微型 低功耗的智能 RFID 標(biāo)簽得到了很大發(fā)展， 并且成本也大大降低。系統(tǒng)可靠性高，操作方便快捷。下面是論文的章節(jié)安排 第一章 主要介紹一些常見的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，詳細(xì)說明了射頻識(shí)別技術(shù)的原理、發(fā)展及現(xiàn)狀、應(yīng)用和特點(diǎn)。 6 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 對(duì) 射頻識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和測試，包括系統(tǒng)的線圈耦合的調(diào)試和正確率、最大識(shí)別距離的測量。在本次設(shè)計(jì)中使用的是電感耦合。 所謂的電感耦合實(shí)際上是從電子標(biāo)簽和閱讀器之間的通信及能量傳輸方式而言的。如圖 所示。常見的作用距離是 1020cm。下面通過舉一個(gè)例子來具體說明一下，如圖 所示。只要后一級(jí)的負(fù)載發(fā)生變化，天線 1 上的電壓就會(huì)發(fā)生變化，負(fù)載周期性變化，那么天線 1 上的電壓也是周期性變化。 第 二 章 射頻識(shí)別技術(shù)工作原理 9 圖 負(fù)載調(diào)制電路 圖 負(fù)載固定時(shí)閱讀器天線的波形 圖 負(fù)載變化時(shí)閱讀器天線的波形 射頻識(shí)別系 統(tǒng)的組成 射頻識(shí)別是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)至少包括閱讀器、天線和電子標(biāo)簽。對(duì)于電子標(biāo)簽和閱讀器而言，天線是它們之間的空間接口。所以，天線是發(fā)射電磁波和接收電磁波的重要無線電設(shè)備，可以說沒有天線就沒有無線電通信 [1]。在電感耦合 RFID 系統(tǒng)中主要使用環(huán)形天 線。在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作過程中，通常由閱讀器在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)送射頻能量形成電磁場。它可以單獨(dú)具有讀寫、顯示、數(shù)據(jù)處理等功能，也可以與其他的系統(tǒng)聯(lián)合使用來完成對(duì)電子標(biāo)簽的操作 [3]。低頻和高頻閱讀器的發(fā)射功率較小，頻率較低，所以系統(tǒng)的識(shí)別距離就較小。 閱讀器的組成、 雖然各種射頻識(shí)別系統(tǒng)在耦合方式、通信方式、數(shù)據(jù)傳輸方式以及工作頻率的選擇上存在著很大的區(qū)別，但是， RFID 閱讀器的組成基本相同。信號(hào)控制和處理模塊通常采用 ASIC 組件和微處理器來實(shí)現(xiàn)其功能。 對(duì)于電感耦合的 RFID 體統(tǒng)，因?yàn)楣ぷ黝l率較低，所以閱讀器的高頻接口部分電路比較簡單。常見的分離式閱讀器有固定式閱讀器，而典型的集成式閱讀器有手持閱讀器。 電子標(biāo)簽的主要組 成部分是耦合天線和標(biāo)簽芯片如圖 。電子標(biāo)簽附著在物體對(duì)象上，就可以對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)分類的方式不同，電子標(biāo)簽可以分為不同的類型。 （ 2）無源標(biāo)簽 無源電子標(biāo)簽就是指電子標(biāo)簽內(nèi)部沒有電池提供工作電壓。 按電子標(biāo)簽的工作頻率 （ 1）低頻標(biāo)簽 低頻標(biāo)簽的工作頻率較低，工作頻率范圍為 30KHZ 到 300KHZ，是型的電感耦合型標(biāo)簽，它的天線一般為線圈型天線。缺點(diǎn)是：存儲(chǔ)數(shù)量較少、速度慢、識(shí)別距離近。缺點(diǎn)是：價(jià)格太高。單片機(jī)用來編碼和解碼 ，并用數(shù)碼管來顯示電子標(biāo)簽的信息。 圖 方案一的電路結(jié)構(gòu) 方案二： 如圖 所示，此系統(tǒng)不采用單片機(jī)進(jìn)行編碼和解碼，而是采用通用的編碼芯片 PT2262 和解碼芯片 PT2272,，使用發(fā)光二極管來顯示電子標(biāo)簽的四位撥碼開關(guān)的信息 。 調(diào)制方案選擇 方案一：直接調(diào)制 直接使用 FSK 或 ASK 調(diào)制，這樣的調(diào)制電路復(fù)雜，所以電路的功耗就會(huì)相對(duì)大一點(diǎn)，這對(duì)于無源電子標(biāo)簽來說，功耗太大是不行的。這就是負(fù)載調(diào)制。如果選取頻率較高，電路就會(huì)相對(duì)復(fù)雜，并且功耗就大。我們可以使用直徑不大于 1mm 的漆包線或帶有絕緣皮的導(dǎo)線密繞 10 圈制成，天線的直徑可以選擇 左右，繞成空心的。 電子標(biāo)簽 框圖如圖 所示 圖 電子標(biāo) 簽框圖 18 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 閱讀器框圖如圖 所示 圖 閱讀器框圖 第 四 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 19 第四章 系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn) 本章內(nèi)容是系統(tǒng)的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)，包括電子標(biāo)簽和閱讀器的具體設(shè)計(jì)。由于它工作可靠、使用 方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中， 555 集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件，有分壓器、比較器、基本 RS 觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。 20 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) PT2262/PT2272 芯片簡介 PT2262/PT2272 是一種 CMOS 工藝制造的低功耗低價(jià)格的通用編碼和解碼芯片 PT2262/PT2272 最多可有 12 位 (A0A11)三態(tài)地址端管腳 (懸空 ， 接高電平 ，接低電平 )， 任意組合可提供 531441 地址碼。 管腳功能 ： PT2262 管腳說明 ，如表 41： 表 41 PT2262 管腳說明 名稱 管腳 功能 A0A11 1 1013 地址管腳 ,用于進(jìn)行地址編碼 ,可置為“ 0”，“ 1”，“ f” (懸空 ) D0D5 7 1013 數(shù)據(jù)輸入端，有一個(gè)為 “ 1” 即有編碼發(fā)出，內(nèi)部下拉 Vcc 18 電源正端（＋） Vss 9 電源負(fù)端（－） TE 14 編碼啟動(dòng)端，用于多數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射，低電平有效； OSC1 16 振蕩電阻輸入端，與 OSC2 所接電阻決定振蕩頻率； OSC2 15 振蕩電阻振蕩器輸出端 VT 17 編碼輸出端 在具體的應(yīng)用中，外接振蕩電阻可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，阻值越大振蕩頻率越慢， PT2272 管腳說 明，如表 42： 第 四 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 21 表 42 PT2272 管腳說明 名稱 管腳 功能 A0A11 1 1013 地址管腳 ,用于進(jìn)行地址編碼 ,可置為“ 0”，“ 1”，“ f” (懸空 ) D0D5 7 1013 數(shù)據(jù)輸入端，有一個(gè)為 “ 1” 即有編碼發(fā)出，內(nèi)部下拉 Vcc 18 電源正端（＋） Vss 9 電源負(fù)端（－） DIN 14 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端，來自接收模塊輸出端 OSC1 16 振蕩電阻輸入端 ， 與 OSC2 所接電阻決定振蕩頻率； OSC2 15 振蕩電阻振蕩器輸出端 VT 17 解碼有效確認(rèn)輸出端 （常低）解碼有效變成高電平（瞬態(tài)） 使用注意事項(xiàng)： PT2262 和 PT2272 的地址碼只有完全相同才能配對(duì)使用，要不然就不能完成編碼、解碼工作。閱讀器的發(fā)射輸出端采用發(fā)射線圈和電容并聯(lián)構(gòu)成諧振回路。經(jīng)計(jì)算得電容的大小為 。 電源模塊 電子標(biāo)簽采用的是無源的，工作電壓是通過電感耦合的方式從閱讀器得到。二極管的典型特征就是單向?qū)ㄌ匦浴?但是， 圖 簡單的整流電流模型 上圖的整流模型不足以提供穩(wěn)定的直流電壓，并且電壓值也不夠要求。電路構(gòu)成了 T D R1 和D4 的導(dǎo)通回路。具體電路如圖 所示。電容的后面并聯(lián)了一個(gè) 5V 的穩(wěn)壓二極管，這樣就將直流電壓穩(wěn)定在了 5v。四位的數(shù) 據(jù)通過四位撥碼開關(guān)來進(jìn)行輸入。因?yàn)榇俗R(shí)別系統(tǒng)的工作頻率在 125KHz 左右，所以編碼寬度要相對(duì)大一些，這樣在調(diào)制好以后，更容易解調(diào)。當(dāng)撥碼開關(guān)的數(shù)值為 1101 時(shí)， Dout 的輸出波形如圖 所示 第 四 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 25 圖 編 碼芯片電路。在此系統(tǒng)中使用的是電感耦合，電感耦合可以看成是變壓器模型，閱讀器的天線可以看作是變壓器的初級(jí)線圈，電子標(biāo)簽的天線可以看作是變壓器的次級(jí)線圈。模擬開關(guān)選用三極管 S8050。 S8050 的集電極接整流橋的正端，發(fā)射極接的是地，而基極接的是編碼芯片 PT2262 的輸出。 發(fā)射模塊的設(shè)計(jì) 發(fā)射模塊的主要部分就是振蕩電路，振蕩電路可以使用有源晶振產(chǎn)生也可以使用 LC 振蕩電路來產(chǎn)生。并且電路 第 四 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 27 中存在分布電容，它對(duì)電路的影響是不能忽視的。系統(tǒng)中使用的電路如圖 所示。但是此時(shí) 555 內(nèi)部的放電三極管（如圖 所示）將導(dǎo)通，此時(shí)電容C3 通過 R2 和 R3 開始放電，當(dāng)電容 C3 的上端電壓降低到 1VCC/3 時(shí)， 555 的第3 腳的電平開始反轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，放電結(jié)束后 555 內(nèi)部放電三極管截止， VCC 開始通過 R R3 和 R2 對(duì) C3 開始充電，當(dāng) C3 兩端的電壓達(dá)到 2VCC/3 時(shí)， 555芯片的第 3 腳輸出低電平。因?yàn)檎袷庪娐份敵龅姆讲]有經(jīng)過放大，驅(qū)動(dòng)能力很弱，不能夠用來驅(qū)動(dòng)天線諧振。 TC4423 芯片的工作電壓范圍是 至 18V。 第 四 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 29 解調(diào)電路 電子標(biāo)簽的調(diào)制方式選用的是負(fù)載調(diào)制，使用編碼信號(hào)來控制三極管的通斷來改變電子標(biāo)簽的負(fù)載，也就相當(dāng)于改變了閱讀器天線的負(fù)載，改變了閱讀器天線上的電壓。二 極管 D3 為 IN60 作檢波使用。但是，當(dāng) PT2262 工作以后，它就會(huì)有輸出，而它的輸出就可以改變閱讀器天線的負(fù)載。從低通濾波器輸出的波如圖 所示。由于 PT2272 需要和PT2262 配對(duì)才能使用，在電子標(biāo)簽電路中，我們將 PT2262 的 1 腳到 8 腳都懸空沒接，所以解碼芯片 PT2272 在接入電路的時(shí)候要注意這一點(diǎn)，也要將 PT2272 的1 腳到 8 腳懸空。 32 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 芯片 PT2272 構(gòu)造的解碼電路 此射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作過程 如圖 所示 圖 射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作流程 最終電子標(biāo)簽的實(shí)物圖如圖 所示 ，閱讀器的實(shí)物圖如圖 所示： 第 四 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 33 圖 電子標(biāo)簽實(shí)物圖 圖 閱讀器實(shí)物圖 34 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第五章 射頻識(shí)別系統(tǒng)的調(diào)試和測試 35 第五章 射頻識(shí)別系統(tǒng)的調(diào)試和測試 本章內(nèi)容是系統(tǒng)的調(diào)試與測試，包括線圈耦合調(diào)試和系統(tǒng) 最大識(shí)別距離的測量，并且在一定距離下，系統(tǒng)識(shí)別正確率的測量。電子標(biāo)簽的天線兩端輸出的是正弦波。調(diào)試完成后測得系統(tǒng)工作的頻率為 117KHZ。 系統(tǒng)識(shí)別 正 確率的測量 閱讀器加上正常的工作電壓，將閱讀器線圈和電子標(biāo)簽線圈之間的距離設(shè)置為 2cm，改變電子標(biāo)簽的撥碼開關(guān)的值，觀察閱讀器的顯示 結(jié)果。 近幾年它成了 國內(nèi)外 研究的熱點(diǎn)。研究了電感耦合 RFID 系統(tǒng)的工作原理，本系統(tǒng)的兩個(gè)重要原理是電感耦合原理和負(fù)載調(diào)制原理，并且，借助這兩個(gè)原理設(shè)計(jì)了射頻識(shí)別系統(tǒng)的總體方案， 和各部分的硬件電路。但是，本實(shí)現(xiàn) 方案也存在缺點(diǎn)，那就是識(shí)別距離太小，最大的識(shí)別距離也只有 。 最后，我要深深的感謝我的父母、兄弟姐妹和親戚朋友，感謝他們多年來對(duì)我無微不至的關(guān)懷和不求回報(bào)的愛，是他們給予我物質(zhì)上與精神上的支持，給予我前進(jìn)的動(dòng)力，使我的生活充滿了歡樂和希望，在此向他們表示深深的感謝！ 再