【正文】 次對所有幫助過我的老師、同學(xué)、親人和朋友表示最誠摯的謝意！ 40 RFID 自動識別系統(tǒng)設(shè)計 參考文獻(xiàn) 41 參考文獻(xiàn) [1]郎為民 .射頻識別 （ RFID）技術(shù) 原理與應(yīng)用 .北京：機械工業(yè)出版社 .2021 [2]康東 .石喜勤 .李勇鵬等 . 射頻識別（ RFID）核心技術(shù)與典型應(yīng)用開發(fā)案例 .人民郵電出版社 .2021 [3]游戰(zhàn)清 .李蘇劍等 . 無線射頻識別技術(shù)（ RFID）理論與應(yīng)用 .電子工業(yè)出版社 .2021 [4]慈新新 .王蘇濱 .王碩 . 無線射頻識別（ RFID）系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用 .人民郵電出版社 .2021 [5]游戰(zhàn)清 .劉克勝 .張義強 .吳谷 . 無線射頻識別技術(shù)（ RFID）規(guī)劃與實施 .電子工業(yè)出版社 .2021 [6]譚民 .劉禹 .曾 雋芳等 .RFID技術(shù)系統(tǒng)工程及應(yīng)用指南 .北京：機械工業(yè) 出版社 .2021 [7]張殿東 .無線射頻識別（ RFID）技術(shù) .電信技術(shù) . [8]趙玉峰 .無線射頻識別 .北京電子 .202112 [9]王曉華 .周曉光 .射頻識別技術(shù)及其應(yīng)用 .現(xiàn)代電子技術(shù) . 。 還要特別感謝 趙培力 學(xué)長，他在硬件電路設(shè)計和調(diào)試方面提供了許多寶貴的意見。在系統(tǒng)正常工作的情況下測量了系統(tǒng)的最大識別距離，在一定的工作距離下測量了系統(tǒng)的識別率。 本論文對常見的自動識別技術(shù)作了介紹， 詳細(xì)介紹了射頻識別技術(shù) ，重點是借助電感耦合原理和負(fù)載調(diào)制原理，實現(xiàn)了電子標(biāo)簽和閱讀器的設(shè)計。 36 RFID 自動識別系統(tǒng)設(shè)計 表 51 識別距離： 2cm 測試次數(shù) 電子標(biāo)簽編碼 閱讀器識別結(jié)果 1 0000 0000 2 0001 0001 3 0010 0010 4 0011 0011 5 0100 0100 6 0101 0101 7 0110 0110 8 0111 0111 9 1000 1000 從上表 54 我們可以得到的結(jié)論是：在距離為 2cm 的情況下，識別的正確率為 100%。然后將電子標(biāo)簽從遠(yuǎn)處慢慢靠近閱讀器的天線，當(dāng)閱讀器的二極管顯示電子標(biāo)簽的值時，停止電子標(biāo)簽的移動，此時測量閱讀器的天線和電子標(biāo)簽天線之間的距離記做 D， D 就是此射頻識別系統(tǒng)的最大識別距離。使用示波器顯示電子標(biāo)簽天線上的波形，調(diào)節(jié)可變電阻 R2，當(dāng)電子標(biāo)簽的輸出波形的振幅達(dá)到最大時，線圈已經(jīng) 達(dá)到了諧振，此時停止調(diào)節(jié) R2。在此系統(tǒng)中的線圈耦合部分很容易受到這種因素的干擾，所以電路連接好以后，還需要微調(diào)系統(tǒng)的工作頻率。因為 PT2262 的編碼數(shù)據(jù)是四位的，在解碼芯片中使用四位的發(fā)光二極管來顯示編碼值。最后進(jìn)入到 LM311 比較器中進(jìn)行比較得到 PT2262 的編碼信號。圖 的波形要經(jīng) 過檢波二極管 D3 檢波，如果不進(jìn)行檢波而直接進(jìn)行濾波的話，那么濾波的結(jié)果就成了零。 D1 直接接到閱讀器的天線上。解調(diào)的具體電路如圖 所示。 圖 驅(qū)動芯片所構(gòu)成的放大電路 TC4423 的 1 腳和 8 腳是懸空不接的， 2 腳是 A 路通道的輸入， 7 是 A 路通道的輸出。如果選用分立的原件來構(gòu)造這個放大電路那么電路要相對復(fù)雜，并且要涉及到阻抗匹配的問題，這樣設(shè)計起來是很麻煩的。 3 腳輸出的波形如圖 所示。通過調(diào)節(jié)可變電阻 R2 可以改變輸出方波頻率。 我們采用 555 芯片來來構(gòu)造振蕩電路， 555 芯片構(gòu)成的振蕩電路可以產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，可以根據(jù)需要自己選擇。所以使用有源晶振構(gòu)成的振蕩電路不合適。 圖 電子標(biāo)簽部分電路， 閱讀器的設(shè)計 閱讀器由發(fā)射模塊、解調(diào)電路和解碼電路組成。當(dāng)編碼為低電平時，三極管 S8050 的集電極和發(fā)射極之間是斷開的，電子標(biāo)簽天線的負(fù)載就變小，那么閱讀器天線上的電壓就變大。我們可以使用模擬開關(guān)的方法來改變次級線圈兩端 的負(fù)載。本識別系統(tǒng)采用負(fù)載調(diào)制。編碼芯片電路如圖 所示。編碼有效位接地，使其一直有效。在圖 中 U 和地之間的電壓就為 5v。為了讓整流橋輸出的電壓更穩(wěn)定，我們在設(shè)計電路的時候加入了大小為 10uf 的電解電容和一個 的普通電容，將它們并聯(lián)在整流橋的兩端。由于 T1 上的信號是正弦信號，這樣的過程會不斷的重復(fù)出現(xiàn)， R1 上就會有持續(xù)的直流電壓存在。如圖 所示 第 四 章 系統(tǒng)實現(xiàn) 23 圖 用整流橋進(jìn)行整流 在 T1 的正半周期內(nèi)，二極管 D1 和 D3 加上了正向電壓，此時 D1 和 D3 導(dǎo)通，而對于 D2 和 D4 相當(dāng)于加了一個反向的電壓，此時 D2 和 D4 截止，電路構(gòu)成了 TD1 、 R1 和 D3 的導(dǎo)通回路。 一個簡單的方法就是將二極管和電子標(biāo)簽的天線串聯(lián)，結(jié)果就是只有在一個方向上有電流流過二極管，然后再加一個電容來儲存這個電流，通過電容的周期性的放電，就可以提供直流電流了。而電子標(biāo)簽需要的工作電壓是直流的，所以需要一個模塊來將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流的。微調(diào)閱讀器的發(fā)射頻頻率，通過該回路的諧振，使電子標(biāo)簽的線圈兩端電壓達(dá)到最大。 L 為線圈的電感， C 為線圈兩端并聯(lián)的電容。 耦合線圈諧振計算 電子標(biāo)簽的能量是通過電感耦合從閱讀器得到的，電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，這種磁場穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間，因為使用的頻率較低，所以電磁波的波長比閱讀器和電子標(biāo)簽之 間的距離大的多，可以把閱讀器和電子標(biāo)簽之間的磁場看作是交變磁場。編碼芯片 PT2262 發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片 PT2272 接收到兩次完全相同的碼字后才開始解碼， VT 腳才輸出高電平，與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。其中 6 腳稱閾值端 (TH)，是上比較器的輸入； 2 腳稱觸發(fā)端 (TR)，是下比較器的輸入； 3 腳是輸出端 (Vo)，它有 0 和 1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定； 7 腳是放電端 (DIS)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸 入端的狀態(tài)決定； 4 腳是復(fù)位端 (MR)，加上低電平時可使輸出為低電平； 5 腳是控制電壓端 (Vc)， 可用它改變上下觸發(fā)電平值； 8 腳是電源端， 1 腳是地端。但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時延時控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計量檢測。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 閱讀器的組成：振蕩電路、放大電路、解調(diào)電路、解碼電路等。所以最終選擇系統(tǒng)工作在低頻段，低頻系統(tǒng)的典型工作頻率是 125KHZ、 225KHZ 和 ，我們選取工作頻率為 125KHZ。 經(jīng)上比較，選擇方案二的調(diào)制方法。電子標(biāo)簽的線圈可以等效到閱讀器的線圈上。 16 RFID 自動識別系統(tǒng)設(shè)計 圖 方案二電路結(jié)構(gòu) 因為在此 次識別系統(tǒng)的設(shè)計中，電子標(biāo)簽采用的是無源電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽的工作能量是通過耦合得到，這樣的能量很有限，不足以驅(qū)動單片機這樣的芯片。電子標(biāo)簽的主要組成部分：單片機、 調(diào)制電路等。 第 三 章 射頻識別系統(tǒng)總體設(shè)計 15 第三章 射頻識別系統(tǒng)總體設(shè)計 本章的內(nèi)容是系統(tǒng)整體方案的選擇，以及調(diào)制方案和系統(tǒng)工作頻率的選取。但是它的天線發(fā)射出的仍然是波長較長的無線電波，工作原理和低頻的標(biāo)簽完全相同，所以它同樣是電感耦合型的電子標(biāo)簽，它的工作天線同樣是線圈型的。其實 RFID 技術(shù)首先是在低頻得 到廣泛應(yīng)用和推廣的。無源電子標(biāo)簽的使用壽命較長、識別距離相對有源標(biāo)簽的要近。這種電子標(biāo)簽的工作距離相對較遠(yuǎn)，但是使用壽命較短、體積較大、成本較高、需要定期更換電池?？?的 來說 對 電子標(biāo)簽要具有一定的基本要求：具有一定的存儲容量；一定的工作環(huán)境下，標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)可以被讀出也可以被寫 入 [4]。標(biāo)簽芯片的作用是，對天線接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼等處理，同時將自身的信息進(jìn)行編碼、調(diào)制。 電子標(biāo)簽 電子標(biāo)簽 （又稱應(yīng)答器） 作為射頻識別系統(tǒng)組成部分，它的作用也是不言而喻的。 圖 電感耦合型 RFID 系統(tǒng)閱讀器的高頻接口部分 閱讀器的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能需求以及不同設(shè)備制造商的生產(chǎn)習(xí)慣，閱讀器有 不同的結(jié)構(gòu)與外觀形式。高12 RFID 自動識別系統(tǒng)設(shè)計 頻接口模塊主要由發(fā)送器和接收器組成。此外，閱讀器還需要發(fā)射電磁能量的天線。超高頻的發(fā)射功率較大，頻率較高，所以系統(tǒng)的識別距離較大。閱讀器的功率 直接 影響射頻識別的距離。總結(jié)起來閱讀器的功能是：完成與電子標(biāo)簽之間的通信；對需要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、 第 二 章 射頻識別技術(shù)工作原理 11 解碼；對需要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；同時識別多個電子標(biāo)簽，要有防碰撞功能。 閱讀器 在無線射頻識別系統(tǒng)中，閱讀器是主要的組成部分之一。所以天線的設(shè)計和選擇要符合一定的條件：天線線圈的電流 達(dá)到最大，以便產(chǎn)生最大的磁通量；要有一定的帶寬，保證信號的調(diào)制不會互相干擾；功率匹配，這樣能夠最大限度利用磁通量。無線電發(fā)射模塊發(fā)射射頻信號，通過電纜輸送到天線上面，天線將射頻信號以電磁波的形式輻射出去。下面對系統(tǒng)的各個組成部分進(jìn)行說明。上面的過程就是負(fù)載調(diào)制過程。如果 V2 不工作的話，天線 1 上的振蕩信號是穩(wěn)定的如圖 所示。 負(fù)載調(diào)制原理 在電感耦合型射頻識別系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽的編碼信息需要調(diào)制以后，才能使用天線發(fā)射出去，負(fù)載調(diào)制是常用的一種調(diào)制方法。通過這種耦合的方式，閱讀器可以對電子標(biāo)簽實現(xiàn)實時控制 [1]。電感耦合方式的電子標(biāo)簽幾乎都是無 源的，電子標(biāo)簽工作的所有能量都是由閱讀器發(fā)送的電磁能量提供。電感耦合 RFID 系統(tǒng)的工作原理：由閱讀器的發(fā)射電路通過天線發(fā)射某一 特定頻率的射頻信號，形成閱讀器的有效識別區(qū)域。 電感耦合 RFID 系統(tǒng)工作原理 電感耦合原理 電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過天線架起空間電磁波傳輸?shù)耐ǖ馈? 第三章 射頻識別系統(tǒng)的整體設(shè)計，包括整體方案的選擇、調(diào)制方案的選取、天線的選擇、工作頻率的選擇。 研究內(nèi)容 本論文介紹了一些常見的自動識別技術(shù)，詳細(xì)介紹了射頻識別技術(shù)的概念和原理。 RFID 具有很強的環(huán)境適用性，抗干擾能力強，可在全天候下使用，幾乎不受惡劣環(huán)境的影響，同時還避免機械磨損。 射頻識別技術(shù)的優(yōu)勢 射頻識別技術(shù)（ RFID）是自動 識別的高級形式。例如，零售環(huán)節(jié)中使用 RFID 技術(shù)有效跟蹤運輸與庫存，可以改進(jìn)零售商的庫存管理，實現(xiàn)適時補貨，提高效率。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展及其生產(chǎn)規(guī)模的不斷壯大，射頻識別產(chǎn)品的成本將不斷地降低，其應(yīng)用也將越來越廣泛。隨著 RFID 技術(shù)的重要性日益體現(xiàn)，我國政府也希望能夠在這項技術(shù)上有所創(chuàng)新。 國內(nèi)由 于涉足 RFID 較晚，因而在該領(lǐng)域落后于發(fā)達(dá)國家，特別是在 RFID芯片的設(shè)計生產(chǎn)方面還比較落后。在歐洲產(chǎn)業(yè)方面，歐洲的 Philips 公司、 ST 微電子公司在積 極開發(fā)廉價 RFID 芯片； Checkpoint 公司在開發(fā)支持多系統(tǒng)的 RFID 識別系統(tǒng)。 射頻識別技術(shù)的發(fā)展 RFID 技術(shù)最早的應(yīng)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中飛機的敵我目標(biāo)識別，但是由于技術(shù)和成本原因，一直沒有得到廣泛應(yīng)用。 RFID 系統(tǒng)因應(yīng)用不同，其組成也會有所不同，但是基本都由電子標(biāo)簽和閱讀器兩大部分組成。由于無線電波能“掃描”數(shù)據(jù)，所以 RFID 掛牌可做成隱形的，有些 RFID 識別產(chǎn)品的識別距離可以達(dá)到幾百米 [3]。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，視覺識別技術(shù)可與其他自動識別技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用 [2]。 [1] 傳統(tǒng)的身份鑒定方法包括身份標(biāo)識物品（如鑰匙、證件、 ATM 卡等）和身份標(biāo)識知識（如