【正文】 ；對(duì)電子標(biāo)簽身份識(shí)別 。通常高頻接口模塊又被稱作射頻模塊，它的主要功能是：產(chǎn)生一定頻率的射頻信號(hào)，發(fā)射射頻信號(hào)，激活電子標(biāo)簽并為其提供工作電壓；調(diào)制發(fā)射信號(hào)，對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行寫入操作：解調(diào)電子標(biāo)簽的射頻信號(hào) [2]。通常電感耦合的 RFID 系統(tǒng)閱讀器的高頻接口如圖 。根據(jù)天線和閱讀器模塊是否分離，可以分為分離式閱讀器和集成式閱讀器。根據(jù)閱讀器的應(yīng)用場合，可以分為固定式閱讀器、 OEM（ Original Equipment Manufacturer 原始設(shè)備制造商）模塊、工業(yè)閱讀器、手持閱讀器和讀卡器。電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)了可用的信息，通過電感耦合可以將此信息傳輸?shù)叫畔⒉杉到y(tǒng)中。耦合線圈的作用就是接收閱讀器發(fā)射出來的電磁波同時(shí)將標(biāo)簽芯片的信號(hào)以電磁波的形式發(fā)射出去。 第 二 章 射頻識(shí)別技術(shù)工作原理 13 圖 電子標(biāo)簽的組成 每個(gè)電子標(biāo)簽都具有唯一的編碼，這些編碼被存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊中。電子標(biāo)簽中的內(nèi)容可以被永久鎖定，也可以被修改。 由于各種識(shí)別系統(tǒng)的原理和應(yīng)用領(lǐng)域不同，電子標(biāo)簽的原理、結(jié)構(gòu)和外觀也有很大的區(qū)別。 按供電方式 （ 1）有源標(biāo)簽 有源電子標(biāo)簽是指電子標(biāo)簽內(nèi)部有電池提供標(biāo)簽工作的電壓。此類標(biāo)簽的工作環(huán)境受到很大限制，很多惡劣的環(huán)境不適合使用。無源電子標(biāo)簽利用線圈耦合電磁波技術(shù)從閱讀器那得到能量，然后轉(zhuǎn)換成直流電源，為無源電子標(biāo)簽提供工作電壓。但是無源電子標(biāo)簽對(duì)工作環(huán)境要求很低。低頻標(biāo)簽一般為無源標(biāo)簽，工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射場中得到。低頻電子標(biāo)簽的優(yōu)勢是：省電、價(jià)格低。 （ 2）高頻標(biāo)簽 高頻電子標(biāo)簽的工作頻率要比低頻標(biāo)簽的頻率要高，其工作頻率一般為 3 到14 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30MHZ。高頻標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)是：速度快、識(shí)別距離較遠(yuǎn)。 （ 3）超高頻標(biāo)簽 超高頻電子標(biāo)簽的工作頻率遠(yuǎn)高于低頻和高頻標(biāo)簽， 工作波長較短，所以超高頻電子標(biāo)簽的工作方式多采用 電磁反向散射耦合方式。 總體方案選擇 方案一：如圖 所示，在此方案中使用單片機(jī)。閱讀器的主要組成部分：單片機(jī) 、接收電路等。此識(shí)別系統(tǒng)的工作過程：電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的有效工作區(qū)域后被激活，并通過線圈耦合得到工作能量，電子標(biāo)簽中的單片機(jī)讀取撥碼開關(guān)的信息并發(fā)通過天線送出編碼信息，閱讀器接收到編碼信息后，對(duì)編 碼信息進(jìn)行解調(diào)，然后通過單片機(jī)對(duì)其解碼并顯示。此識(shí)別系統(tǒng)的工作過程：電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的有效工作區(qū)域后，通過線圈耦合得到工作能量，編碼芯片 PT2262 將撥碼開關(guān)的信息進(jìn)行編碼然后調(diào)制發(fā)送，閱讀器接收到編碼信息后，進(jìn)行解調(diào)，然后再解碼，最后使用四位發(fā)光二極管顯示。但是 PT2262 和 PT2272 可以較好的完成四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的編碼和解碼，并且功耗低、價(jià)格低，對(duì)工作環(huán)境要求也比較低，非常適合能量供應(yīng)有限的場合。 方案二：負(fù)載調(diào)制 系統(tǒng)工作在低頻段，使用的是電感耦合，耦合部分可以使用變壓 器模型來進(jìn)行分析。當(dāng)電子標(biāo)簽線圈的負(fù)載大小發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)改變閱讀器線圈兩端的電壓。負(fù)載調(diào)制電路簡單，功耗小。 系統(tǒng)工作頻率 此系統(tǒng)的電子標(biāo)簽是無源的，所以功率較小，并且對(duì)識(shí)別距離也沒有特別的要求。并且，如果頻率選擇較高，那么與之諧振的電容則可能非常小，由于分布電容的存在，調(diào)試將十分困難，要實(shí)現(xiàn)的話難度較大。 第 三 章 射頻識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 17 天線選擇 系統(tǒng)工作在低頻段，所以使用電感耦合方式，電感耦合的天線是環(huán)形的。閱讀器與電子標(biāo)簽的天線之間的介質(zhì)是空氣。電子標(biāo)簽的組成：整流電路、編碼電路、調(diào)制電路等。 主要芯片介紹 555 芯片簡介 555 集成電路開始是作定時(shí)器應(yīng)用的，所以叫做 555 定時(shí)器或 555 時(shí)基電路。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號(hào)源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。內(nèi)部電路如圖 所示 圖 LM555 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 555 芯片有 8 個(gè)引腳，雙列直插型的。其中工作電壓為 5v18v。 PT2262 最多可有 6 位 (D0D5)數(shù)據(jù)端管腳 ， 設(shè)定的地址碼和 數(shù)據(jù)碼從 17 腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路。 PT2262/PT2272 芯片的特點(diǎn)：功耗低，價(jià)格低， 外部元器件少 ， RC 振蕩電阻 ， 工作電壓 的 范圍 較寬，為 。只要將 PT2262 和 PT2272 的 1～ 8 腳設(shè)置相同即可，例如，將 2262 的 3 腳接地， 4 腳接高電平的話，那么 2272 的 3 腳也接地， 4 腳也接高電平，這樣就能完成解碼了。電子標(biāo)簽的線圈必須要和電容構(gòu)成諧振回路，如果兩個(gè)線圈不能諧振，電子標(biāo)簽就不能得到足夠的能量來工作。由 LC2/1f ?? ，其中 f 為系統(tǒng)的工作頻率，由閱讀器的振蕩電路頻率決定，此系統(tǒng)中頻率為 125KHZ。用電感表測量兩個(gè)線圈的電感分別為 22 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 和 。同理得到電子標(biāo)簽線圈所并聯(lián)的電容大小。 電子標(biāo)簽設(shè)計(jì) 電子標(biāo)簽由整流電路、調(diào)制電路和編碼電路組成。通過線圈耦合過來的是交流電壓。為了實(shí)現(xiàn)此功能我們需要一個(gè)對(duì)正負(fù)極有不同特性的元件，二極管就可以。當(dāng)二極管有正向電流流過時(shí)，二極管導(dǎo)通，有反向電流流過是二極管 截止。如圖 所示（電阻 R 為負(fù)載）。為了得到更高更穩(wěn)定的直流電壓，一種常見的整流電流就是使用整流橋。在 T1 的負(fù)半周期內(nèi)， D2 和 D4 加上了正向電壓，此時(shí)它們導(dǎo)通，而 D1 和 D3 加反向電壓它們截止。這樣在一個(gè)周期內(nèi)電阻 R1 上就有直流電壓產(chǎn)生了。 在此射頻識(shí)別系統(tǒng)中，我們就采用橋式整流電路來進(jìn)行整流。雖然經(jīng)過整流橋以后就有直流電壓產(chǎn)生，但是這個(gè)直流電壓的大小不穩(wěn)定，不能夠作為電子標(biāo)簽的工作電壓。因?yàn)殡娙菽軌騼?chǔ)存電荷，通過電容放電能夠使電壓更加有驅(qū)動(dòng)能力。因?yàn)殡娮訕?biāo)簽的工作電壓就設(shè)計(jì)為 5V。 24 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 電子標(biāo)簽中的整流電路 編碼電路 在此射頻識(shí)別系統(tǒng)中，我們采用專用的編碼芯片 PT2262 來進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。我們僅僅是識(shí)別數(shù)據(jù)，所以對(duì)于地址碼可以懸空不接。編碼芯片 PT2262 外部需要接振蕩電阻才能工作，振蕩電阻接的越大，編碼芯片輸出的編碼寬度越大，編碼就越慢。最終選擇振蕩電阻為 。其中 Dout 就是編碼芯片的輸出，它是一串高低電平。 圖 PT2262 編碼波形 調(diào)制電路 編碼芯片的輸出需要調(diào)制才能夠通過天線發(fā)送出去。負(fù)載調(diào)制的原理是：利用負(fù)載的大小變化來改變電壓的變化。次級(jí)線圈的負(fù)26 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 載可以等效到初級(jí)線圈上，通過改變次級(jí)線圈的負(fù)載就可以等效改變了初級(jí)線圈上的負(fù)載了，就能引起初級(jí)線圈上電壓的變化。而模擬開關(guān)就有編碼信號(hào)來控制。當(dāng)編碼為高電平 時(shí) 三極管的集電極和發(fā)射極就導(dǎo)通，此時(shí)電子標(biāo)簽天線的負(fù)載就變大，那么閱讀器天線上的電壓就會(huì)變小。負(fù)載調(diào)制的具體電路如圖 所示。通過編碼來控制模擬開關(guān)的通斷。其中發(fā)射模塊包括振蕩電路和放大電路。 如果是用有源晶振實(shí)現(xiàn)的話，振蕩電路比較簡單，但是產(chǎn)生的頻率固定不變，在電路設(shè)計(jì)好以后還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過程中，有可能需要微系統(tǒng)的工作頻率。 如果使用 LC 振蕩電路來實(shí)現(xiàn)的話，電路相對(duì)較復(fù)雜 ,頻率調(diào)節(jié)不方便?？傮w來說 LC 振蕩電路不易實(shí)現(xiàn)。 555 芯片構(gòu)造的振蕩電路的最大優(yōu)點(diǎn)是頻率可以調(diào)節(jié)，并且 555 芯片構(gòu)造的振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定，調(diào)整方便、價(jià)格低廉。電路只要加上 5V 電壓，555 芯片的 3 腳就能輸出方波。接通電源后電容 C3 開始充電，當(dāng)電容 C3 上端的電壓達(dá)到 2vcc/3 時(shí) 555 的 3 端將輸出低電平。如此的過程重復(fù)出現(xiàn)， 555 芯片的第 3 腳就能輸出穩(wěn)定的方波。 圖 使用 555 芯片構(gòu)造的振蕩電路 28 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 555 芯片振蕩電路的輸出波形 如果將振蕩電路的輸出直接的接到天 線上的話，即使天線諧振，電子標(biāo)簽的天線上電壓也會(huì)有點(diǎn)低，不足以提供電子標(biāo)簽的工作電壓。所以在振蕩電路的后面加個(gè)功率放大電路來增加驅(qū)動(dòng)能力。為了更方便的實(shí)現(xiàn)放大功能，同時(shí)也簡化電路的復(fù)雜度，選用驅(qū)動(dòng)芯片TC4423 來對(duì)振蕩電路的輸出方波進(jìn)行放大。 TC4423 的放大電路連接簡單，不需 要考慮匹配問題，具體電路如圖 所示。 3 為地端， 6 腳為電源端， 4 和 5 腳是 B 路通道的輸入和輸出，此電路中B 路通道沒有使用。 要想把負(fù)載調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來，首先要把調(diào)制信號(hào)通過二極管檢波，然后經(jīng)過低通濾波器，將濾波器輸出 的信號(hào)放大，最后進(jìn)入比較器，還原出編碼信號(hào)。 圖中的 LM358 作為放大芯片使用，可以提供兩級(jí)放大， LM311 是比較器芯片。 D1 和 D2 為 IN4148 二極管，它們的作用是限幅。當(dāng) PT2262 不工作的時(shí)候，閱讀器天線上的波形如圖 所示，是一個(gè)穩(wěn)定的正弦波。 PT2262 開始工作以后，閱讀器天線上的波形變?yōu)閳D 所示。檢波后的輸出要進(jìn)入低通濾波器如圖中的 R15 和 C11 就組成了一個(gè)低通濾波器，圖 使用了兩個(gè)低通濾波器。然后經(jīng)過兩級(jí)放大器放大，波形沒變，只是它的幅度發(fā)變大了。 LM311 的輸出波形如圖 所示 30 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 解調(diào)電路 圖 編碼芯片工作時(shí)閱讀器天線波形 圖 B 編碼芯片工作時(shí)閱讀器天線波形 第 四 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 31 圖 C 低通濾波器的輸出波形 圖 解調(diào)電路的輸出波形 解碼電路的設(shè)計(jì) 在閱讀器電路設(shè)計(jì)中，采用專用的解碼芯片進(jìn)行解碼。 PT2262 芯片接入的振蕩電路的電阻大小是 ，與之對(duì)應(yīng)在PT2272 中要接入 820K 的電阻，如果接入其它的電阻，那么 PT2272 就不能工作。具體電路如圖 所示。 線圈耦合調(diào)試 電路在電路板上連接好以后，受電路板、導(dǎo)線等因素的影響，電路的一些初始參數(shù)可能就不能使用了。通過調(diào)節(jié)振蕩電路中的可變電阻 R2（如圖 ）來改變系統(tǒng)的工作頻率。在調(diào)試電路的過程中，使用的工具是示波器。系統(tǒng)調(diào)試完成。 系統(tǒng)識(shí)別距離的測量 將閱讀器加上工作電壓，讓其工作。經(jīng)多次測量得 D=3cm。具體的結(jié)果如表 51 所示。第六章 總結(jié) 37 第六章 總結(jié) 射頻識(shí)別技術(shù)是自動(dòng)識(shí)別的高級(jí)形式， 它的最大優(yōu)勢是非接觸性 識(shí)別，可以無需人工干預(yù)地完成識(shí)別工作，有很廣闊的應(yīng)用前景。國外發(fā)達(dá)國家在這方面的研究 比我們起步要早，近幾年我國在這方面也在積極努力地 研究。 首先 ，詳細(xì)介紹了射頻識(shí)別技術(shù)，包括：射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域、識(shí)別優(yōu)勢。 本系最容易受干擾的部分是電感耦合部分，因?yàn)槭茈娐钒迳蠈?dǎo)線、器件等因素的影響，初始設(shè)計(jì)的工作頻率就不能工作了，需要調(diào)試電路。最終的結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的電感耦合型射頻識(shí)別系統(tǒng)是可行的。 38 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 致謝 39 致謝 值此論文完成之際，首先向我的導(dǎo)師周端 教授表示最誠摯的感謝和無比的敬意！在我的論文撰寫 和修改的過程中，周老 師都傾注了大量的心血，并提出了許多寶貴的意見。 同時(shí)也要感謝 EII412 實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)，在學(xué)習(xí)的過程中，他們給了我很大的幫