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基于ATMEGA64L的RFID读卡器设计

时间:03-01 来源:电子工程网 点击:

到点3;

  应使点3位于15W匹配点,若点3 不能精确位于该点,则应微调各元件参数。由圆图的直观性,该调整不难实现。由此,得到如图5(a)所示的阻抗圆图。由Smith Chart得到C0 =136pF,L0=1mH时,可以推算出1、3点间的等效阻抗为15.24+j 0.00W,接近于负载阻抗15Ω,这表明了我们所设计的元件参数是正确的。其误差源于元件不可能无限精确。

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  (a)

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  (b)

  图5 EMC滤波电路Smith圆图

  由此,得到如图5(b)所示的阻抗圆图。由Smith Chart得到C0 =136pF,L0=1mH时,可以推算出1、3点间的等效阻抗为500.42+j 50.47欧姆,接近于天线阻抗500欧姆,这表明了前面我们所设计的元件参数是正确的。

  天线匹配电路设计

  天线本身是一个低电阻的器件,将天线连接到TRH031M需要一个匹配电路。设计天线的匹配电路有两种方法:50W匹配天线和使用直接匹配的天线配置。在本设计中采用直接匹配的天线配置。

  计算天线线圈的电感

  精确计算天线线圈的电感值在实践上非常困难的,通常用下面的公式估算:

  L[nH]=2×L[cm]×(ln(L[mm] / D[mm]-k)) (1)

  其中L为天线线圈一圈的长度,N为天线线圈圈数,一般为3圈,D为天线线圈直径或导体的宽度,P为由天线线圈的技术而定的N的指数因子(见表2)。

线圈电阻的估算

  没有阻抗分析仪的首次天线调谐的估算可以用下面的公式:

  RANT=5RDC (2)

  为了给RFID卡提供足够的能量,天线与卡片间必须实现紧耦合,耦合系数最少为0.3(耦合系数为0时,即由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦,耦合系数为1即全耦合)。因此天线线圈采用直径为1mm的导线,设计为三圈的76mm×49mm长方形天线。此时,天线线圈产生的电感,由公式1可计算出天线线圈的电感值约为L=1.7mH。天线电阻R=1.4W。

  由于每块不同的天线电路板实际的天线线圈电感值总是会稍有差异,在实际的PCB设计时,天线匹配网络的元件的设计过程按照图6进行调整。谐振电容由固定电容=150pF和可调电容CV2代替。通过调整可调电容CV2来使得天线的振荡频率为13.35MHz,通过调节C1使得天线的阻抗为500W,通过调整可调电容将每块天线板的读写距离调整到最佳。

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  图6天线匹配电路调整过程

  天线匹配网络仿真步骤如下:

  ① 设定特性阻抗Z。=500 W,输入信号频率为13.56MHz;

  ② 令负载ZL=0.00W+0.00jW,确定起始点1;

  ③ 在ZL上串联电阻Rcoil=0.7W,得到点2;

  ④ 再在Rcoil上串联电感L=0.85mH,得到点3;

  ⑤ 再并联电容C2,得到点4;

  ⑥ 最后再串联电容C1,得到点5。

  图7 天线匹配网络电路的Smith圆图

  由此,得到如图7所示的阻抗圆图。图中设Rcoil为0.7W,L为0.85微亨,这样天线就由Rcoil和L来等效代替。由Smith Chart得到C2=163pF , C1 =15pF,由此可以推算出1、5点间的等效阻抗为247.79+j11W,接近于对称天线的一半阻抗250W。

  通过仿真得到的结果与笔者设计的元件参数基本一致,这说明了所设计的天线电路是正确的。

  结语

  基于ISO/IEC 15693标准,设计了基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M读卡芯片工作频率为13.56MHZ的RFID读写器系统。设计并实现了基于 RFID技术的物流系统的软硬件原型,经过实际使用证明,系统的总体方案设计可行,其主要功能基本得以实现,达到了系统的性能指标:设计的读卡器系统对无源的15693协议的卡片的识别作用距离可达7.5cm。同时该系统能对ISO15693协议的卡片进行读写操作。系统运行正确,显示准确,使用方便,具有较强的抗干扰性能。

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