一种电子标签识读终端的研究与设计

电子标签和识读终端是构成射频识别系统的基本条件。本文对低频电子标签与识读终端之间的作用基理进行了研究分析，据此提出了以基站芯片EM4095为射频接口的识读终端硬件设计，并对解码程序设计中的关键问题进行了具体论述。  

1 引言  

射频识别(RFID)是利用无线方式对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种新兴技术。与接触式Ic卡和条形码识别等系统比较，它有着巨大的优势。利用射频识别技术，能有效实现对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理，达到高效快捷运作的目的，特别是在物流、交通航运、自动收费、服务领域等方面有着广泛的应用前景。  

针对工作频率为100kHz一150kHz的电子标签EM4100．本文提出了其识读终端的设计。  

2 无源射频芯片EM4100工作基理  

EM4100系列为微型低功耗电子标签芯片，工作频率范围为100kHz～ 150kHz，主时钟及工作电源取自识读器发射的信号。作为接收天线的线圈和微芯片已连好并封装在一起。内部电路分模拟模块和数字模块2大部分。模拟模块包括：全波整流电路，时钟提电路，调制电路；数字模块包括： 序列发生器，只读存贮器．数据编码器。  

无源电子标签与识读器之间的作用距离满足关系


  
图1 信号耦合等效电路  

互感M在 L2上产生的电压 作为 L2回路的信号源，由等效电路可推得回路的输出电压表达式：  


  
在其他因素不变时，若识读终端发射的信号频率与该谐振电路的谐振频率（



) 相等，则输出电压最大；偏离谐振频率时，电压将快速减小。谐振信号经整流滤波后作为片工作电源，当该电压值达到EM4100的要求时，芯片启动工作。该谐振电路的输出电压值取决于Q值、交变磁场强度及频率。显然，电子标签与识读终端之间的距离直接影响该电压值。  

在时钟提取电路从线圈感应信号提取的主时钟作用下，序列发生器发出存储器寻址、数据串行输出控制、数据编码控制等信号。芯片内存贮有唯一的64bit代码：9bit起始位、40bit信息位、14bit校验位、lbit停止位。代码经编码后控制调制器中的电流开关．实现对f0=125kHz载波进行调幅。每bit数据的时间宽度与载波周期的比率有3种选择：64、32、16。数据信号控制应答器天线负载的接通和断开．识读器天线上电压将跟随变化，实际是应答器(电子标签)数据对识读器天线电压进行振幅调制，实现了应答器数据向识读器的传输。这就是所谓的负载调制。在识读终端有效作用范围内，电子标签循环发送64bit代码数据，实现数据向识读终端的传送。  

3 识读终端硬件系统设计  

3．1功能分析  

根据上述识读终端与无源电子标签作用过程．识读终端应实现以下功能：1．发射射频信号。信号频率应等于电子标签接收回路的谐振频率，信号有足够的强度．以启动电子标签工作并满足对作用距离的要求。2．接收电子标签发射的射频信号，并解调出其中的数据。3．数据解码及后续处理。终端硬件系统实现前2项功能，第3项功能由识读终端软件系统实现。  

3．2射频接口电路设计与实现  

射频接口电路实现启动电子标签和信号解调。系统采用RFID专用无线基站芯片EM4095设计了电子标签与识读终端主控模块之间的射频接口电路。EM4095功能原理见图2。  



图2 射频接口芯片EM4095原理  

EM4095兼容多种传输协议(如EM4OOX、EM4150等)，利用内部锁相环PLL就可得到与天线适合的谐振频率，而不需外接晶振，工作频率100kHz一150kHz，具有睡眠模式，与微控制器的接口简单，采用调幅同步解调技术，工作电压5V。芯片T作受输入信号SHD和MOD控制。MOD=0时。芯片工作于只读模式。  

SHD=I时，为睡眠模式。芯片供电之后，SHD应先为高电平，以对芯片进行初始化，然后再接低电平，芯片即发射射频信号；同时。解调模块将天线上AM信号中携带的数字信号取出，并由DEMOD— 0UT端输出。RDY／CLK端向微控制器提供芯片内部的状态以及与发射信号同步的参考时钟。SHD=I时，RDY／CLK端输出低电平；SHD由高电平变为低电平后，经过约35ms，RDY／CLK端输出同步时钟信号，该参考时钟信号的出现表示发射模块和接收模块已经启动。通过查询RDY／CLK端信号状态，微控制器即可确定从DEMOD—OUT端接收数据的时刻。  

锁相环PLL、天线驱动器、调制器组成射频信号发送模块。其中PLL由环路滤波器、相位比较器、压控制振荡器组成。天线线圈接收的信号通过耦合电容输入DEMOD IN端，该信号与天线驱动器的输入信号由相位比较器进行相位比较，形成与相位差对应的电压，作为压控振荡器的控制信号，最终实现对天线发射信号频率的锁定。  

接收模块由采样保持器、滤波器、比较器组成。DE—MOD IN端输入的AM信号在VCO输出信号的同步控制下被采样，采样输出信号由端脚CDEC外接的电容隔离直和带通滤波采样(消除输出中的载频成分、高频和低频噪声)后，经异步比较得到对应的数字信号。  



组成LC串联谐振电路，谐振频率为：  


  
天线工作电流与谐振电路Q有关，天线线圈串联一个电阻可调节Q值。