基于无线传输的射频识别系统

当今各种智能化控制系统离不开数据信息的传输。

　　其中，无线数据传输是区别于传统有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线缆且成本低廉。为单片机匹配相应的无线通信接口电路，即可实现单片机之间或单片机与微机之间的无线数据传输。目前常用的无线通信接口电路，是以无线收发芯片为核心的电路。当数据传输时，在软件设计中采取必要的抗干扰措施和识别措施，可以有效地避免干扰，达到满意的通信效果。文中以89c2051单片机为基础，进行无线通信以识别非接触式无线识别装置，其应用可以嵌入到电业管理或燃气收费等系统中，也可作为一个独立读卡器对IC卡进行操作，配合不同软件可以应用于不同行业。

　　1　系统的工作原理

　　本设计以单片机作为阅读器和应答器的核心、这两部分主要使用LM567。本系统是一个小型的无线识别器件最大操作距离达70mm。系统内部结构分为射频区和接口区：射频区内含调制解调器和电源供电电路，直接与天线连接；接口区有与单片机相连的端口，还具有与射频区相连的收/发器、可以用单片机程序存放3套寄存器初始化文件的E2PROM以及进行3次数据证实防错误机制、防碰撞处理的防碰撞模块和控制单元。这是阅读器跟应答器实现无线通信的核心模块，也是设计的关键。

　　2　硬件电路的设计

　　无线识别系统装置由阅读器、应答器与耦合线圈（即天线）3部分组成。

　　2.1　阅读器的设计

　　阅读器基本电路，如图1所示。当有应答器靠近阅读器时，阅读器内的天线组成了一个LC并联谐振电路，其频率与应答器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使高频信号流入阅读器中用于解调的LM567的输入端。输出的解调信号与上述单片机编码信号反向，最后经过单片机译码输出显示。

　　LM567具有调制和解调双重功能。其调解出来的信号可直接被单片机识别，并由单片机发送给数码管并显示。

图1　阅读器

　　2.2　应答器的设计

　　应答器工作时，通过89c2051单片机进行数据编码，然后送往LM567被调制到高频载波上，与其输出端相连的天线线圈不断地向外发出一组固定频率的电磁波（145kHz），当有应答器靠近阅读器时，阅读器识别并显示。应答器硬件电路如图2所示。

图2　应答器

　　2.3　耦合线圈（即天线）的设计

　　天线是一种转能器。发射时，把发射机的高频电流转化为空间电磁波；接收时，把从空间截获的电磁波转换为高频电流送入接收机。对于设计一个应用于射频识别系统的小功率、短距离无线收发设备，天线设计是其中的重要部分。良好的天线系统可以使通信距离达到最佳状态。天线的种类很多，不同的应用需要不同的天线。在小功率、短距离的RFID系统中，需要一个通信可靠、价格低廉的天线系统，耦合线圈环型天线是比较常用的一种。

　　2.3.1　分析环型天线的等效电路

　　环型天线激励点的电压和电流由环的输入阻抗联系起来，即V=ZI0。为了评估用于天线谐振的电容Z′in,环型天线的输入阻抗必须确定；同样，为了评估天线效率和辐射阻抗，环型导体内的欧姆损耗和其他欧姆损耗也必须确定。

　　2.3.2　天线设计参数

　　环型天线输入阻抗Zin可由下式给出：

　　式中，RR为辐射电阻；RL为环型导体损耗电阻；RX为额外欧姆损耗电阻；LA为环型天线电感；L1为环型导体电感。

　　环型导体损耗电阻为：

　　式中，l为金属环形导体长度，p为环形导体交叉部分的周长，RS为导体表面电阻，u0为4π×10-7H/m;σ为导体电导率；RL的单位为Ω。额外欧姆损耗电阻主要来自电容CP上的等效串联电阻：

　　2.4　带有天线的阅读器的等效电路

　　产生交变磁场所需的导体回路由线圈L1表示，串联电阻R1相当于导体回路L1中线绕电阻的欧姆损耗。为了当阅读器的工作频率为fTX时在导体回路L1中获得最大电流，从而产生最大磁场强度H,经电容器C1串联形成谐振频率fRES=fTX的串联谐振电路。

　　图4中，阅读器的发送器出口产生高频电压u2,接收器直接与天线线圈L1连接。串联谐振电路的总阻抗Z1为各项单阻抗之和，即：

　　2.5　天线连接的匹配研究

　　根据阅读器使用的频率范围，使用不同的方法将天线线圈连接到阅读器发送器的输出端。通过功率匹配将天线线圈直接连接功率输出级，或通过同轴电缆馈送到天线线圈。天线线圈L1在射频识别系统的工作频率范围内表现为阻抗ZL。为了实现与50Ω系统的功率匹配，必须通过无源的匹配电路将此阻抗转换为50Ω，然后通过同轴电缆即可几乎无损失且NG-TOP: 0px; WHITE-SPACE: normal; LETTER-SPACING: normal; BACKGROUND-COLOR:; orphans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">根据阅读器使用的频率范围，使用不同的方法将天线线圈连接到阅读器发送器的输出端。通过功率匹配将天线线圈直接连接功率输出级，或通过同轴电缆馈送到天线线圈。天线线圈L1在射频识别系统的工作频率范围内表现为阻抗ZL。为了实现与50Ω系统的功率匹配，必须通过无源的匹配电路将此阻抗转换为50Ω，然后通过同轴电缆即可几乎无损失且NG-TOP: 0px; WHITE-SPACE: normal; LETTER-SPACING: normal; BACKGROUND-COLOR:; orphans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">电磁场在导电介质中传播时，其场量E和H的