一种射频识别装置的研制

欧阳宏志

(南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001)

射频识别技术(Radio Frequency Identification Technology，RFID)是一种非接触式的自动识别技术，其通过射频信号自动识别目标并获取相关数据。基本的RFID 系统由3 部分组成:应答器、阅读器和天线。RFID 技术近年来发展较快，已成为物联网技术的重要一环。本文探讨中低频RFID 系统的工作原理，并通过实验的方式进行了验证［1］。

本装置的主要目的是将应答器部分储存的信息通过应答器端的耦合线圈传递到阅读器端的耦合线圈，再由阅读器读出存储信息。应答器采用线圈耦合无线供电，耦合线圈一方面传递信息，另一方面也充当应答器的能量源［2］。考虑到低功耗设计，功率放大器的效率必须较高，同时数据传输的调制、编码等需尽可能地简单且低功耗，此外还需保证阅读器的识别灵敏度。

1 系统总体方案

系统设计框图如图1 和图2 所示。系统主要由阅读器和应答器组成，阅读器将振荡器的振荡信号放大后经耦合线圈辐射出去;阅读器通过耦合线圈接收信号再交给解码芯片解码输出应答器卡号，并由发光二极管显示。应答器一方面从耦合线圈得到激励信号，另一方面将所得信号经整流和稳压后送入发射机为其提供能量。采用幅移键控(ASK)，即负载调制，其调制解调电路简单，且功耗较低。

图1 阅读器框图

图2 应答器框图

2 硬件电路设计

2.1 阅读器部分设计

采用晶振和非门的简单振荡电路，使晶振工作在其的并联谐振模式，该电路如图3 所示。为了推动后级的丙类功放，要求前级有一定的电流和功率驱动能力，若插入中间放大器会增加额外的功率损耗，使效率降低，同时也增加了电路各级之间匹配的复杂程度，故采用两个非门并联的方式以增加驱动能力。

图3 载波产生电路图

非线性丙类功率放大器的电流导通角＜90°，效率可达80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。为了不失真地放大信号，其负载必须是LC 谐振回路。当放大器的输入信号为正弦波时，集电极的输出电流为余弦脉冲波。利用谐振回路LC 的选频作用可输出基波谐振电压和电流［3］。

由前面载波产生电路可知产生的信号有一定的驱动能力，可直接接入后极的功放进行放大。为了便于后级匹配，将集电极馈电线圈兼作谐振回路，以抵消输出电容的影响，其功放电路如图4 所示。

图4 功率放大电路图

通过二极管的单向导通性及电容的充放电效应进行峰值检波。二极管选择检波二极管，其主要是利用检波二极管的结电容小，工作频率高及方向电流小的特点。包络检波后的输出为不规则的波形，且其峰值小，不便于检波芯片的处理，故采用放大比较电路，再通过非门整形后将信号处理为二进制码型以便于解码器的解码。其电路如图5 所示。

图5 检波信号处理电路图

对输出匹配网络的主要要求包括:高效率的传送能量、滤除高次谐波分量和阻抗变换3 个方面，在设计匹配网络时应综合考虑这3 方面的要求。设计采用倒L 型滤波型匹配网络进行设计，由于LC 元件损耗功率微小，可高效地传输功率。同时，由于其对频率的选择作用，决定了该种电路的窄带性质。设计电路如图6所示［4］。

图6 阻抗匹配电路图

采用PT2262 和PT2272 进行编解码。PT2262 最多可有6 位(D0－D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17 脚串行输出，编码芯片PT2262 发出的编码信号由地址码、数据码和同步码组成一个完整的码字，地址码和数据码均使用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”;两个宽脉冲表示“1”。在通常使用中，一般采用8 位地址码和4 位数据码，此时PT2262和PT2272 的第1 ～8 脚为地址设定脚，有3 种状态可供选择:悬空、接正电源、接地状态，38为6 561，所以地址编码不重复度为6 561 组，只有发射端PT2262 和接收端PT2272 的地址编码完全相同，才能配对使用。解码芯片PT2272 接收到信号后，其地址码经两次比较核对后，VT 脚才输出高电平，以确认是否接受正确。与此同时相应的数据脚也输出与PT2262 相对应的电平信号，即一旦地址匹配，PT2262 与PT2272 所有引脚的电平均相同。PT2262 将数据位设置的并行数据以一定的电平方式串行输出，控制应答器部分的负载变化，以达到负载调制的作用。而通过负载调制并通过耦合线圈反馈到应答部分的信号，经包络检波及处理后为较规则的高低电平信号，PT2272 可直接对其进行解码［5］。编码电路如图7 所示，解码电路如图8 所示。两个芯片的振荡电阻必须匹配，否则接收距离会变近甚至无法接收。

图7 编码电路图

图8 解码电路图

2.2 应答器部分电路设计

采用基本的二极管搭建桥式全波整流电路，以获取足够高的电压供给后级使用。其电路如图9 所示。

图9 整流电路

采用CD4066 模拟开关，用PT2262 编码后的信号控制模拟开关开启。当模拟开关开通时，其等效阻值较小，相当于次级线圈的反射阻抗较小，次级线圈的反射阻抗并联到读写器线圈上，与其共同组成丙类功放的输出阻抗，从而使谐振频率偏移，丙类功放输出失谐，且输出电压减小;而模拟开关关闭时模拟开关相当于开路，次级线圈的反射阻抗过大，反射阻抗发生变化，使读写器线圈电压升高。在读写器端可通过检波方式检测输出电压变化，从而得到应答器的解调信号［6］。电路设计如图10 所示。

图10 负载调制电路

3 系统测试

对于功率的测试可直接采用万用表测量各测试点的电压和回路电流，再由P=U×I 计算出功率，算得最大消耗功率为365 mW。将两耦合线圈从近及远的移动，观察阅读部分识别指示灯的亮灭，查看最远可识别的距离，然后用直尺测量此间距，得出最大识别距离为12 cm。利用双踪示波器，分别检查编码发射部分的发射信号和阅读器部分的解码信号，可明显看出发送数据与接收数据及数据延时的效果。通过测试指示灯的亮灭情况，记录10 cm 内识别正确率为95%，响应时间＜1 s。

4 结束语

本射频识别装置采用负载调制方式、电路简单、工作可靠，且有效提高了能量的利用率。同时采用编、解码芯片，使系统的功耗大幅降低，其芯片本身有较强的抗干扰能力，使系统可靠性显著提高。阅读器采用丙类功率放大电路，效率较高，在系统总功率的限制下仍可提供充足的功率给应答器，使阅读器与应答器之间的通信距离得以保证［7－8］。总体上，本装置的识别距离可达10 cm，准确率达到95%，且识别响应时间＜1 s。

［1］ AHSON S A，ILYAS M.RFID handbook:applications，technology，security，and privacy［M］.USA:CRC Press，2010.

［2］ 朱洪波，杨龙祥，朱琦.物联网技术进展与应用［J］.南京邮电大学学报:自然科学版，2011(1):1－9.

［3］ 王利恒，王祥力，陈荡，等.无线射频识别装置的设计［J］.武汉工程大学学报，2013，35(1):65－70.

［4］ 罗杰，谢自美.电子线路－设计·实验·测试［M］.4 版.北京:电子工业出版社，2008.

［5］ 单承赣，单玉峰，姚磊.射频识别(RFID)原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［6］ 吕岑，毛云川，宋铁成，等.基于RFID 和ZigBee 技术的物联网实验系统硬件设计与实现［J］.信息化研究，2012，38(1):13－16.

［7］ 韩团军.基于射频技术的无线识别系统设计［J］.电子技术，2010，47(8):24－26.

［8］ 李晓红，冯新钢.一种无线射频识别系统的设计与实现［J］.电子科技，2010，23(1):71－71.