负载调制原理的无线射频应答器设计与实现

林天亮， 陈 曦

(东北大学 a. 计算中心(网络中心); b. 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110819)



负载调制原理的无线射频应答器设计与实现

林天亮a， 陈 曦b

(东北大学 a. 计算中心(网络中心); b. 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110819)

射频识别技术，又称电子标签。它利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)自动识别目标对象并获取相关数据，识别高速运动物体同时可识别多个标签，操作快捷方便，同时具有难以伪造和智能性较高而得到社会各领域的广泛应用。本文通过对负载调制原理的研究，设计了RFID应答器的硬件软件电路系统。本系统主要采用分立元件，有利于学生对原理知识理解，并通过对单片机、触发器和运放的选型，设计了应答器的各单元电路，如电磁线圈谐振回路、电源稳压电路、负载调制电路等。本系统经过实验测试，性能稳定，各项指标满足设计要求。

射频识别; 读卡器; 单片机; VC++； 电子标签

0 引 言

无线射频识别技术[1](Radio Frequency IDentification, RFID)已经成为一个很热门话题。据业内人士预测，RFID[2]技术市场将在未来5年内在新的产品与服务上带来30～100亿美金商机，随之而来的还有服务器[3]、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务，以及其他电脑基础建设的庞大需求。

最初在技术领域，应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块，近些年，由于射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被叫做智能标签[4]或标签。RFID电子标签[5]的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。因此可以说无线射频识别技术正在成为全球热门新科技。

1 负载调制原理

负载调制是电子标签经常使用的向读写器传输数据的方法。负载调制[6]通过对电子标签振荡回路的电参数按照数据流的节拍进行调节，使电子标签阻抗大小和相位随之改变，从而完成调制的过程。负载调制技术主要有电阻负载和电容负载调制两种方式。

1.1 电阻负载调制

在电阻负载调制中，负载RL并联一个电阻Rmod，Rmod称为负载调制电阻，该电阻按数据流的时钟接通和断开，开关S的通断由二进制数据编码控制。电阻负载调制的电路原理图如图1所示。电阻负载调制的特性是：

(1) 当二进制数据编码[7]为“1”时，开关S接通，电子标签的负载电阻为Rmod和RL的并联；当二进制数据编码为“0”时，开关S断开，电子标签的负载电阻为RL。这说明，开关S接通时，电子标签的负载电阻比较小。

(2) 对于并联谐振，如果并联电阻比较小，将降低品质因数[8]。品质因数Q值的降低，将使谐振回路两端的电压下降。

(3) 上述分析说明，开关S接通或断开，会使电子标签谐振回路两端的电压发生变化。为了恢复(解调)电子标签发送的数据，上述变化应该输送到读写器。

图1 电磁线圈谐振回路电路图

(4) 当电子标签谐振回路两端的电压发生变化时，由于线圈电感耦合，这种变化会传递给读写器，表现为读写器线圈两端电压的振幅发生变化，因此产生对读写器电压的调幅。

1.2 电容负载调制

在电阻负载调制中，负载RL并联一个电容Cmod，Cmod取代了由二进制数据编码控制的负载调制电阻Rmod。电容负载调制的电路原理图如图1所示。

电容负载调制的特性是：

(1) 在电阻负载调制中，读写器和电子标签在工作频率下都处于谐振状态；而在电容负载调制中，由于接入了电容Cmod，电子标签回路失谐，又由于读写器与电子标签的耦合作用，导致读写器也失谐。

(2) 开关S的通断控制电容Cmod按数据流的时钟接通和断开，使电子标签的谐振频率在两个频率之间转换。

(3) 通过定性分析可以知道，电容Cmod的接入使电子标签电感线圈上的电压下降。

(4) 由于电子标签电感线圈上的电压下降，使读写器电感线圈上的电压上升。

(5) 电容负载调制的波形变化，与电阻负载调制的波形变化相似，但此时读写器电感线圈上电压不仅发生振幅的变化，也发生相位的变化，相位变化应尽量减小。

2 系统硬件单元电路设计

应答器系统的硬件部分由单片机电路、电磁线圈谐振回路、电源整流部分电路、电压稳压部分电路、负载调制部分、ID序列号产生部分电路等电路组成。

2.1 系统主芯片选型

系统使用STC89C52作为控制的单片机芯片，STC89C52[9]是一种低功耗、高性能CMOS 8 b微控制器，具有8KB在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 b CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8 kB字节Flash，512 B RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置8KB E2PROM，MAX810复位电路，三个16 b 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0 Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35 MHz，6T/12T可选。

2.2 电磁线圈谐振回路

电磁感应现象电磁线圈谐振回路电路图如图2所示。LC网络构成并联谐振，谐振频率为125 kHz，线圈靠近读卡器时，产生电磁谐振[10]，回路中感应出感应波形，但是这个过程很短暂，无法用示波器观看。

2.3 电源整流部分电路

电源整流电路图如图3所示，经由天线电路耦合得到的高频交流信号经过二极管组成的全波整流电路后，转换为单极性的交流信号，再经过电容C20滤除高频成分，获得直流电压。C20同时作为储能元件，获得较强的带载能力。

图2 电磁线圈谐振回路电路图

图3 电源整流部分电路

2.4 电压稳压部分电路

经过整流滤波电路[11]后，在滤波电容两端得到的直流电压是不稳定的，当应答器原理机与阅读器的距离变化时，它随应答器线圈上的耦合电压的变化而变化，而应答器内的电路需要较高稳定性的电压，因此需要采用稳压电路[12]。在图4中，信号首先经过一个稳压管，再经过放大网络，输出到Vcc，同时给控制器MCU一个中断信号，通知MCU开始工作。得到稳定的直流电压后，电源指示灯点亮，电路开始正常工作。

图4 电压稳压部分电路图

2.5 负载调制部分电路

控制器输出的ID序列号要经过负载调制才能通过线圈，经过耦合发送至阅读器。从CPU的P1.3与P1.4口输出的数字序列先经过7407传输门[13]，然后经过负载调制网络，得到负载调制波形，传送到线圈发送出去，阅读器接收到后解调即可得到ID序列波形。负载调制部分电路如图5所示。

3 系统软件设计及系统测试

本文应用 Visual C++6.0[14]作为开发工具，后端数据库则使用MS SQL Server 2008[15]开发，使用C++语言进行开发。

图5 负载调制部分电路图

上位机开发流程设计步骤如下：

(1) 打开VC++6.0[16]SP6，新建一个基于对话框的MFC AppWizard应用程序，命名为“RFID读卡器二次开发软件平台”；

(2) 将对话框Caption更改为“RFID读卡器二次开发平台”，并创建新类CRFID，作为平台的主界面；

(3) 在对话框资源处插入一个新的对话框，更改Caption为“125KHz系统二次开发”，创建新类 ，进行界面设计及功能实现；以此类推，创建需要的按钮对话框；

(4) 编写典型开发文档，实现主界面对应按钮功能；

(5) 制作AVI动画，实现主界面对应按钮功能；

(6) 添加连接、包含等代码，将各个对话框类与主程序关联，整体调试、运行；

(7) 反复调试无误，生成Release版或Debug版并发布。

系统调试：将应答器硬件电路设计完成后，进行焊接，然后靠近阅读器产生如图6的(b)波形，即为负载调制波形，(a)为二进制数据编码信号。

图6 负载调制测试波形图

4 结 语

本系统完成了应答器的硬件软件电路设计，具有电路设计简单、易于操作、设计成本低的特点。文本设计采用分立元器件设计，利于学生对原理知识的理解消化，提高学生动手能力。本设计还存在不足之处，系统硬件测试存在干扰，可考虑增加电容，去除干扰。

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The Design and Implementation of a Wireless RF Transponder Based on the Load Modulation Principle

LINTian-lianga,CHENXib

(a. Computing and Network Center; b. College of Information Science Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

RFID (Radio Frequency Identification), also known as electronic tags, can recognize target and get relevant data automatically by using radio frequency signals through space coupling (alternating magnetic or electromagnetic fields). RFID technology can not only identify fast moving objects and multiple tags in a fast and convenient way, but also be difficult to be forged. So the technology is applied in all areas of society. In this paper, the hardware and software of transponder circuit system are designed through the study of load modulation principle. This system mainly adopts the discrete component, and is conductive to understand the principles of knowledge for students. And the unit circuit of the transponder is designed based on the selection of single chip microcomputer, triggers and op-amp, such as the electromagnetic coil resonant circuit, power supply voltage regulator circuit, load modulation circuit, etc. After experiments and testing, the system performance is stable and the indicators meet the design requirements.

radio frequency identification(RFID); card reader; single-chip processor; VC++； electronic tags

2015-01-11

国家自然科学基金资助项目(11273001)

林天亮(1967-)，男，辽宁大连人，学士，工程师，主要研究方向为计算机应用技术、多媒体网络教学等。

E-mail: rage_zg@r26.com

TP 393

A

1006-7167(2015)08-0112-03