射频识别演示系统的设计与实现

王道平，王 凯，何 敏

（火箭军工程大学基础部，西安 710025）

1 引言

射频识别（RFID）利用电磁波传递信息进行识别，是一种非接触式识别技术。射频识别广泛应用于工业自动化商业自动化、交通运输控制管理等众多领域[1]。由于RFID应用不同，所以组成也就不一样，但是基本上是由读写器、应答器、系统高层和天线组成。阅读器一方面可以与系统高层进行数据传输，将数据通过读写器和天线传送至应答器，并且可以由系统高层通过数据对阅读器进行相应的控制。本文设计了一种基于耦合线圈的射频识别演示系统，该系统能够识别并显示应答器的预置编码。

2 总体方案设计

射频识别系统可以采用类似MFRC522等集成非接触式的读写芯片通过编程定义其功能的方式实现，也可以采用通用处理器加硬件电路的方式实现，还可以采用编解码芯片配合纯硬件的发射接收电路实现。本文采用第三种方法，其优点是可以充分了解射频识别系统的工作原理。

2.1 系统框图

该系统如图1所示[2]。应答器部分由拨码开关实现对信息的置入，通过编码芯片编码后送入应答器发射电路，通过耦合线圈实现信息的发送。阅读器部分通过线圈接收应答器的信号，通过接收电路调理后送入解码芯片解码，解码后的信号驱动发光二极管实现信息的显示。阅读器和应答器的编解码由PT2262/2272配套的CMOS低功耗低价位通用编/解码电路完成。应答器为无源部分，其能量提供由阅读器通过耦合线圈传输，因此耦合线圈本身起到了信息和能量的双重传输。

图1 纯硬件实现的设别识别系统

2.2 调制方式的选择

无线射频识别系统可以采用多种调制手段，如调幅、调频、调相等调制技术。ASK方法相对易被检测，采用不相干检测容易实现，功耗低。包络检波法是一种不相干检测法。所以在无线射频识别系统中，采用ASK和包络检波法最为合理。

在应答器对阅读器传送数据是方法上，信号能量应该越低越好，越少的能量用于发射信号，这样可以提供更多的能量给应答器工作。因此采用基于副载波的负载调制的方法传送信号。通过改变等效电阻实现，这就是负载调制。通过改变应答器电路的通断，使应答器的电流变化，进而改变发送电磁波的能量大小。

应答器可以通过开关电阻或电容来改变自身阻抗。并联的电阻负载降低整个应答器的有效负载，使得线圈电流增加，导致阅读器电压上升，使信号实现幅度调制。

3 应答器电路设计

应答器电路的结构如图2所示。

图2 应答器电路

（1）应答器前端整流电路。该部分电路实现为应答器供电的功能。由于线圈之间的电磁耦合，使得应答器部分的线圈产生交变电流，经桥式电路将交变电流进行整流，桥式电路由四个采用串并联的二极管组成，正弦波电流经过桥式电路可以将交变电流，转化为直流电流，并在+5V的稳压管的作用下，为电路提供电压。

（2）调制及编码电路。负载调制通过模拟开关实现，将数据直接接到模拟开关的接口，控制开关的导通与截止，使得阻抗产生相应的变化，线圈中耦合电压幅度将不停变化，从而实现负载调制。在电路中采用负载调制的方式来信号进行调制，由四个拨码快关通过预置开关的闭合，开关与PT2262编码芯片管脚D8～D11相连接，控制16中不同的状态，将不同的数组输入芯片，经芯片编码，将控制TS5A3166模拟开关。模拟开关与电容和线圈采用并联的方法，将编码好的信号直接传送到模拟开关上，控制模拟开关的导通与断开，当导通时电阻特别小近似于短路，到达线圈的电压幅度就较小，当开关断开的时候，相当于断路，这时的电压幅度较大。不同的幅度的电压代表不一样的信号。控制电信号的幅度强弱进行调制。

4 阅读器电路设计

通过应答器的线圈电磁耦合发送出来的电磁波，经阅读器的线圈耦合，将电磁波接收经过检波、放大、比较整形和解码，解码后得到相应的数字信号。阅读器电路如图3所示。

（1）检波电路。采用二极管来实现检波的功能，二极管D1、D2与L3、C18滤波网络组成了检波电路[3]。二极管具有单向导通的功能，在二极管方向一致上，形成一点的电势差，当输入的高电平信号时，二极管两端的电压处于正值，因此二极管处于导通状态，此时对电容进行充电。当电容的电压值达到了输入高频信号的电压时，二极管两端电压出现负值，此时二极管处于断开的状态，电容进行放电。检波的过程，也就是二极管对电容充放电的过程，电容充放电应满足充电快放电慢的条件，这样才能达到较好的检波作用。LC低通滤波电路对高频信号具有较大的容抗，电容处于开路状态，而对于低频信号容抗几乎为零，电容处于短路状态。

（2）放大电路。采用电感与电容串联的方法，将对检波后的电流中含有较大的直流分量和高频分量进行滤除，经过低噪声、低失真的运算放大器进行放大，运算放大器使用单电源MAX4256芯片，能够为较为微弱的信号的放大提供较好的放大效果。在输入端采用分压式两阻值相同的电阻串联的方法，这样使得零输入时的电压，输出端的电压为单电源的电压一半。

图3 阅读器电路

（3）整形电路。经运算放大器放大后的信号送入比较器LM311中，比较器的2管脚与两阻值相同的电阻并联，采用分压式，参考电压门限值为+2.5V。由于信号在传输时，波形出现了变化，为了将波形较好的恢复，利用比较器对信号进行高低电平还原，因为焊接与元器件的参数引起的不稳定因素，通过比较器可以较好的对抗一些因素干扰，信号经比较后送入解码芯片中。

（4）解码及显示电路。比较后的信号通过管脚14DATAIN进入芯片，在芯片中进行解码，将解码后的信息显示在LED灯上，利用四个LED灯连接PT2272芯片的D8～D11口。PT2272为解码芯片，能定输入的高低电平数字信号，进行转化成所需要的信息。PT2272芯片具有暂存和锁存功能，分别可以用后缀M表示暂存，后缀L表示锁存，如PT227-M2表示数据输出暂存两位。

5 系统的调试

电路焊接完成后进行调试。第一步阅读器和应答器独立接直流电源，调整静态工作点。第二步应答器断电，阅读器加测试载波信号，观察应答器接受波形的幅度以调谐阅读器和应答器线圈。第三部检查编解码功能，验证电路的性能。通过预置拨码开关，观察LED灯的点亮情况可以验证电路是否实现了正确识别。

调试过程中还可以用示波器对照观察PT2262发射信号和PT2272接收信号的波形已验证电路的性能。将开关状态设置在1011时观察到的波形如图4所示。可以发现编码信号的波形与解码信号的波形完全一致，较好地实现了准确识别。

图4 解码与编码波形图

6 结束语

利用PT2262/PT2272编解码芯片和对应的发射接收电路实现了射频识别的功能，该系统原理清楚，便于理解射频识别的工作原理。

[1] 刘小兵，苏磊，冯浩等.基于51单片机的无线识别装置系统[J].国外电子元器件，2008，16（10）：77-78，81.

[2] 高吉祥主编.2007年全国大学生电子设计竞赛试题剖析[M].北京：电子工业出版社，2009.5：111-132.

[3] 张肃文主编.高频电子线路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2009.5：341.