摘要:电感耦合是实现能量和数据无线传输的物理基础。首先介绍7基于耦合线圈的无线识别装置的实现方法,该方法通过阅读器线圈和应答器线圈之间的耦合来发送和接收数据。然后给出了无线识别的硬件实现电路及软件设计流程图。阅读器和应答器由MCU控制。
关键词:耦合线圈;无线识别;阅读器;应答器
1 引言
无线射频识别技术是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性,实现对被识别物体的自动识别。无线射频识别系统一般由两个部分组成:应答器和阅读器。当带应答器的被识别物品通过其可识读范围时,阅读器自动以无接触的方式将应答器中的约定识别信息取出来,从而实现自动识别的功能。
本文给出一种实现简单射频识别系统的方式。阅读器由普通功耗的单片机系统构成,应答器由一种低功耗的贴片单片机系统构成。单片机通过串口接收和发送数据,数据的校验则通过程序实现。
2 无线射频识别装置的工作原理
本无线识别装置包括阅读器和应答器两部分。其系统方框图如图1所示。
阅读器使用5V的直流电源供电。它主要由载波信号产生电路、信号放大电路、单片机及其LED显示电路组成。应答器主要由整流滤波储能电路、单片机及其接口电路组成。数据的发送和接收是通过Mc u之间的串口编程实现的。其工作流程如下:芯片CD4060产生一个500KHz的载波信号,线圈回路通过调整电感电容的参数使其发生谐振,从而发射一定能量的电磁波。阅读器的线圈将产生的能量以电磁波的方式发送到一定的空间范围内,形成阅读器的有效阅读区域。当应答器到达阅读器有效阅读区域中时,阅读器通过电感耦合接收应答器发出的数据信号,并将信号通过放大电路进行放大,经单片机的串行口送入单片机。单片机通过程序,将数据通过LED显示,从而完成数据的无线识别。
应答器根据能量来源可分为有源应答器和无源应答器。有源应答器的工作所需的能量由外电源提供。对于无源应答器来,其工作所需的能量来自于阅读器发射的电磁波。本装置的应答器可以由外电源供电,也可以由阅读器发出的电磁波获得能量。
3 系统硬件设计
系统硬件主要包括阅读器载波信号产生电路、阅读器单片机系统电路、应答器整流滤波电路、应答器单片机系统电路四部分。
3、1 阅读器载波信号产生电路
阅读器载波信号产生电路中,阅读器使用芯片c D4060产生一个500KHz的信号给线圈,通过串联电容c和电阻R使电路发生振荡。当电容c为某个值时电路发生串联谐振。线圈接收到信号后,通过放大电路将信号放大,再送入单片机处理。放大倍数可通过调节输入端的匹配电阻来调节。
3、2 阅读器单片机系统电路
单片机系统是阅读器的主要组成部分。数据的发送主要通过它来实现的。单片机采用结果和功能比较简单的MS51的单片机。阅读器通过单片机接收和发送数据,对接收到的数据进行校验,若收到的数据有效,便通过LED显示出来。由于应答器的置数是拨码开关实现,其范围为0到15,因此这里用四位LED来表示。
3、3 应答器整流滤波电路
应答器由单片机及接口电路、耦合线圈、滤波储能电路等构成。当应答器无外接电源时,线圈上获得的耦合电压通过电容C送入二极管半波整流电路,经滤波电容滤掉高频信号,其两端输出的电压既为应答器内需要的直流电源电压;该电容同时又作为储能器件以加强负载能力。
3、4 应答器单片机系统电路
应答器单片机系统电路与阅读器的类似。主要的区别是应答器单片机系统采用了STC89LE58低功耗单片机。在外围电路上,它没有LED显示电路,但多了一个拨码开关置数电路。与普通单片机相比,STC89LE58工作电
压范围较宽(2~3.8V),功耗较低。这里选用4M晶振以减少单片机的工作频率,从而降低了应答器的功耗。应答器在无源状态下,选用低功耗的单片机显得尤其重要。
4、系统软件设计[4]
4、1 阅读器软件设计
阅读器的工作流程如下:阅读器上电后,先对单片机进行初始化,并发送载波信号形成有效的阅读区域;然后不断检测是否有中断,当有串口中断时,表明有应答器进入有效阅读区域数据;阅读器通过单片机串行通信的RXD端接收数据,当跳变检测器检测到RXD引脚的负跳变时,开始接收数据,并点亮一只LED;当一帧数据接收完毕,单片机对数据进行校验,校验为有效数据,将接收到的数据输出到LED显示;接收控制器向CPU申请中断,开始接收下一帧数据。 4、2 应答器软件设计
应答器工作分为有源状态和无源状态。在无源状态下,其工作流程为:应答器进入阅读器的有效阅读区域,通过线圈之间的电磁感应获得电能并提供给单片机工作;单片机不断扫描拨盘开关的数据,并按一定的波特率发送出去;在发送两位数据的同时,单片机工作于等待方式以降低功耗;通过定时器中断请求,单片机将退出等待方式,继续发送下一位数据,直到发送完整个字节。单片机等待工作方式由电源控制寄存器PCON设定。
有源状态时的应答器工作与无源状态相同,只是应答器直接用两节干电池供电。
5、测试方案与测试结果
测试方案主要包括对识别距离、识别时间、识别正确率三个方面进行测试。测试时,阅读器以5V直流电源供电,应答器以两节1.5V的干电池供电。耦合线圈为用直径不大于1mm的漆包线密绕10圈的制成圆形空芯线圈。线圈直径为6.8cm。
(1)识别距离D的测试。在频率f=500KHz,L=20uH的条件下,通过改变匹配电容的大小,测出了阅读器能识别应答器的距离D。测试结果表明:当匹配电容c=6000PF时,阅读器能识别应答器的距离D最大。最大值为Dmax=6.9cm。
(2)识别时间的测试。经过三十次测试,测试阅读器识别应答器的时间T均在1s以内,响应非常快。
(3)识别应答器预置编码的正确率测试。改变应答器预置数的大小,分别测出观察阅读器所显示的数据的正确性。不断重复上述操作,测试结果如表1所示。
对识别距离D的测试结果表明,当匹配电容为6000PF时,能识别的距离最大,原因是此时阅读器的振荡支路发生LC谐振。在阅读器的有效阅读区域内,阅读器识别应答器编码的正确率达到了95%以上,这主要是因为在识别过程中增加了校验,大大减少了识别的误码率。经过多次测量接收的数据,识别时间T均在1s以内,表明识别装置的响应非常迅速。
参考文献
1 朱兵基于MSCl21l单片机的RFID接收系统设计,微计算机信息2006(12):69~70
[2]丁元杰单片微机原理及应用[M],第3版北京:机械工业出版社,2005
[3]清源计算机工作室Protel99SE原理图与PCB及仿真[M],E京:机械工业出版社,2006
[4]马梅忠,单片机的c语言应用程序设计[M],第3版,北京:北京航空航天大学出版社,2004 |
