中心議題：

• 無(wú)線傳輸射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理
• 無(wú)線傳輸射頻識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試與測(cè)試

解決方案：

• 無(wú)線傳輸射頻識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)今各種智能化控制系統(tǒng)離不開(kāi)數(shù)據(jù)信息的傳輸。其中，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是區(qū)別于傳統(tǒng)有線傳輸?shù)男滦蛡鬏敺绞剑到y(tǒng)不需要傳輸線纜且成本低廉。為單片機(jī)匹配相應(yīng)的無(wú)線通信接口電路，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。目前常用的無(wú)線通信接口電路，是以無(wú)線收發(fā)芯片為核心的電路。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)中采取必要的抗干擾措施和識(shí)別措施，可以有效地避免干擾，達(dá)到滿意的通信效果。本文以89c2051單片機(jī)為基礎(chǔ)，進(jìn)行無(wú)線通信以識(shí)別非接觸式無(wú)線識(shí)別裝置，其應(yīng)用可以嵌入到電業(yè)管理或燃?xì)馐召M(fèi)等系統(tǒng)中，也可作為一個(gè)獨(dú)立讀卡器對(duì)IC卡進(jìn)行操作，配合不同軟件可以應(yīng)用于不同行業(yè)。

1　系統(tǒng)的工作原理

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為閱讀器和應(yīng)答器的核心、這兩部分主要使用LM567。本系統(tǒng)是一個(gè)小型的無(wú)線識(shí)別器件最大操作距離達(dá)70mm。系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為射頻區(qū)和接口區(qū)：射頻區(qū)內(nèi)含調(diào)制解調(diào)器和電源供電電路，直接與天線連接；接口區(qū)有與單片機(jī)相連的端口，還具有與射頻區(qū)相連的收/發(fā)器、可以用單片機(jī)程序存放3套寄存器初始化文件的E2PROM以及進(jìn)行3次數(shù)據(jù)證實(shí)防錯(cuò)誤機(jī)制、防碰撞處理的防碰撞模塊和控制單元。這是閱讀器跟應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心模塊，也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2　硬件電路的設(shè)計(jì)

無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)裝置由閱讀器、應(yīng)答器與耦合線圈（即天線）3部分組成。

2.1　閱讀器的設(shè)計(jì)
閱讀器基本電路，如圖1所示。當(dāng)有應(yīng)答器靠近閱讀器時(shí)，閱讀器內(nèi)的天線組成了一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，其頻率與應(yīng)答器的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使高頻信號(hào)流入閱讀器中用于解調(diào)的LM567的輸入端。輸出的解調(diào)信號(hào)與上述單片機(jī)編碼信號(hào)反向，最后經(jīng)過(guò)單片機(jī)譯碼輸出顯示。

LM567具有調(diào)制和解調(diào)雙重功能。其調(diào)解出來(lái)的信號(hào)可直接被單片機(jī)識(shí)別，并由單片機(jī)發(fā)送給數(shù)碼管并顯示。

圖1　閱讀器

2.2　應(yīng)答器的設(shè)計(jì)
應(yīng)答器工作時(shí)，通過(guò)89c2051單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，然后送往LM567被調(diào)制到高頻載波上，與其輸出端相連的天線線圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波（145kHz），當(dāng)有應(yīng)答器靠近閱讀器時(shí)，閱讀器識(shí)別并顯示。應(yīng)答器硬件電路如圖2所示。

圖2　應(yīng)答器[page]

2.3　耦合線圈（即天線）的設(shè)計(jì)
天線是一種轉(zhuǎn)能器。發(fā)射時(shí)，把發(fā)射機(jī)的高頻電流轉(zhuǎn)化為空間電磁波；接收時(shí)，把從空間截獲的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送入接收機(jī)。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于射頻識(shí)別系統(tǒng)的小功率、短距離無(wú)線收發(fā)設(shè)備，天線設(shè)計(jì)是其中的重要部分。良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達(dá)到最佳狀態(tài)。天線的種類(lèi)很多，不同的應(yīng)用需要不同的天線。在小功率、短距離的RFID系統(tǒng)中，需要一個(gè)通信可靠、價(jià)格低廉的天線系統(tǒng)，耦合線圈環(huán)型天線是比較常用的一種。

2.3.1　分析環(huán)型天線的等效電路
環(huán)型天線激勵(lì)點(diǎn)的電壓和電流由環(huán)的輸入阻抗聯(lián)系起來(lái)，即V=ZI0。為了評(píng)估用于天線諧振的電容Z′in,環(huán)型天線的輸入阻抗必須確定；同樣，為了評(píng)估天線效率和輻射阻抗，環(huán)型導(dǎo)體內(nèi)的歐姆損耗和其他歐姆損耗也必須確定。

2.3.2　天線設(shè)計(jì)參數(shù)
環(huán)型天線輸入阻抗Zin可由下式給出：

式中，RR為輻射電阻；RL為環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻；RX為額外歐姆損耗電阻；LA為環(huán)型天線電感；L1為環(huán)型導(dǎo)體電感。

環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻為：

式中，l為金屬環(huán)形導(dǎo)體長(zhǎng)度，p為環(huán)形導(dǎo)體交叉部分的周長(zhǎng)，RS為導(dǎo)體表面電阻，u0為4π×10-7H/m;σ為導(dǎo)體電導(dǎo)率；RL的單位為Ω。額外歐姆損耗電阻主要來(lái)自電容CP上的等效串聯(lián)電阻：

2.4　帶有天線的閱讀器的等效電路
產(chǎn)生交變磁場(chǎng)所需的導(dǎo)體回路由線圈L1表示，串聯(lián)電阻R1相當(dāng)于導(dǎo)體回路L1中線繞電阻的歐姆損耗。為了當(dāng)閱讀器的工作頻率為fTX時(shí)在導(dǎo)體回路L1中獲得最大電流，從而產(chǎn)生最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H,經(jīng)電容器C1串聯(lián)形成諧振頻率fRES=fTX的串聯(lián)諧振電路。

圖4中，閱讀器的發(fā)送器出口產(chǎn)生高頻電壓u2,接收器直接與天線線圈L1連接。串聯(lián)諧振電路的總阻抗Z1為各項(xiàng)單阻抗之和，即：

2.5　天線連接的匹配研究
根據(jù)閱讀器使用的頻率范圍，使用不同的方法將天線線圈連接到閱讀器發(fā)送器的輸出端。通過(guò)功率匹配將天線線圈直接連接功率輸出級(jí)，或通過(guò)同軸電纜饋送到天線線圈。天線線圈L1在射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為阻抗ZL。為了實(shí)現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，必須通過(guò)無(wú)源的匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω，然后通過(guò)同軸電纜即可幾乎無(wú)損失且無(wú)輻射地將此功率從閱讀器末級(jí)傳送到匹配電路。

3　調(diào)試與測(cè)試

3.1　調(diào)試方法
電路在調(diào)試時(shí)，振蕩頻率可在0101Hz～500kHz內(nèi)變化，必須調(diào)整振蕩頻率使與LM567的載波頻率實(shí)現(xiàn)最佳匹配，否則將影響后續(xù)電路的解調(diào)（例如振蕩頻率與LM567的載波頻率相差太近時(shí)將直接影響后續(xù)頻率的解調(diào)等），而單片機(jī)的振蕩頻率也將影響輸出波形，如果輸出不是矩形波則可能影響單片機(jī)對(duì)信號(hào)的識(shí)別，使反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)或編譯出錯(cuò)，所以對(duì)電路調(diào)試非常重要。LM567要順利實(shí)現(xiàn)相互調(diào)制與解調(diào)就必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，如果發(fā)射機(jī)正在工作，而接收機(jī)不能正確譯碼，則應(yīng)調(diào)節(jié)定時(shí)電阻R8的阻值，使其符合要求。由于LM567的振蕩頻率（中心頻率）要求精度很高，在調(diào)節(jié)R8阻值時(shí)，應(yīng)將R8電阻換為10kΩ多圈精密線繞電阻。此電阻每旋轉(zhuǎn)一周，電阻值變化幾十歐姆，精度較高。如沒(méi)有此電阻，也可用普通微調(diào)電阻代替但調(diào)整時(shí)要仔細(xì)。若條件許可，可將頻率計(jì)直接接在發(fā)射機(jī)的LM567第5腳與地之間，測(cè)其振蕩中心頻率，記下數(shù)值，然后再測(cè)接收機(jī)LM567第5腳頻率。如果接收機(jī)中心頻率（指LM567）與發(fā)射機(jī)LM567中心頻率不同，調(diào)節(jié)R8電阻值，使兩機(jī)音頻譯碼器中心頻率相等即可。

3.2　測(cè)試數(shù)據(jù)
測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)測(cè)試了00～FF的全部8位編碼（4位則一定沒(méi)問(wèn)題），多次計(jì)算并測(cè)量了電源供給功率，對(duì)于耦合線圈的距離測(cè)試了1～6cm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，可保障5cm數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。測(cè)試數(shù)據(jù)列表如下。

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)列表

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可以看出，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了題目要求的全部基本功能和大部分發(fā)揮功能，并有自己的特色發(fā)揮功能，性能可靠穩(wěn)定。
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3.3　測(cè)試結(jié)果分析
3.3.1　系統(tǒng)波形數(shù)據(jù)測(cè)試
采取自上而下的調(diào)試方法，即單獨(dú)調(diào)好每一個(gè)模塊，然后連成一個(gè)完整的系統(tǒng)，再進(jìn)行總體調(diào)試。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收信號(hào)比較，如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)發(fā)送和接收信號(hào)的比較

3.3.2　系統(tǒng)本身可能產(chǎn)生的誤差
（1）外界干擾因素
采用無(wú)線傳輸有一個(gè)十分突出的弊病，即容易受到電磁干擾及傳輸效果不佳的問(wèn)題，由于外界高頻信號(hào)，金屬等很多器件都可能對(duì)電磁波產(chǎn)生干擾，所以電路難免產(chǎn)生錯(cuò)誤
（2）距離干擾因素
電磁場(chǎng)在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，其場(chǎng)量E和H的振幅隨距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減。從能量的觀點(diǎn)看，電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快，把由導(dǎo)體表面衰減到表面的1/e（約3618%），即在文中規(guī)定距離為5cm的原因就在于此，由距離因素產(chǎn)生的亂碼及不可識(shí)別碼也是產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因之一。

4　程序流程圖

軟件編程運(yùn)用單片機(jī)匯編語(yǔ)言，編輯軟件是Keil51,給出程序流程圖如圖4所示。

圖4　程序流程圖

5　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的閱讀器可在6cm范圍內(nèi)識(shí)別應(yīng)答器的有無(wú)，若有應(yīng)答器在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，則給出明確的指示并讀取應(yīng)答器預(yù)設(shè)的4位編碼，然后顯示；另外，應(yīng)答器部分還可以通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)置4位編碼在閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)送出編碼信號(hào)。同時(shí)閱讀器還具有對(duì)應(yīng)答器的編碼進(jìn)行寫(xiě)入的功能，由應(yīng)答器接收并儲(chǔ)存。設(shè)計(jì)中重點(diǎn)是保證正確率，可以從軟件上增加校驗(yàn)碼來(lái)提高無(wú)線傳輸?shù)目煽柯省?/p>