唐娣

摘?；要：本文介紹了基于無線射頻識別技術(shù)的一種近距離無線識別裝置，該裝置主要由閱讀器、應答器和射頻耦合線圈三部分組成，采用MSP430單片機和AT89S52單片機作為主控器件。裝置單元包括：射頻讀寫模塊電路的設(shè)計、微控制單元電路的設(shè)計、串行通信電路的設(shè)計、射頻輸出功放電路的設(shè)計、射頻輸入信號處理電路的設(shè)計和天線的設(shè)計等。本系統(tǒng)最終可以實現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)信息的傳輸和顯示，遠距離的數(shù)據(jù)傳輸有待進一步研究開發(fā)。

關(guān)鍵詞：無線射頻識別技術(shù)?；MSP430?；AT89S52?；射頻耦合

無線射頻識別技術(shù)（RFID，既Radio Frequency Identification。也稱為微波射頻識別技術(shù)）是從20世紀80年代起走向成熟的——非接觸式的自動識別技術(shù)。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，無線射頻識別系統(tǒng)的體積大大縮小，所以目前已進入實用化的階段。它利用射頻方式進行非接觸方式進行非接觸雙向通信，以達到識別的目的，并且可以交換數(shù)據(jù)。RFID與目前廣泛應用的條碼技術(shù)不同，它可以提供自動的數(shù)據(jù)采集，不需要人的干預。RFID有效地替代了文書操作，可以提供無可辯駁的電子數(shù)據(jù)驗證和時間戳，因此其應用更加廣泛。

一、系統(tǒng)概述

1.系統(tǒng)功能要求

設(shè)計制作一套無線識別裝置，該裝置由閱讀器、應答器和耦合線圈組成，其方框圖如圖1所示。

在裝置圖中閱讀器、應答器均具有無線傳輸功能，頻率和調(diào)制方式自由選定。閱讀器能識別應答器的有無、編碼和存儲信息。在裝置中的耦合線圈為圓形空芯線圈，用直徑φ1mm的漆包線密繞10圈制成。線圈直徑為φ6.6cm（用直徑φ6.6cm左右的易拉罐作為骨架，繞好后取下）。線圈間的介質(zhì)為空氣。兩個耦合線圈最接近部分的間距定義為D。

圖1?；無線識別裝置方框圖

應答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得（通過對耦合到的信號進行整流濾波得到能量），閱讀器采用單電源供電，采用發(fā)光二極管顯示識別結(jié)果。閱讀器能正確讀出并顯示應答器上預置的四位二進制編碼，能在D盡可能大的情況下，識別應答器的有無。耦合線圈間距D≥2cm。應答器增加編碼預置功能，可以用開關(guān)預置四位二進制編碼。閱讀器能正確識別并顯示應答器的預置編碼。耦合線圈間距D≥2cm。

2.系統(tǒng)設(shè)計方案

基本射頻系統(tǒng)至少由兩部分組成：讀寫器和應答器，另外還有耦合天線、主機等。根據(jù)設(shè)計要求和射頻系統(tǒng)的工作原理，我們設(shè)計的這套裝置由閱讀器和應答器、射頻耦合線圈三部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)的基本工作原理：移動應答器線圈使它進入閱讀器線圈產(chǎn)生的磁場后，若應答器線圈收到閱讀器線圈發(fā)出的射頻信號，應答器就可以憑借感應電流所獲得的能量將存儲在其中的信息發(fā)送出去，閱讀器讀取并解碼后，就能還原出應答器中的信息。

圖2?；無線識別裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

二、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

1.閱讀器電路設(shè)計

閱讀器電路主要由閱讀器微控制單元與顯示模塊，振蕩電路模塊，發(fā)射模塊及數(shù)字信號調(diào)節(jié)幾部分組成。

（1）閱讀器微控制單元與顯示模塊設(shè)計。微控制單元使用AT89S52單片機。使用該單片機作為主控器成本較低，且完全可以滿足設(shè)計要求。

（2）振蕩電路模塊實現(xiàn)。用反相器CD4069產(chǎn)生4.096MHz的頻率，經(jīng)過CD4024分頻得到128kHz的振蕩頻率。

（3） 發(fā)射模塊設(shè)計。在設(shè)計過程中考慮到由于閱讀器是通過耦合發(fā)射功率給應答器供電，所以對閱讀器的發(fā)射功率有一定的要求，故采用3DA1C來實現(xiàn)閱讀器的發(fā)射功率。

（4）數(shù)字信號解調(diào)。通過對閱讀器發(fā)射線圈上的信號檢波得到了應答器發(fā)出的數(shù)字信號，由于信號較弱不能直接被閱讀器讀取，所以采用運算放大器放大，又經(jīng)4069反相器整形，最后得到數(shù)字信號送入閱讀器單片機串口。

2.應答器電路設(shè)計

應答器電路主要由耦合供電模塊及微控制撥碼模塊兩部分組成。

（1）耦合供電模塊設(shè)計。在應答器中采用橋式整流電路，整流二極管采用的是硝特基超低壓降高頻二極管用來增加能量的利用率。濾波電容采用微封裝高內(nèi)阻鉭電容，以減少濾波時的能量損耗。在后級增加3.3V穩(wěn)壓塊防止感應電壓過高，保證電路穩(wěn)定工作。

肖特基整流管僅用一種載流子（電子）輸送電荷，在勢壘外側(cè)無過剩少數(shù)載流子的積累，因此，不存在電荷儲存問題（QRR→0），使開關(guān)特性獲得明顯改善。其反向恢復時間已能縮短到10ns以內(nèi)。但它的反向耐壓值較低，一般不超過100V。因此適宜在低壓、大電流情況下工作。利用其低壓降這一特點，能提高低壓、大電流整流（或續(xù)流）電路的效率 。

（2）微控制撥碼模塊設(shè)計。微控制電路采用MSP430作為主控器件，既可實現(xiàn)與閱讀器的通信任務，又可對閱讀器發(fā)回的信息進行存儲，該單片機為極低功耗的微處理器。

（3）MSP430單片機的特點。MSP430系列單片機的迅速發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下特點。

一是強大的處理能力。MSP430系列單片機采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動下指令周期為125 ns。

二是在運算速度方面，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如FFT等）。

三是MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用6us。

四是超低功耗。MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。

三、軟件設(shè)計

本設(shè)計的主要作用是用來控制MSP430以及AT89S52，當應答器中有電流后，程序開始采集撥碼、編碼、串口發(fā)送，把信號送回閱讀器部分，閱讀器開始數(shù)據(jù)的接收、解碼到最后的顯示。

1.應答器軟件設(shè)計

應答器在該系統(tǒng)中的功能是采集系統(tǒng)撥碼開關(guān)狀態(tài)及轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)編碼發(fā)送到閱讀器，具體流程圖如圖3所示。

圖3?；應答器流程圖

系統(tǒng)在上電復位后開始初始化設(shè)置，初始化設(shè)置包括對系統(tǒng)數(shù)據(jù)端口的初始化，對看門狗的初始化和對定時捕獲功能的初始化。數(shù)據(jù)口P0對應數(shù)據(jù)撥碼開關(guān)，在系統(tǒng)初始化完成后開始采集P0口數(shù)據(jù)，單片機系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應數(shù)據(jù)編碼，系統(tǒng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送起始位0XAA，循環(huán)發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

2.閱讀器程序設(shè)計

主要是將從應答器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信號接收并解碼顯示，具體流程圖如圖4所示。系統(tǒng)在上電復位后開始初始化程序，初始化程序主要包括對串口的初始化，主要設(shè)定串口波特率及串口中斷。在初始化后等待數(shù)據(jù)接收，當有數(shù)據(jù)接收后進入中斷程序，將接收數(shù)據(jù)解碼并顯示。

圖4?；閱讀器流程圖

四、系統(tǒng)調(diào)試及測試結(jié)果

1.硬件調(diào)試

（1）按照題目要求先將線圈繞好后，再使用電感測量儀將其電感值測出，根據(jù)預定頻率計算后確定并聯(lián)電容值。

（2）采用并聯(lián)諧振法對整個諧振LC網(wǎng)絡進行測量和微調(diào)，使其共振頻率正好在128kHz。

（3）在制作整個諧振放大電路后，輸入128kHz方波信號，接通電源（同時監(jiān)視工作電流值，防止功放管的擊穿）。在另一諧振回路并入發(fā)光二極管靠近諧振放大回路，觀察發(fā)光二極管的亮度。

（4）測量流過的電流值，對LC諧振回路進行微調(diào)，使其處于最佳工作狀態(tài)。

（5） 先對應答器諧振回路進行功率調(diào)制，然后在閱讀器端取出信號進行處理后，使用示波器觀察波形，最后進行編碼調(diào)制。

2.軟件調(diào)試

首先使用偉福編譯軟件，源程序編譯及仿真調(diào)試應分段或以子程序為單位一個一個地進行，最后結(jié)合硬件實時運行調(diào)試。

3.測試結(jié)果

耦合線圈距離D對顯示正確率的影響如下表所示。

表?；耦合線圈距離D與顯示率的關(guān)系

D（cm） 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

正確顯示（%） 98 98 96 93 92 90 89 88 86 84

響應時間（s） 0.7 1 1 1.2 1.2 2 2 2.1 2.3 2.3

五、小結(jié)

根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計已經(jīng)基本完成題目要求，但還存在不足之處。在諧振回路當中，回路未處于最佳工作狀態(tài)，其原因是線圈存在分布電容不能完全耦合，使回路效率不夠高，限制了耦合線圈距離的進一步加大，未獲得理想的調(diào)試結(jié)果。由于電路采用128kHz工作頻率，所以會使應答器獲得較大功率，但是存在效率較低的現(xiàn)象，因此采用集成化制作工藝可使功耗降低、效率提高。本設(shè)計可以實現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)信息的傳輸和顯示，但遠距離的數(shù)據(jù)傳輸有待進一步的研究開發(fā)。

參考文獻：

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