林天亮， 陳 曦

(東北大學(xué) a. 計(jì)算中心(網(wǎng)絡(luò)中心); b. 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

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負(fù)載調(diào)制原理的無線射頻應(yīng)答器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林天亮a， 陳 曦b

(東北大學(xué) a. 計(jì)算中心(網(wǎng)絡(luò)中心); b. 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

射頻識別技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽。它利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別高速運(yùn)動物體同時可識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便，同時具有難以偽造和智能性較高而得到社會各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。本文通過對負(fù)載調(diào)制原理的研究，設(shè)計(jì)了RFID應(yīng)答器的硬件軟件電路系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要采用分立元件，有利于學(xué)生對原理知識理解，并通過對單片機(jī)、觸發(fā)器和運(yùn)放的選型，設(shè)計(jì)了應(yīng)答器的各單元電路，如電磁線圈諧振回路、電源穩(wěn)壓電路、負(fù)載調(diào)制電路等。本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

射頻識別; 讀卡器; 單片機(jī); VC++； 電子標(biāo)簽

0 引 言

無線射頻識別技術(shù)[1](Radio Frequency IDentification, RFID)已經(jīng)成為一個很熱門話題。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，RFID[2]技術(shù)市場將在未來5年內(nèi)在新的產(chǎn)品與服務(wù)上帶來30～100億美金商機(jī)，隨之而來的還有服務(wù)器[3]、資料儲存系統(tǒng)、資料庫程序、商業(yè)管理軟件、顧問服務(wù)，以及其他電腦基礎(chǔ)建設(shè)的龐大需求。

最初在技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)答器是指能夠傳輸信息回復(fù)信息的電子模塊，近些年，由于射頻技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)答器有了新的說法和含義，又被叫做智能標(biāo)簽[4]或標(biāo)簽。RFID電子標(biāo)簽[5]的閱讀器通過天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌FID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。因此可以說無線射頻識別技術(shù)正在成為全球熱門新科技。

1 負(fù)載調(diào)制原理

負(fù)載調(diào)制是電子標(biāo)簽經(jīng)常使用的向讀寫器傳輸數(shù)據(jù)的方法。負(fù)載調(diào)制[6]通過對電子標(biāo)簽振蕩回路的電參數(shù)按照數(shù)據(jù)流的節(jié)拍進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電子標(biāo)簽阻抗大小和相位隨之改變，從而完成調(diào)制的過程。負(fù)載調(diào)制技術(shù)主要有電阻負(fù)載和電容負(fù)載調(diào)制兩種方式。

1.1 電阻負(fù)載調(diào)制

在電阻負(fù)載調(diào)制中，負(fù)載RL并聯(lián)一個電阻Rmod，Rmod稱為負(fù)載調(diào)制電阻，該電阻按數(shù)據(jù)流的時鐘接通和斷開，開關(guān)S的通斷由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼控制。電阻負(fù)載調(diào)制的電路原理圖如圖1所示。電阻負(fù)載調(diào)制的特性是：

(1) 當(dāng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼[7]為“1”時，開關(guān)S接通，電子標(biāo)簽的負(fù)載電阻為Rmod和RL的并聯(lián)；當(dāng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼為“0”時，開關(guān)S斷開，電子標(biāo)簽的負(fù)載電阻為RL。這說明，開關(guān)S接通時，電子標(biāo)簽的負(fù)載電阻比較小。

(2) 對于并聯(lián)諧振，如果并聯(lián)電阻比較小，將降低品質(zhì)因數(shù)[8]。品質(zhì)因數(shù)Q值的降低，將使諧振回路兩端的電壓下降。

(3) 上述分析說明，開關(guān)S接通或斷開，會使電子標(biāo)簽諧振回路兩端的電壓發(fā)生變化。為了恢復(fù)(解調(diào))電子標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)，上述變化應(yīng)該輸送到讀寫器。

圖1 電磁線圈諧振回路電路圖

(4) 當(dāng)電子標(biāo)簽諧振回路兩端的電壓發(fā)生變化時，由于線圈電感耦合，這種變化會傳遞給讀寫器，表現(xiàn)為讀寫器線圈兩端電壓的振幅發(fā)生變化，因此產(chǎn)生對讀寫器電壓的調(diào)幅。

1.2 電容負(fù)載調(diào)制

在電阻負(fù)載調(diào)制中，負(fù)載RL并聯(lián)一個電容Cmod，Cmod取代了由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼控制的負(fù)載調(diào)制電阻Rmod。電容負(fù)載調(diào)制的電路原理圖如圖1所示。

電容負(fù)載調(diào)制的特性是：

(1) 在電阻負(fù)載調(diào)制中，讀寫器和電子標(biāo)簽在工作頻率下都處于諧振狀態(tài)；而在電容負(fù)載調(diào)制中，由于接入了電容Cmod，電子標(biāo)簽回路失諧，又由于讀寫器與電子標(biāo)簽的耦合作用，導(dǎo)致讀寫器也失諧。

(2) 開關(guān)S的通斷控制電容Cmod按數(shù)據(jù)流的時鐘接通和斷開，使電子標(biāo)簽的諧振頻率在兩個頻率之間轉(zhuǎn)換。

(3) 通過定性分析可以知道，電容Cmod的接入使電子標(biāo)簽電感線圈上的電壓下降。

(4) 由于電子標(biāo)簽電感線圈上的電壓下降，使讀寫器電感線圈上的電壓上升。

(5) 電容負(fù)載調(diào)制的波形變化，與電阻負(fù)載調(diào)制的波形變化相似，但此時讀寫器電感線圈上電壓不僅發(fā)生振幅的變化，也發(fā)生相位的變化，相位變化應(yīng)盡量減小。

2 系統(tǒng)硬件單元電路設(shè)計(jì)

應(yīng)答器系統(tǒng)的硬件部分由單片機(jī)電路、電磁線圈諧振回路、電源整流部分電路、電壓穩(wěn)壓部分電路、負(fù)載調(diào)制部分、ID序列號產(chǎn)生部分電路等電路組成。

2.1 系統(tǒng)主芯片選型

系統(tǒng)使用STC89C52作為控制的單片機(jī)芯片，STC89C52[9]是一種低功耗、高性能CMOS 8 b微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 b CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8 kB字節(jié)Flash，512 B RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置8KB E2PROM，MAX810復(fù)位電路，三個16 b 定時器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0 Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35 MHz，6T/12T可選。

2.2 電磁線圈諧振回路

電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁線圈諧振回路電路圖如圖2所示。LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成并聯(lián)諧振，諧振頻率為125 kHz，線圈靠近讀卡器時，產(chǎn)生電磁諧振[10]，回路中感應(yīng)出感應(yīng)波形，但是這個過程很短暫，無法用示波器觀看。

2.3 電源整流部分電路

電源整流電路圖如圖3所示，經(jīng)由天線電路耦合得到的高頻交流信號經(jīng)過二極管組成的全波整流電路后，轉(zhuǎn)換為單極性的交流信號，再經(jīng)過電容C20濾除高頻成分，獲得直流電壓。C20同時作為儲能元件，獲得較強(qiáng)的帶載能力。

圖2 電磁線圈諧振回路電路圖

圖3 電源整流部分電路

2.4 電壓穩(wěn)壓部分電路

經(jīng)過整流濾波電路[11]后，在濾波電容兩端得到的直流電壓是不穩(wěn)定的，當(dāng)應(yīng)答器原理機(jī)與閱讀器的距離變化時，它隨應(yīng)答器線圈上的耦合電壓的變化而變化，而應(yīng)答器內(nèi)的電路需要較高穩(wěn)定性的電壓，因此需要采用穩(wěn)壓電路[12]。在圖4中，信號首先經(jīng)過一個穩(wěn)壓管，再經(jīng)過放大網(wǎng)絡(luò)，輸出到Vcc，同時給控制器MCU一個中斷信號，通知MCU開始工作。得到穩(wěn)定的直流電壓后，電源指示燈點(diǎn)亮，電路開始正常工作。

圖4 電壓穩(wěn)壓部分電路圖

2.5 負(fù)載調(diào)制部分電路

控制器輸出的ID序列號要經(jīng)過負(fù)載調(diào)制才能通過線圈，經(jīng)過耦合發(fā)送至閱讀器。從CPU的P1.3與P1.4口輸出的數(shù)字序列先經(jīng)過7407傳輸門[13]，然后經(jīng)過負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)，得到負(fù)載調(diào)制波形，傳送到線圈發(fā)送出去，閱讀器接收到后解調(diào)即可得到ID序列波形。負(fù)載調(diào)制部分電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測試

本文應(yīng)用 Visual C++6.0[14]作為開發(fā)工具，后端數(shù)據(jù)庫則使用MS SQL Server 2008[15]開發(fā)，使用C++語言進(jìn)行開發(fā)。

圖5 負(fù)載調(diào)制部分電路圖

上位機(jī)開發(fā)流程設(shè)計(jì)步驟如下：

(1) 打開VC++6.0[16]SP6，新建一個基于對話框的MFC AppWizard應(yīng)用程序，命名為“RFID讀卡器二次開發(fā)軟件平臺”；

(2) 將對話框Caption更改為“RFID讀卡器二次開發(fā)平臺”，并創(chuàng)建新類CRFID，作為平臺的主界面；

(3) 在對話框資源處插入一個新的對話框，更改Caption為“125KHz系統(tǒng)二次開發(fā)”，創(chuàng)建新類 ，進(jìn)行界面設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)；以此類推，創(chuàng)建需要的按鈕對話框；

(4) 編寫典型開發(fā)文檔，實(shí)現(xiàn)主界面對應(yīng)按鈕功能；

(5) 制作AVI動畫，實(shí)現(xiàn)主界面對應(yīng)按鈕功能；

(6) 添加連接、包含等代碼，將各個對話框類與主程序關(guān)聯(lián)，整體調(diào)試、運(yùn)行；

(7) 反復(fù)調(diào)試無誤，生成Release版或Debug版并發(fā)布。

系統(tǒng)調(diào)試：將應(yīng)答器硬件電路設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行焊接，然后靠近閱讀器產(chǎn)生如圖6的(b)波形，即為負(fù)載調(diào)制波形，(a)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號。

圖6 負(fù)載調(diào)制測試波形圖

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)完成了應(yīng)答器的硬件軟件電路設(shè)計(jì)，具有電路設(shè)計(jì)簡單、易于操作、設(shè)計(jì)成本低的特點(diǎn)。文本設(shè)計(jì)采用分立元器件設(shè)計(jì)，利于學(xué)生對原理知識的理解消化，提高學(xué)生動手能力。本設(shè)計(jì)還存在不足之處，系統(tǒng)硬件測試存在干擾，可考慮增加電容，去除干擾。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11273001)

林天亮(1967-)，男，遼寧大連人，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等。

E-mail: rage_zg@r26.com

TP 393

A

1006-7167(2015)08-0112-03