摘要：低頻射頻識別技術(shù)以其高穿透性和抗干擾能力，在短距離非接觸識別中廣泛應(yīng)用。然而，在終端系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程中，識別距離、信號穩(wěn)定性和解碼效率仍有提升空間。文章針對125 kHz 射頻識別系統(tǒng)的LC諧振電路，其電感值、電容值及品質(zhì)因數(shù)等對諧振電路性能的影響，提出了一種優(yōu)化設(shè)計方法，通過調(diào)整天線阻抗匹配和濾波設(shè)計，有效解決了諧振頻率偏移與信號衰減問題。結(jié)合曼徹斯特編碼特性，進一步改進數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院涂垢蓴_能力。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)在信號強度、識別距離及傳輸穩(wěn)定性方面有顯著提升，為RFID技術(shù)在半導體制造、門禁系統(tǒng)及工業(yè)生產(chǎn)線管理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論與實踐參考。

關(guān)鍵詞：低頻射頻識別技術(shù)；LC諧振優(yōu)化；曼徹斯特編碼；短距離射頻識別技術(shù)通信

中圖分類號：TN91；TP39 文獻標志碼：A

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）技術(shù)因其非接觸性、高效性和數(shù)據(jù)存儲能力［1］，成為半導體制造、門禁系統(tǒng)及工業(yè)生產(chǎn)線管理等領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。尤其在短距離識別應(yīng)用中，125 kHz低頻RFID技術(shù)憑借其低功耗、高穿透性和強抗干擾能力，展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。然而，在實際應(yīng)用中，125 kHz低頻RFID系統(tǒng)的識別距離、識別速度及信號傳輸穩(wěn)定性仍存在優(yōu)化空間。

RFID系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于其諧振電路的設(shè)計與優(yōu)化。諧振電路是RFID信號傳輸?shù)暮诵模鋮?shù)匹配（如電感值、電容值）直接影響系統(tǒng)的工作頻率、信號強度和傳輸效率。同時，數(shù)據(jù)傳輸過程中的信號同步性和抗干擾能力也需要通過優(yōu)化編碼方式（如曼徹斯特編碼）來提升。針對這些問題，探索125 kHz低頻RFID系統(tǒng)的諧振特性［2］及其優(yōu)化方法，對于提升整體系統(tǒng)性能具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外研究者對RFID技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化展開了廣泛研究。在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，張賀豐等［3］研究了低頻RFID技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析中的應(yīng)用，提出了高安全性的全方位數(shù)據(jù)保護設(shè)計；在建筑管理中，郭朝君等［4］通過集成RFID技術(shù)構(gòu)建了智慧工地系統(tǒng)，實現(xiàn)了施工設(shè)備與人員的動態(tài)管理；在物流領(lǐng)域，羅玲玲［5］研究了RFID電子標簽在船舶物資儲運中的定位應(yīng)用，顯著降低了物資識別誤差；趙知易等［6］設(shè)計了一種基于Arduino的RFID智慧門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)了毫秒級延遲的高效控制。這些研究成果展現(xiàn)了RFID技術(shù)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力，然而，針對125 kHz低頻RFID諧振電路設(shè)計及其優(yōu)化的系統(tǒng)性研究仍較少，特別是在多標簽識別環(huán)境和復雜工況中的性能提升方面，亟須進一步探索。

本文基于125 kHz低頻RFID技術(shù)，重點研究諧振電路參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，提出了一種優(yōu)化設(shè)計方法以解決諧振頻率偏移與信號衰減問題。同時，結(jié)合曼徹斯特編碼優(yōu)化方案，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院涂垢蓴_能力。實驗驗證，優(yōu)化后的系統(tǒng)在識別距離、信號強度及傳輸穩(wěn)定性方面取得了顯著提升，為RFID技術(shù)在短距離識別領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 RFID線圈天線諧振分析

1.1 線圈諧振與EM4095諧振電路

EM4095是一個載波頻率為125 kHz的RFID閱讀芯片，它集成的鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）系統(tǒng)能達到載波頻率自適應(yīng)天線的共振頻率，而不需外接晶振。EM4095 是低成本的外部元件，能夠確保共振操作，只有2個系統(tǒng)變量，采樣定位精確，簡單易用，功耗低。

EM4095與微控制器接口簡單，由EM4095構(gòu)成的讀寫器電路原理如圖1所示。芯片供電后，SHD應(yīng)先接高電平，對芯片進行初始化，然后再接低電平，芯片即發(fā)射射頻信號，解調(diào)模塊將天線上AM信號中攜帶的數(shù)字信號取出，由DEMOD_OUT端輸出。EM4095輸出的參考時鐘信號RDY/CLK接微控制器，用作解碼的同步時鐘［7］。

在125 kHz RFID系統(tǒng)中，諧振電路是實現(xiàn)高效通信的核心低頻部分。諧振頻率由LC電路的參數(shù)決定，系統(tǒng)性能受到天線諧振頻率、應(yīng)答器諧振頻率和射頻驅(qū)動頻率等變量的影響。其中，天線諧振頻率由天線線圈的電感和匹配電容確定，應(yīng)答器諧振頻率則由標簽側(cè)LC電路確定。為保證系統(tǒng)信號的穩(wěn)定傳輸，天線與應(yīng)答器的諧振頻率須精確匹配。尤其在鎖相環(huán)系統(tǒng)中，由于天線諧振頻率和射頻驅(qū)動頻率一致，頻率匹配的優(yōu)化主要集中在天線與應(yīng)答器之間的協(xié)同上。

諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q值是評估系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)，Q值越高，諧振電路的選擇性越強，信號傳輸效率越高，但系統(tǒng)對頻率公差的容忍度也隨之降低。在Q值較低的系統(tǒng)中（如空氣芯線圈設(shè)計中Qlt;15），允許的頻率偏移可達±5 kHz，適合靈敏度要求較低的場景。而對于高Q值系統(tǒng)（如鐵氧體芯線圈設(shè)計中Q≥40），信號強度更高，頻率匹配要求更嚴格，頻率漂移可能導致信號傳輸不穩(wěn)定甚至失效。因此，諧振電路的設(shè)計需要在信號強度與頻率穩(wěn)定性之間尋求平衡。

電源噪聲也是影響諧振性能的重要因素。在RFID系統(tǒng)中，ANT驅(qū)動器以電源電壓為基準驅(qū)動天線，電源中小于20 kHz的低頻噪聲可能通過諧振電路疊加到天線信號中，導致頻率漂移和信號失真。當噪聲幅值接近應(yīng)答器信號的幅值時，系統(tǒng)的通信質(zhì)量會顯著下降甚至出現(xiàn)故障。為此，可以通過增加濾波電容（如C_AGND電容）來有效降低低頻噪聲的影響。實驗表明，將C_AGND電容的值從220 nF增加至1μF可以顯著增強系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，通過優(yōu)化C_DC2電容（范圍6.8～22.0 nF），能夠提升信號接收靈敏度，特別是在高Q值系統(tǒng)中，有助于修正接收信號的非矩形波形，提高接收增益。

LC諧振電路的優(yōu)化設(shè)計對系統(tǒng)性能的提升至關(guān)重要。通過調(diào)整C_DC2電容和C_DEC電容，不僅可以改善高Q值系統(tǒng)的信號接收靈敏度，還可以增強系統(tǒng)啟動時的穩(wěn)定性。較高的C_DEC電容值雖然會延長啟動時間，但在復雜環(huán)境中能有效提升信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.2 參數(shù)設(shè)計與計算

1.3 線圈天線電感值仿真

1.3.1 模型建立

1.3.2 仿真設(shè)置

仿真過程在磁絕緣環(huán)境下進行，終端類型為電流源，輸入電流I=0.12 A。通過網(wǎng)格剖分提高計算精 度，仿真求解域采用安培定律約束條件，模型網(wǎng)格如圖4所示。

1.3.3 仿真結(jié)果

仿真得出的主要電參數(shù)如表1所示。

通過表1中數(shù)據(jù)可知，線圈電感值為56.55 μH，與理論計算結(jié)果接近，驗證了模型的準確性；電阻值為732.99 mΩ，符合導體材料及尺寸特性。進一步優(yōu)化線圈設(shè)計（如減小導體直徑或調(diào)整節(jié)距）可有效提升電感性能并降低功耗。此外，總磁能為4.05×10-7 J，表明磁場能量利用率較高，但仍存在優(yōu)化空間。線圈磁通密度分布如圖5所示。

從圖5可以看出，線圈周圍磁場分布較均勻，整體設(shè)計合理。磁場強度的微弱不均可能與仿真邊界條件或網(wǎng)格剖分精度相關(guān)，可通過改進仿真參數(shù)進一步優(yōu)化。調(diào)整螺旋直徑D和節(jié)距S也可改變磁場分布特性，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)基于125 kHz超低頻短距離RFID技術(shù)，結(jié)合Arduino開發(fā)板、集成RFID模塊、舵機、OLED液晶顯示模塊等外圍組件，構(gòu)建了一種智能門禁系統(tǒng)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖6所示，通過RFID讀卡模塊實現(xiàn)非接觸式卡號識別，結(jié)合舵機、OLED屏幕等組件完成身份驗證、信息顯示及控制反饋。

讀卡操作通過天線與卡片的接近完成。為保證RFID模塊能夠高效接收對應(yīng)頻率的射頻信號，設(shè)計中對天線阻抗進行了優(yōu)化匹配，使其在125 kHz工作頻率下實現(xiàn)最大能量傳輸。RFID模塊讀取標簽信號后，經(jīng)過射頻電路整形濾波和信號放大，將數(shù)據(jù)傳遞至主控模塊。

系統(tǒng)核心部分采用C8051F330混合信號處理器［8］完成信號的解碼和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。射頻電路設(shè)計，優(yōu)化了增益和濾波特性，以確保在復雜環(huán)境下仍能準確接收低頻RFID標簽的信號。主控模塊通過串口與Arduino開發(fā)板通信，處理解碼數(shù)據(jù)并驅(qū)動外設(shè)模塊。

系統(tǒng)代碼通過Arduino IDE進行開發(fā)，將數(shù)據(jù)可視化處理并控制外設(shè)響應(yīng)。實驗測試表明，經(jīng)過認證的卡號刷卡后，OLED屏幕展示卡號并顯示歡迎信息，綠色指示燈亮起，蜂鳴器發(fā)出提示音，同時舵機旋轉(zhuǎn)90°開放通行；而未經(jīng)認證的卡號刷卡后，OLED屏幕顯示警告信息，紅色指示燈亮起，蜂鳴器發(fā)出警報音，舵機保持關(guān)閉狀態(tài)以攔截非法用戶。

為進一步驗證硬件設(shè)計的有效性，本設(shè)計結(jié)合蜂鳴器、OLED屏幕、指示燈等模塊進行集成測試，確保RFID模塊在讀取認證卡號后能觸發(fā)正確的控制邏輯，展現(xiàn)高效的通行狀態(tài)，同時在讀取未經(jīng)認證卡號時實現(xiàn)安全防護功能。系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化了硬件集成的可靠性和響應(yīng)效率，以確保門禁系統(tǒng)的安全性和高效管理性。

3 系統(tǒng)編碼設(shè)計

3.1 EM4100卡片與曼徹斯特編碼

EM4100是一種只讀型RFID標簽，內(nèi)部存儲64位固定數(shù)據(jù)，包括9位固定報頭、40位數(shù)據(jù)位、10位行校驗位和4位列校驗位，用于確保數(shù)據(jù)完整性。其數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特編碼，通過電平變化表示數(shù)據(jù)“0”和“1”。每位數(shù)據(jù)的中間發(fā)生電平跳變，提供同步時鐘信號并增強抗干擾性［9］。

在本系統(tǒng)中，EM4100卡片通過RFID模塊發(fā)射射頻信號，經(jīng)讀卡器接收和解碼后，將卡號數(shù)據(jù)傳送至主控模塊。采用曼徹斯特編碼規(guī)則的解析，能夠快速提取有效數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的身份驗證與控制。

3.2 EM4100標簽解碼

標簽解碼是整個RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。EM4100標簽的數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特編碼方式，每次輸出64 bit數(shù)據(jù)。標簽信號的起始由連續(xù)9個“1”標識，數(shù)據(jù)位周期定義為64個振蕩周期的“0”或“1”信號。以125 kHz載波頻率為例，每個載波周期為8 μs，一個數(shù)據(jù)位周期為512μs，完整的64位數(shù)據(jù)傳輸時間為32.679 ms，滿足門禁系統(tǒng)的快速識別需求［10］。

標簽解碼的主要流程包括信號采集、數(shù)據(jù)解碼和數(shù)據(jù)校驗3個步驟。信號采集通過檢測RFID模塊的電平邊沿，確定跳變的時間間隔。根據(jù)曼徹斯特編碼規(guī)則，短間隔跳變表示“0”，長間隔跳變表示“1”；數(shù)據(jù)解碼過程是根據(jù)連續(xù)檢測的16個邊沿信號，提取64位編碼數(shù)據(jù)。每5位中的前4位為數(shù)據(jù)位，第5位為行校驗位，最后5位為列校驗位和停止位。去除報頭和校驗位，得到十進制表示的卡號；數(shù)據(jù)校驗是在解碼完成后，根據(jù)行校驗位和列校驗位對數(shù)據(jù)完整性進行驗證，確?？ㄌ枖?shù)據(jù)無誤。校驗部分主要代碼如下。

u8 RFID_check（void）{

u8 i=0，j=0;

u8 sum=0;

for（i=0;ilt;10;i++）{

for（j=0;jlt;5;j++）

{sum^=（ID［i］gt;gt;（4-j））amp;0x01;//行校驗}

if（sum！=0）return 0;//行校驗失敗

}

for（i=0;ilt;11;i++）{

sum^=ID［i］;//列校驗}

if（sumgt;gt;1！=0）return 0;//列校驗失敗

return 1;//校驗成功}

解碼完成后，系統(tǒng)可快速提取卡號，用于與數(shù)據(jù)庫中已注冊的卡號進行比對，實現(xiàn)身份驗證功能。通過校驗機制，系統(tǒng)能夠大幅降低因信號噪聲或干擾導致的解碼失敗率，提升數(shù)據(jù)的完整性和識別效率。經(jīng)過優(yōu)化后的解碼流程將標簽傳輸時間控制在33ms內(nèi)，可滿足門禁系統(tǒng)的高效性和實時性需求，為后續(xù)實驗驗證提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

4 實驗結(jié)果與分析

對門禁系統(tǒng)的電路板進行功能測試，重點驗證系統(tǒng)的識別效率、信號穩(wěn)定性和解碼準確率。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的LC諧振電路顯著提升了系統(tǒng)性能。首先，在識別距離方面優(yōu)化設(shè)計后，系統(tǒng)識別距離達到20 cm，較初始設(shè)計提升33%，滿足大多數(shù)門禁應(yīng)用場景需求；其次，在信號穩(wěn)定性方面，在有干擾環(huán)境下，系統(tǒng)的識別成功率達到96%，驗證了諧振頻率匹配和濾波優(yōu)化的有效性。然后，在解碼效率方面，改進后的解碼邏輯將單次標簽數(shù)據(jù)傳輸和解析時間控制在33 ms以內(nèi)，顯著提升了系統(tǒng)響應(yīng)速度。

通過測試，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同ID卡號準確執(zhí)行權(quán)限控制，實現(xiàn)身份驗證與攔截功能，確保門禁系統(tǒng)的安全性和管理效率。進一步，實驗驗證了125 kHz低頻RFID系統(tǒng)中LC諧振優(yōu)化設(shè)計對信號穩(wěn)定性和傳輸效率的提升，為短距離非接觸識別應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種優(yōu)化LC諧振電路的智能系統(tǒng)，結(jié)合曼徹斯特編碼特性提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院涂垢蓴_能力。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計在識別距離、信號穩(wěn)定性和解碼效率方面均表現(xiàn)出色，不僅驗證了諧振電路參數(shù)對系統(tǒng)性能的關(guān)鍵作用，也為其他短距離非接觸識別應(yīng)用提供了理論和實踐支持。

該系統(tǒng)的設(shè)計除了適用于門禁管理，還可廣泛應(yīng)用于半導體制造、物流倉儲追蹤及工業(yè)生產(chǎn)線管理等領(lǐng)域，具有較高的實用性和擴展?jié)摿?。未來研究將進一步結(jié)合云平臺與自適應(yīng)算法，實現(xiàn)LC諧振頻率的實時調(diào)整，通過引入動態(tài)權(quán)限管理，進一步提升系統(tǒng)的智能化和安全性。

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（編輯 王永超編輯）

Low-frequency RFID antenna resonance analysis and simulation

YANG "Hengmin

（Yangzhou Branch of Jiangsu Union Technical Institute， Yangzhou 225003， China）

Abstract： "Low-frequency RFID technology， known for its high penetration and anti-interference capabilities， has found extensive applications in short-range contactless identification. However， challenges remain in improving identification range， signal stability， and decoding efficiency in terminal system design and implementation. The article focuses on the LC resonance circuit of a 125 kHz RFID system， analyzing the impact of inductance， capacitance， and quality factor on circuit performance. An optimization method is proposed to address issues such as resonance frequency deviation and signal attenuation by fine-tuning antenna impedance matching and filter design. Additionally， Manchester encoding characteristics are utilized to enhance data transmission synchronization and anti-interference capabilities. Experimental results demonstrate significant improvements in signal strength， identification range， and transmission stability， providing theoretical and practical insights for applying RFID technology in semiconductor manufacturing， access control systems， and industrial production line management.

Key words： low-frequency RFID; LC resonance optimization; Manchester encoding; short-range RFID communication