中心議題：
- 無(wú)線(xiàn)傳輸射頻識別系統的工作原理
- 無(wú)線(xiàn)傳輸射頻識別系統的硬件設計及調試與測試
解決方案：
- 無(wú)線(xiàn)傳輸射頻識別系統的硬件設計
當今各種智能化控制系統離不開(kāi)數據信息的傳輸。其中，無(wú)線(xiàn)數據傳輸是區別于傳統有線(xiàn)傳輸的新型傳輸方式，系統不需要傳輸線(xiàn)纜且成本低廉。為單片機匹配相應的無(wú)線(xiàn)通信接口電路，即可實(shí)現單片機之間或單片機與微機之間的無(wú)線(xiàn)數據傳輸。目前常用的無(wú)線(xiàn)通信接口電路，是以無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片為核心的電路。當數據傳輸時(shí)，在軟件設計中采取必要的抗干擾措施和識別措施，可以有效地避免干擾，達到滿(mǎn)意的通信效果。本文以89c2051單片機為基礎，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信以識別非接觸式無(wú)線(xiàn)識別裝置，其應用可以嵌入到電業(yè)管理或燃氣收費等系統中，也可作為一個(gè)獨立讀卡器對IC卡進(jìn)行操作，配合不同軟件可以應用于不同行業(yè)。
1 系統的工作原理
本設計以單片機作為閱讀器和應答器的核心、這兩部分主要使用LM567。本系統是一個(gè)小型的無(wú)線(xiàn)識別器件最大操作距離達70mm。系統內部結構分為射頻區和接口區：射頻區內含調制解調器和電源供電電路，直接與天線(xiàn)連接；接口區有與單片機相連的端口，還具有與射頻區相連的收/發(fā)器、可以用單片機程序存放3套寄存器初始化文件的E2PROM以及進(jìn)行3次數據證實(shí)防錯誤機制、防碰撞處理的防碰撞模塊和控制單元。這是閱讀器跟應答器實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的核心模塊，也是設計的關(guān)鍵。
2 硬件電路的設計
無(wú)線(xiàn)識別系統裝置由閱讀器、應答器與耦合線(xiàn)圈（即天線(xiàn)）3部分組成。
2.1 閱讀器的設計
閱讀器基本電路，如圖1所示。當有應答器靠近閱讀器時(shí)，閱讀器內的天線(xiàn)組成了一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，其頻率與應答器的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使高頻信號流入閱讀器中用于解調的LM567的輸入端。輸出的解調信號與上述單片機編碼信號反向，最后經(jīng)過(guò)單片機譯碼輸出顯示。
LM567具有調制和解調雙重功能。其調解出來(lái)的信號可直接被單片機識別，并由單片機發(fā)送給數碼管并顯示。
圖1 閱讀器
2.2 應答器的設計
應答器工作時(shí)，通過(guò)89c2051單片機進(jìn)行數據編碼，然后送往LM567被調制到高頻載波上，與其輸出端相連的天線(xiàn)線(xiàn)圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波（145kHz），當有應答器靠近閱讀器時(shí)，閱讀器識別并顯示。應答器硬件電路如圖2所示。
圖2 應答器[page]
2.3 耦合線(xiàn)圈（即天線(xiàn)）的設計
天線(xiàn)是一種轉能器。發(fā)射時(shí)，把發(fā)射機的高頻電流轉化為空間電磁波；接收時(shí)，把從空間截獲的電磁波轉換為高頻電流送入接收機。對于設計一個(gè)應用于射頻識別系統的小功率、短距離無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備，天線(xiàn)設計是其中的重要部分。良好的天線(xiàn)系統可以使通信距離達到最佳狀態(tài)。天線(xiàn)的種類(lèi)很多，不同的應用需要不同的天線(xiàn)。在小功率、短距離的RFID系統中，需要一個(gè)通信可靠、價(jià)格低廉的天線(xiàn)系統，耦合線(xiàn)圈環(huán)型天線(xiàn)是比較常用的一種。
2.3.1 分析環(huán)型天線(xiàn)的等效電路
環(huán)型天線(xiàn)激勵點(diǎn)的電壓和電流由環(huán)的輸入阻抗聯(lián)系起來(lái)，即V=ZI0。為了評估用于天線(xiàn)諧振的電容Z′in,環(huán)型天線(xiàn)的輸入阻抗必須確定；同樣，為了評估天線(xiàn)效率和輻射阻抗，環(huán)型導體內的歐姆損耗和其他歐姆損耗也必須確定。
2.3.2 天線(xiàn)設計參數
環(huán)型天線(xiàn)輸入阻抗Zin可由下式給出：
式中，RR為輻射電阻；RL為環(huán)型導體損耗電阻；RX為額外歐姆損耗電阻；LA為環(huán)型天線(xiàn)電感；L1為環(huán)型導體電感。
環(huán)型導體損耗電阻為：
式中，l為金屬環(huán)形導體長(cháng)度，p為環(huán)形導體交叉部分的周長(cháng)，RS為導體表面電阻，u0為4π×10-7H/m;σ為導體電導率；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(xiàn)的閱讀器的等效電路
產(chǎn)生交變磁場(chǎng)所需的導體回路由線(xiàn)圈L1表示，串聯(lián)電阻R1相當于導體回路L1中線(xiàn)繞電阻的歐姆損耗。為了當閱讀器的工作頻率為fTX時(shí)在導體回路L1中獲得最大電流，從而產(chǎn)生最大磁場(chǎng)強度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(xiàn)線(xiàn)圈L1連接。串聯(lián)諧振電路的總阻抗Z1為各項單阻抗之和，即：
2.5 天線(xiàn)連接的匹配研究
根據閱讀器使用的頻率范圍，使用不同的方法將天線(xiàn)線(xiàn)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(xiàn)線(xiàn)圈直接連接功率輸出級，或通過(guò)同軸電纜饋送到天線(xiàn)線(xiàn)圈。天線(xiàn)線(xiàn)圈L1在射頻識別系統的工作頻率范圍內表現為阻抗ZL。為了實(shí)現與50Ω系統的功率匹配，必須通過(guò)無(wú)源的匹配電路將此阻抗轉換為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傳送到匹配電路。
3 調試與測試
3.1 調試方法
電路在調試時(shí)，振蕩頻率可在0101Hz～500kHz內變化，必須調整振蕩頻率使與LM567的載波頻率實(shí)現最佳匹配，否則將影響后續電路的解調（例如振蕩頻率與LM567的載波頻率相差太近時(shí)將直接影響后續頻率的解調等），而單片機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對信號的識別，使反應時(shí)間變長(cháng)或編譯出錯，所以對電路調試非常重要。LM567要順利實(shí)現相互調制與解調就必須對其進(jìn)行調試，如果發(fā)射機正在工作，而接收機不能正確譯碼，則應調節定時(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，在調節R8阻值時(shí)，應將R8電阻換為10kΩ多圈精密線(xiàn)繞電阻。此電阻每旋轉一周，電阻值變化幾十歐姆，精度較高。如沒(méi)有此電阻，也可用普通微調電阻代替但調整時(shí)要仔細。若條件許可，可將頻率計直接接在發(fā)射機的LM567第5腳與地之間，測其振蕩中心頻率，記下數值，然后再測接收機LM567第5腳頻率。如果接收機中心頻率（指LM567）與發(fā)射機LM567中心頻率不同，調節R8電阻值，使兩機音頻譯碼器中心頻率相等即可。
3.2 測試數據
測試數據時(shí)測試了00～FF的全部8位編碼（4位則一定沒(méi)問(wèn)題），多次計算并測量了電源供給功率，對于耦合線(xiàn)圈的距離測試了1～6cm范圍內的數據傳輸，可保障5cm數據傳輸穩定。測試數據列表如下。
表1 測試數據列表
根據上述實(shí)驗測量結果可以看出，此系統實(shí)現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，性能可靠穩定。
[page]
3.3 測試結果分析
3.3.1 系統波形數據測試
采取自上而下的調試方法，即單獨調好每一個(gè)模塊，然后連成一個(gè)完整的系統，再進(jìn)行總體調試。數據發(fā)送和接收信號比較，如圖3所示。
圖3 數據發(fā)送和接收信號的比較
3.3.2 系統本身可能產(chǎn)生的誤差
（1）外界干擾因素
采用無(wú)線(xiàn)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，金屬等很多器件都可能對電磁波產(chǎn)生干擾，所以電路難免產(chǎn)生錯誤
（2）距離干擾因素
電磁場(chǎng)在導電介質(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規律衰減。從能量的觀(guān)點(diǎn)看，電磁波在良導體中衰減很快，把由導體表面衰減到表面的1/e（約3618%），即在文中規定距離為5cm的原因就在于此，由距離因素產(chǎn)生的亂碼及不可識別碼也是產(chǎn)生錯誤的原因之一。
4 程序流程圖
軟件編程運用單片機匯編語(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 結語(yǔ)
本系統的閱讀器可在6cm范圍內識別應答器的有無(wú)，若有應答器在監測范圍內，則給出明確的指示并讀取應答器預設的4位編碼，然后顯示；另外，應答器部分還可以通過(guò)開(kāi)關(guān)設置4位編碼在閱讀器識別范圍內送出編碼信號。同時(shí)閱讀器還具有對應答器的編碼進(jìn)行寫(xiě)入的功能，由應答器接收并儲存。設計中重點(diǎn)是保證正確率，可以從軟件上增加校驗碼來(lái)提高無(wú)線(xiàn)傳輸的可靠率。
