概述

　　RFID(無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù))作為一種新興的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，可工作于惡劣環(huán)境，操作快捷方便，在物流、交通、收費(fèi)、身份識(shí)別等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。RFID技術(shù)在國(guó)外發(fā)展的很快，RFID產(chǎn)品種類(lèi)很多，像TI, MOTOROLA,PHILIPS等世界著名廠(chǎng)商都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品，并且它們的產(chǎn)品各有特點(diǎn)，自成系列。目前，中國(guó)射頻識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用處于初級(jí)發(fā)展階段。RFID技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，也已開(kāi)始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用,并且應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。

　　本文把RFID技術(shù)應(yīng)用到物流系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　為了增強(qiáng)讀寫(xiě)模塊的通用性和擴(kuò)展性，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想。整個(gè)讀寫(xiě)模塊由三大部分組成：

　　.主控MCU，主要提供對(duì)射頻讀寫(xiě)芯片的控制操作。

　　.射頻讀寫(xiě)芯片，負(fù)責(zé)接收主控MCU的控制信息并完成與RFID卡的通信操作。為了正常工作，射頻讀寫(xiě)芯片須選用合適的并行接口與MCU連接。而為了發(fā)送、接收穩(wěn)定的高頻信號(hào)，射頻讀寫(xiě)芯片要通過(guò)高頻濾波電路與天線(xiàn)部分連接。

　　.天線(xiàn)部分，包括線(xiàn)圈及匹配電路。

　　在所設(shè)計(jì)的TRH031M評(píng)估板中，主控MCU主要由微控制器ATMEGA64L和電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、JTAG接口、RS-232串口接口組成;同時(shí)增加了人機(jī)接口顯示電路，采用EDM12864液晶顯示控制器;射頻讀寫(xiě)芯片采用TRH031M多協(xié)議讀卡器芯片。微控制器ATMEGA64L和TRH031M之間通過(guò)鎖存器SN74HC373N連接。TRH031M評(píng)估板總體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

　　圖1 TRH031M評(píng)估板總體設(shè)計(jì)框圖

　　RFID接口電路

　　TRH031M是一款三合一的芯片，兼容ISO14443 Type A&B以及ISO15693協(xié)議。TRH031M工作電壓范圍在2.7V-3.6V，最大特點(diǎn)是功耗極低，芯片的封裝方式也特別適合用在手持機(jī)方面的產(chǎn)品上。MCU對(duì)TRH031M的控制是通過(guò)對(duì)其內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TRH031M內(nèi)部共有64個(gè)寄存器，分成8頁(yè)，每頁(yè)8個(gè)寄存器。

　　ATmega64L是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

　　ATmega64L通過(guò)TRH031M并行接口實(shí)現(xiàn)對(duì)TRH031M芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。Atmega64L對(duì)TRH031M的并行接口采用獨(dú)立的讀、寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)連接，用兩個(gè)I/0引腳分別控制TRH031M的讀、寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)。為了節(jié)省I/O口，這里采用了地址/數(shù)據(jù)線(xiàn)復(fù)用的方式，這樣就不需要專(zhuān)門(mén)的I/O口來(lái)控制地址線(xiàn)。ATmega64L與TRH031M連接示意圖參見(jiàn)圖2。

　　圖2 ATmega64L與TRH031M連接示意圖

　　ATmega64L的PTA0～PTA7連接TRH031M的DATA0～DATA7，作為數(shù)據(jù)/地址線(xiàn)，傳輸數(shù)據(jù)及地址信息。由于采用數(shù)據(jù)/地址復(fù)用的連接方式，Atmega64L 的PTA0～PTA7通過(guò)鎖存器SN74HC373DBLE與TRH031M的地址線(xiàn)引腳A0，Al，A2連接。

　　天線(xiàn)電路

　　TRH031M的天線(xiàn)部分組成,主要分為發(fā)射和接收部分，發(fā)射部分又分為EMC低通濾波器，天線(xiàn)匹配部分和天線(xiàn)線(xiàn)圈。天線(xiàn)直接連接到TRH031M.，圖3為天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)原理圖。

　　圖3 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)原理圖

　　由RTH031M的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，芯片模擬部分(不含接收機(jī)部分)作為負(fù)載時(shí),負(fù)載阻抗最高為15W。這是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)置輸出阻抗為15W時(shí)，這時(shí)可以達(dá)到最低噪音,最大增益和最大輸出功率。

　　天線(xiàn)的阻抗我們按500W進(jìn)行匹配。

　　EMC低通濾波器

　　TRH031M系統(tǒng)工作于13.56MHz頻率下，這一頻率是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生。但是除了13.56MHz以外，還會(huì)有可能以高次諧波的方式向外發(fā)射。為了符合國(guó)際EMC 規(guī)定，13.56MHz 中的三次五次和高次諧波要被良好地抑制，因此，必須要有一個(gè)合適的濾波器濾波輸出信號(hào)以滿(mǎn)足此規(guī)定。為了減少信號(hào)線(xiàn)上的干擾，使用了EMC高頻濾波電路。EMC濾波電路和接收電路的原理圖見(jiàn)圖4。低通濾波器由L0和C0組成，它們的值見(jiàn)表1。

　　表1

　　圖4 EMC濾波電路和接收電路的原理圖

　　根據(jù)f=，當(dāng)我們選取=1mH時(shí)，則TRH031M的內(nèi)部接收電路利用卡的回應(yīng)信號(hào)在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來(lái)進(jìn)行工作。采用芯片內(nèi)部產(chǎn)生的VMID作為RX引腳輸入。為了穩(wěn)定VMID的輸出，必須在VMID和GND之間連接一個(gè)電容C4。接收電路需要在RX和VMID之間連接一個(gè)分壓電路。另外，建議在天線(xiàn)線(xiàn)圈和反壓器之間串連一個(gè)電容。這個(gè)接收電路由R1，R2，C3和C4組成，數(shù)值示于表1。

　　EMC濾波電路仿真

　　針對(duì)500W天線(xiàn)阻抗進(jìn)行EMC濾波電路的仿真：

　?、?設(shè)定特性阻抗Z。=500W，輸入信號(hào)頻率為13.56MHz;

　?、?令負(fù)載ZL=500W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1;

　　③ 在ZL上并聯(lián)電容C0，得到點(diǎn)2;

　?、?再在C0上串聯(lián)電感L0，得到點(diǎn)3;

　　應(yīng)使點(diǎn)3位于15W匹配點(diǎn)，若點(diǎn)3不能精確位于該點(diǎn)，則應(yīng)微調(diào)各元件參數(shù)。由圓圖的直觀(guān)性，該調(diào)整不難實(shí)現(xiàn)。由此，得到如圖5(a)所示的阻抗圓圖。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時(shí)，可以推算出1、3點(diǎn)間的等效阻抗為15.24+j 0.00W，接近于負(fù)載阻抗15Ω，這表明了我們所設(shè)計(jì)的元件參數(shù)是正確的。其誤差源于元件不可能無(wú)限精確。

　　(a)

　　(b)

　　圖5 EMC濾波電路Smith圓圖

　　由此，得到如圖5(b)所示的阻抗圓圖。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時(shí)，可以推算出1、3點(diǎn)間的等效阻抗為500.42+j 50.47歐姆，接近于天線(xiàn)阻抗500歐姆，這表明了前面我們所設(shè)計(jì)的元件參數(shù)是正確的。

　　天線(xiàn)匹配電路設(shè)計(jì)

　　天線(xiàn)本身是一個(gè)低電阻的器件，將天線(xiàn)連接到TRH031M需要一個(gè)匹配電路。設(shè)計(jì)天線(xiàn)的匹配電路有兩種方法：50W匹配天線(xiàn)和使用直接匹配的天線(xiàn)配置。在本設(shè)計(jì)中采用直接匹配的天線(xiàn)配置。

　　計(jì)算天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感

　　精確計(jì)算天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感值在實(shí)踐上非常困難的，通常用下面的公式估算：

　　L[nH]=2×L[cm]×(ln(L[mm] / D[mm]-k)) (1)

　　其中L為天線(xiàn)線(xiàn)圈一圈的長(zhǎng)度，N為天線(xiàn)線(xiàn)圈圈數(shù)，一般為3圈，D為天線(xiàn)線(xiàn)圈直徑或?qū)w的寬度，P為由天線(xiàn)線(xiàn)圈的技術(shù)而定的N的指數(shù)因子(見(jiàn)表2)。

　　線(xiàn)圈電阻的估算

　　沒(méi)有阻抗分析儀的首次天線(xiàn)調(diào)諧的估算可以用下面的公式：

　　RANT=5RDC (2)

　　為了給RFID卡提供足夠的能量，天線(xiàn)與卡片間必須實(shí)現(xiàn)緊耦合，耦合系數(shù)最少為0.3(耦合系數(shù)為0時(shí)，即由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦，耦合系數(shù)為1即全耦合)。因此天線(xiàn)線(xiàn)圈采用直徑為1mm的導(dǎo)線(xiàn)，設(shè)計(jì)為三圈的76mm×49mm長(zhǎng)方形天線(xiàn)。此時(shí)，天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生的電感，由公式1可計(jì)算出天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感值約為L(zhǎng)=1.7mH。天線(xiàn)電阻R=1.4W。

　　由于每塊不同的天線(xiàn)電路板實(shí)際的天線(xiàn)線(xiàn)圈電感值總是會(huì)稍有差異，在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的元件的設(shè)計(jì)過(guò)程按照?qǐng)D6進(jìn)行調(diào)整。諧振電容由固定電容=150pF和可調(diào)電容CV2代替。通過(guò)調(diào)整可調(diào)電容CV2來(lái)使得天線(xiàn)的振蕩頻率為13.35MHz，通過(guò)調(diào)節(jié)C1使得天線(xiàn)的阻抗為500W，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電容將每塊天線(xiàn)板的讀寫(xiě)距離調(diào)整到最佳。

　　圖6天線(xiàn)匹配電路調(diào)整過(guò)程

　　天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)仿真步驟如下:

　?、?設(shè)定特性阻抗Z。=500 W，輸入信號(hào)頻率為13.56MHz;

　?、?令負(fù)載ZL=0.00W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1;

　?、?在ZL上串聯(lián)電阻Rcoil=0.7W，得到點(diǎn)2;

　?、?再在Rcoil上串聯(lián)電感L=0.85mH，得到點(diǎn)3;

　　⑤ 再并聯(lián)電容C2，得到點(diǎn)4;

　?、?最后再串聯(lián)電容C1，得到點(diǎn)5。

　　圖7 天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)電路的Smith圓圖

　　由此，得到如圖7所示的阻抗圓圖。圖中設(shè)Rcoil為0.7W，L為0.85微亨,這樣天線(xiàn)就由Rcoil和L來(lái)等效代替。由Smith Chart得到C2=163pF , C1 =15pF，由此可以推算出1、5點(diǎn)間的等效阻抗為247.79+j11W，接近于對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的一半阻抗250W。

　　通過(guò)仿真得到的結(jié)果與筆者設(shè)計(jì)的元件參數(shù)基本一致，這說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)電路是正確的。

　　結(jié)語(yǔ)

　　基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M讀卡芯片工作頻率為13.56MHZ的RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用證明，系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)可行，其主要功能基本得以實(shí)現(xiàn),達(dá)到了系統(tǒng)的性能指標(biāo)：設(shè)計(jì)的讀卡器系統(tǒng)對(duì)無(wú)源的15693協(xié)議的卡片的識(shí)別作用距離可達(dá)7.5cm。同時(shí)該系統(tǒng)能對(duì)ISO15693協(xié)議的卡片進(jìn)行讀寫(xiě)操作。系統(tǒng)運(yùn)行正確，顯示準(zhǔn)確，使用方便，具有較強(qiáng)的抗干擾性能。