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(海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，三亞 572022)

引 言

RFID射頻識(shí)別技術(shù)屬于自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中的一種，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的核心技術(shù)之一，其原理是通過無線射頻方式產(chǎn)生電磁場或者是交變磁場，然后對(duì)場內(nèi)的電子標(biāo)簽進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信[1-2]。常見的RFID系統(tǒng)中主要有低頻LF頻段系統(tǒng)、高頻HF頻段系統(tǒng)、超高頻UHF頻段系統(tǒng)和微波頻段系統(tǒng)，各頻段系統(tǒng)的特征不盡相同[3-4]。本文針對(duì)LF頻段RFID展開研究，該頻段RFID系統(tǒng)具備相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，電子標(biāo)簽的形式較為多樣，相關(guān)基站芯片的種類也較多，對(duì)常規(guī)建筑物、木材、石板等穿透力較強(qiáng)，但市面上該頻段RFID閱讀器識(shí)別距離普遍較短，閱讀器產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度不夠，磁場分布不均，可能導(dǎo)致移動(dòng)電子標(biāo)簽的“丟卡”現(xiàn)象，無法適用于中遠(yuǎn)距離的射頻識(shí)別需求[5-6]。基于此類問題，本文設(shè)計(jì)了一種大電流高電壓的射頻前端諧振電路，改進(jìn)了天線線纜材料，優(yōu)化了曼徹斯特解碼程序，綜合提升了RFID識(shí)別距離和解碼響應(yīng)速度。

1 讀寫器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見的LF頻段RFID讀寫器系統(tǒng)均基于電感耦合模型設(shè)計(jì)，該耦合方式類似于變壓器裝置，讀寫器上電后會(huì)產(chǎn)生高頻交變磁場，激勵(lì)信號(hào)頻率一般是125 kHz，如果特定頻段的電子標(biāo)簽進(jìn)入了磁場就能感應(yīng)磁場產(chǎn)生電壓，感應(yīng)電壓就可以用于電子標(biāo)簽內(nèi)部的工作[7-8]。讀寫器一般具備3個(gè)必要組成部分,即讀寫器接口、讀寫器主板和天線線圈，接口負(fù)責(zé)與后級(jí)設(shè)備連接，用于傳輸電子標(biāo)簽信息或者接收控制指令。讀寫器主板一般包含天線驅(qū)動(dòng)電路、微控制器處理電路、信號(hào)處理與放大電路及電源電路。讀寫器天線線圈一般設(shè)計(jì)在產(chǎn)品外形框內(nèi)部，根據(jù)實(shí)際需求可變化外形及長度，多以矩形和圓形為主，用于產(chǎn)生交變磁場和耦合標(biāo)簽信號(hào)，也是影響距離參數(shù)的重點(diǎn)之一，基于此模型設(shè)計(jì)的讀寫器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 讀寫器結(jié)構(gòu)框圖

硬件電路中含有多個(gè)功能單元，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了電源、高品質(zhì)因數(shù)的射頻前端電路、衰減補(bǔ)償?shù)臋z波放大電路以及聲光指示電路、單片機(jī)處理電路和讀寫器功能接口電路。讀寫器部分主要完成對(duì)LF頻段電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通信和讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)，具備調(diào)制、解調(diào)和解碼功能。

2 讀寫器硬件單元設(shè)計(jì)

2.1 讀寫器天線設(shè)計(jì)

實(shí)物天線采用了5圈外徑約為3.25 mm的滌綸聚氨酯漆包線繞制而成，每一圈滌綸聚氨酯漆包線內(nèi)部又是由600股線徑0.1 mm的滌綸聚氨酯漆包線合成的。實(shí)物設(shè)計(jì)的天線線圈把多股漆包線按計(jì)算后的矩形位置束合在一起，形成眾多圓周表面以降低集膚效應(yīng)，使高頻電阻下降而提高天線線圈的品質(zhì)因素。在設(shè)計(jì)時(shí)先選定矩形線圈外形，用理論計(jì)算討論線圈的最佳尺寸，再配合仿真工具，經(jīng)過多次繞制測試，也更換過多次天線材料，最終設(shè)計(jì)了一款長寬均為23 cm、天線感量為14.015 μH，天線損耗電阻值為0.056 2 Ω的天線線圈作為讀寫器天線，制作實(shí)物如圖2所示。

圖2 天線線圈實(shí)物圖

2.2 射頻前端電路設(shè)計(jì)

射頻前端電路中包含天線線圈接入部分、電容陣列部分、天線線圈信號(hào)功率放大部分和基頻濾除部分以及諧振信號(hào)單向整流電路部分，電路原理如圖3所示。左側(cè)部分的多圈圖形即為天線線圈，天線與C4、C5、C6、C23、C24、C25等CBB電容組成串聯(lián)諧振電路，中間的C15和C16是保留的電容焊盤，可以用來微調(diào)諧振參數(shù)。C6電容的非接地端接出信號(hào)分為兩路:第一路是將自舉放大后的諧振信號(hào)Net_A送至包絡(luò)檢波電路，第二路是經(jīng)過LC濾波電路去除基頻后再單向整流送至單片機(jī)處理單元中。U3、U4、U5和U6是4個(gè)MOS管組成了橋式驅(qū)動(dòng)單元，P20、P18、P19和P1電氣網(wǎng)絡(luò)來自單片機(jī)處理單元，傳輸了單片機(jī)產(chǎn)生的互補(bǔ)式125 kHz驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖3 射頻前端電路原理圖

2.3 包絡(luò)檢波電路設(shè)計(jì)

包絡(luò)檢波是利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負(fù)載RC的充放電過程來提取調(diào)制信號(hào)的，經(jīng)過了包絡(luò)檢波變換后的信號(hào)與之前高頻調(diào)幅的信號(hào)是相似的，兩種信號(hào)的包絡(luò)變化是同步的，這種電路就是本章需要設(shè)計(jì)的射頻后級(jí)包絡(luò)檢波器。包絡(luò)檢波電路如圖4所示，該電路是一個(gè)典型的無源包絡(luò)檢波電路單元，讀寫器射頻前端輸出的調(diào)幅信號(hào)其實(shí)就是Net_A，該信號(hào)進(jìn)入了由二極管和相關(guān)阻容器件所構(gòu)成的無源包絡(luò)檢波電路單元中，D7、D6、D10、D11就是檢波二極管，信號(hào)經(jīng)過這些二極管的時(shí)候負(fù)半周的信號(hào)被消去，只剩下了正半周信號(hào)能過通過電路到達(dá)后級(jí)，這時(shí)如果利用低通濾波器對(duì)每個(gè)信號(hào)周期取平均值，就可以提取得到射頻信號(hào)中混雜的原始基帶低頻信號(hào)。

這個(gè)過程利用了包絡(luò)檢波電路的解調(diào)和檢波功能。在原理圖中，Net_A電氣網(wǎng)絡(luò)為射頻前端網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)，Net_B電氣網(wǎng)絡(luò)為圖4中包絡(luò)檢波后的信號(hào)輸出，P14連接到了單片機(jī)處理單元，作為信號(hào)反饋和天線諧振狀態(tài)檢測。

圖4 包絡(luò)檢波電路原理圖

2.4 讀寫器主控制器電路設(shè)計(jì)

圖5 P87LPC767單片機(jī)核心電路原理圖

讀寫器主控制器單元部分采用了Philips公司生產(chǎn)的P87LPC767單片機(jī)，該單片機(jī)核心主要負(fù)責(zé)天線線圈射頻前端電路的諧振狀態(tài)檢測，以及接收數(shù)據(jù)的解碼和與第一個(gè)單片機(jī)單元的數(shù)據(jù)交互，其電路原理圖如圖5所示。電路中包含了基本的信號(hào)放大電路和單片機(jī)控制器核心電路，U11為單片機(jī)芯片P87LPC767，電氣網(wǎng)絡(luò)P4為U11單片機(jī)芯片的復(fù)位信號(hào)輸出網(wǎng)絡(luò)，該復(fù)位電路既能上電自動(dòng)為U11單片機(jī)芯片提供復(fù)位操作，又可以根據(jù)用戶的實(shí)際情況采用手動(dòng)方式對(duì)U11單片機(jī)芯片P87LPC767進(jìn)行復(fù)位操作。U12、U13、U14和U15主要是對(duì)X1X和X2X網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行二次放大，便于單片機(jī)檢測射頻前端狀態(tài)。其中，619和718均是國產(chǎn)三極管，BAV99W是二極管。

3 讀寫器軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的LF頻段RFID讀寫器軟件部分主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：基于單片機(jī)處理單元產(chǎn)生射頻125kHz信號(hào)、產(chǎn)生無源蜂鳴器激勵(lì)信號(hào)、檢測射頻前端諧振電路狀態(tài)、解析EM4100芯片的Manchester編碼、封裝數(shù)據(jù)幀格式以及初始化串口資源向后臺(tái)發(fā)送電子標(biāo)簽信息。軟件部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在Manchester編碼上。

EM4100芯片的內(nèi)部已經(jīng)固化了一組64位數(shù)據(jù)，64位數(shù)據(jù)中包含了8位版本號(hào)和廠家的編號(hào)，剩下的32位數(shù)據(jù)就是芯片電子標(biāo)簽的ID序列了，芯片內(nèi)部固化的64位數(shù)據(jù)開頭是由9個(gè)“1”組成的同步頭，這個(gè)同步頭非常重要，在解碼程序中就需要檢測同步頭以獲得有效和完整的數(shù)據(jù)編碼[9-10]。同步頭之后是10組4位的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，最前的兩組一共是8位，表示版本號(hào)和廠家編號(hào)，后面的8組就是ID序列，每組4位數(shù)據(jù)后面還有偶校驗(yàn)位。最后一組4位數(shù)據(jù)是對(duì)前面的10組數(shù)據(jù)各列的偶校驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入天線場獲得能量后就會(huì)連續(xù)傳出數(shù)據(jù)編碼到讀寫器。

按照Manchester編碼的組成規(guī)律、EM4100信號(hào)數(shù)據(jù)的同步頭規(guī)則以及每一位數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間，就可以在程序上構(gòu)建解碼算法，可以用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器捕獲外部編碼數(shù)據(jù)，然后檢測波形的跳變邊沿，判斷每位的時(shí)間寬度和邊沿跳變的時(shí)間就能得到編碼所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和組合，最后得到有效的電子標(biāo)簽ID卡號(hào)序列。

在程序的實(shí)現(xiàn)上采用了軟件精確延時(shí)方法，編寫了Delay384μs()延時(shí)函數(shù)提供精確的384 μs延時(shí)間隔，該時(shí)間間隔只要在256～512 μs之間即可，不能超過512 μs，因?yàn)閭鬏?位數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間不超過512 μs，必須在其持續(xù)范圍內(nèi)去檢測。利用C語言編寫的Manchester編碼延時(shí)法解碼核心代碼如下：

ulong GetRead_Card(){ //讀取卡號(hào)功能函數(shù)

{

while(1)//進(jìn)入死循環(huán)

{

if(TOUT==10)return 0;

//判斷10次同步頭失敗后返回“0”

else TOUT++;Find_NO=0;

while(ManchesterCode==0)

//等待64位序列中的“1”

{

if(Finde_NO==TIME_OF)break;else Finde_NO++;

}

if(Finde_NO==100)continue;

//結(jié)束本次主循環(huán)

else Finde_NO=0;

delay ();

//延時(shí)等待下一個(gè)碼元數(shù)據(jù)

if(ManchesterCode)

//確定高電平起始頭

{

for(i=0;i<8;i++)

//限時(shí)判斷起始位有效性

{ Finde_NO=0;

while(ManchesterCode)

{

if(Finde_NO==TIME_OF)

//時(shí)間溢出則退出

{ERROR_bit=1;break;}

else Finde_NO++;

}

delay(); //延時(shí)等待下一個(gè)碼元數(shù)據(jù)

if(ManchesterCode&&ERROR_bit==0);

//判定下一位電平及時(shí)間溢出情況

else break;

}

if(ERROR_bit) //時(shí)間溢出，退出本次主循環(huán)

{ERROR_bit=0;continue;}else;

if(i==8) //開始接收起始位之后數(shù)據(jù)

{

ERROR_bit=0;Finde_NO=0;

while(ManchesterCode)

{

if(Finde_NO==TIME_OF)

//時(shí)間溢出錯(cuò)誤

{ERROR_bit=0;break;}else Finde_NO++;

}

if(ERROR_bit)

//若數(shù)據(jù)錯(cuò)誤則退出本次主循環(huán)

{ERROR_bit=0;continue;}else;

何必這樣的奔逃呢，前路也是在下著雨，張開我的傘來的時(shí)候，我這樣漫想著。不覺已走過了天潼路口。大街上浩浩蕩蕩地降著雨，真是一個(gè)偉觀，除了間或有幾輛摩托車，連續(xù)地沖破了雨仍舊鉆進(jìn)了雨中地疾馳過去之外，電車和人力車全不看見。我奇怪它們都躲到什么地方去了。至于人，行走著的幾乎是沒有，但在店鋪的檐下或蔽陰下是可以一團(tuán)一團(tuán)地看得見，有傘的和無傘的，有雨衣的和無雨衣的，全都聚集著，用嫌厭的眼望著這奈何不得的雨。我不懂他們這些雨具是為了怎樣的天氣而買的。

COLP[0]=0；COLP[1]=0；COLP[2]=0；

COLP[3]=0；COLP[4]=0; //清零列校驗(yàn)

}

}

}

在Manchester編碼的解碼核心代碼中，i變量是無符號(hào)字符型用于表示起始位的計(jì)數(shù)值，F(xiàn)inde_NO是時(shí)間溢出的計(jì)數(shù)值，ERROR_bit是時(shí)間溢出標(biāo)志，row和col為行列變量，ROWP為行校驗(yàn)變量，COLP[5]為列校驗(yàn)變量，data是數(shù)據(jù)變量，temp是無符號(hào)長整型變量，用來裝載卡號(hào)，TOUT是搜索次數(shù)變量。

4 讀寫器實(shí)物設(shè)計(jì)及測試

讀寫器實(shí)物設(shè)計(jì)包括PCB設(shè)計(jì)及器件裝貼，讀寫器實(shí)物如圖6所示。在設(shè)計(jì)之中,實(shí)物電源線不能連接成環(huán)路，在設(shè)計(jì)電源模塊電路時(shí)反復(fù)檢查了電源網(wǎng)絡(luò)，確保了電源非環(huán)路布線，同時(shí)還對(duì)電源線進(jìn)行了加粗處理。單片機(jī)的串口通信線路避開了射頻125 kHz的信號(hào)線路和外圍石英晶體振蕩器線路，以防止信號(hào)打擾導(dǎo)致的串口亂碼。對(duì)PCB中單片機(jī)處理模塊進(jìn)行了敷銅，以確保單片機(jī)處理核心不會(huì)收到干擾。盡量縮短了單片機(jī)射頻125 kHz的信號(hào)線路到達(dá)2SK2962功放電路的走線，在走線過程中避免接近MCP6002運(yùn)算放大器電路。

圖6 LF頻段RFID讀寫器實(shí)物

在實(shí)際的測試中，隨機(jī)對(duì)5套成品LF頻段RFID讀寫器進(jìn)行了射頻距離測量，射頻距離的長短都不一致，但是大都滿足70～100 cm的范圍，經(jīng)過環(huán)境測試和參數(shù)分析可以得出導(dǎo)致差異的原因，其原因主要是因?yàn)樯漕l前端電路中元器件的性能差異及手工繞制天線線圈的寄生參數(shù)影響。

在諧振電路中采用的諧振電容容值精度是10～20%，這個(gè)精度范圍內(nèi)對(duì)諧振頻率影響較大。另外手工繞制的天線線圈測試得到的參數(shù)也有較大差異，在實(shí)測過程中只能進(jìn)行挑選和讀寫器匹配后才能配套使用。

將讀寫器與上位機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)，在串口調(diào)試助手的串口數(shù)據(jù)接收窗口中有6次數(shù)據(jù)的接收過程，前三次刷卡時(shí)采用了十六進(jìn)制數(shù)據(jù)顯示格式，接收到的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)串為(02 30 31 30 42 37 44 31 35 42 44 0D 0A 03)H，后面的三次刷卡是采用了ACSII碼數(shù)據(jù)顯示格式。通過對(duì)不同格式的接收數(shù)據(jù)的比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，讀卡6次所接收到的數(shù)據(jù)在各自格式下均是相同的。實(shí)測中使用的電子標(biāo)簽實(shí)物及串口調(diào)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 LF頻段電子標(biāo)簽實(shí)物及實(shí)測數(shù)據(jù)

結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款LF頻段RFID讀寫器，使用無源電子標(biāo)簽的射頻識(shí)別距離可達(dá)70～100 cm，該讀寫器適合于中遠(yuǎn)距離應(yīng)用場合。設(shè)計(jì)采用了Philips半導(dǎo)體公司的P87LPC767單片機(jī)作為核心控制器,構(gòu)建了射頻數(shù)據(jù)處理單元，二次開發(fā)者可以將本系統(tǒng)進(jìn)行功能裁剪或者增加相關(guān)外設(shè),構(gòu)成多接口數(shù)據(jù)交互的嵌入式組件。

龍順宇(碩士)，主要研究方向?yàn)榍度胧綉?yīng)用、單片機(jī)智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。