作者：唐 娣
来源：《职业·下旬刊》 2014年第5期
文/唐 娣
摘 要：本文介绍了基于无线射频识别技术的一种近距离无线识别装置，该装置主要由阅读器、应答器和射频耦合线圈三部分组成，采用MSP430单片机和AT89S52单片机作为主控器件。装置单元包括：射频读写模块电路的设计、微控制单元电路的设计、串行通信电路的设计、射频输出功放电路的设计、射频输入信号处理电路的设计和天线的设计等。本系统最终可以实现近距离数据信息的传输和显示，远距离的数据传输有待进一步研究开发。
关键词：无线射频识别技术 MSP430 AT89S52 射频耦合
无线射频识别技术(RFID，既Radio FrequencyIdentification。也称为微波射频识别技术)是从20世纪80年代起走向成熟的——非接触式的自动识别技术。由于大规模集成电路技术的成熟，无线射频识别系统的体积大大缩小，所以目前已进入实用化的阶段。它利用射频方式进行非接触方式进行非接触双向通信，以达到识别的目的，并且可以交换数据。RFID与目前广泛应用的条码技术不同，它可以提供自动的数据采集，不需要人的干预。RFID有效地替代了文书操作，可以提供无可辩驳的电子数据验证和时间戳，因此其应用更加广泛。
一、系统概述
1.系统功能要求
设计制作一套无线识别装置，该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成，其方框图如图1所示。
在装置图中阅读器、应答器均具有无线传输功能，频率和调制方式自由选定。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。在装置中的耦合线圈为圆形空芯线圈，用直径φ 1mm的漆包线密绕10圈制成。线圈直径为φ 6.6cm（用直径φ 6.6cm左右的易拉罐作为骨架，绕好后取下）。线圈间的介质为空气。两个耦合线圈最接近部分的间距定义为D。
应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得（通过对耦合到的信号进行整流滤波得到能量），阅读器采用单电源供电，采用发光二极管显示识别结果。阅读器能正确读出并显示应答器上预置的四位二进制编码，能在D尽可能大的情况下，识别应答器的有无。耦合线圈间距D≥2cm。应答器增加编码预置功能，可以用开关预置四位二进制编码。阅读器能正确识别并显示应答器的预置编码。耦合线圈间距D≥2cm。
2.系统设计方案
基本射频系统至少由两部分组成：读写器和应答器，另外还有耦合天线、主机等。根据设计要求和射频系统的工作原理，我们设计的这套装置由阅读器和应答器、射频耦合线圈三部分组成。其系统结构框图如图2所示。
本系统的基本工作原理：移动应答器线圈使它进入阅读器线圈产生的磁场后，若应答器线圈收到阅读器线圈发出的射频信号，应答器就可以凭借感应电流所获得的能量将存储在其中的信息发送出去，阅读器读取并解码后，就能还原出应答器中的信息。
二、系统硬件电路的设计
1.阅读器电路设计
阅读器电路主要由阅读器微控制单元与显示模块，振荡电路模块，发射模块及数字信号调节几部分组成。
（1）阅读器微控制单元与显示模块设计。微控制单元使用AT89S52单片机。使用该单片机作为主控器成本较低，且完全可以满足设计要求。
（ 2 ） 振荡电路模块实现。用反相器CD4 0 6 9 产生4.096MHz的频率，经过CD4024分频得到128kHz的振荡频率。（3） 发射模块设计。在设计过程中考虑到由于阅读器是通过耦合发射功率给应答器供电，所以对阅读器的发射功率有一定的要求，故采用3DA1C来实现阅读器的发射功率。
（4）数字信号解调。通过对阅读器发射线圈上的信号检波得到了应答器发出的数字信号，由于信号较弱不能直接被阅读器读取，所以采用运算放大器放大，又经4069反相器整形，最后得到数字信号送入阅读器单片机串口。
2.应答器电路设计
应答器电路主要由耦合供电模块及微控制拨码模块两部分组成。
（1）耦合供电模块设计。在应答器中采用桥式整流电路，整流二极管采用的是硝特基超低压降高频二极管用来增加能量的利用率。滤波电容采用微封装高内阻钽电容，以减少滤波时的能量损耗。在后级增加3.3V稳压块防止感应电压过高，保证电路稳定工作。
肖特基整流管仅用一种载流子（电子）输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累，因此，不存在电荷储存问题（QRR→0），使开关特性获得明显改善。其反向恢复时间已能缩短到10ns以内。但它的反向耐压值较低，一般不超过100V。因此适宜在低压、大电流情况下工作。利用其低压降这一特点，能提高低压、大电流整流（或续流）电路的效率 。
（2）微控制拨码模块设计。微控制电路采用MSP430作为主控器件，既可实现与阅读器的通信任务，又可对阅读器发回的信息进行存储，该单片机为极低功耗的微处理器。
（3）MSP430单片机的特点。MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下特点。一是强大的处理能力。MSP430系列单片机采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。
二是在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。
三是MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。
四是超低功耗。MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
三、软件设计
本设计的主要作用是用来控制MSP430以及AT89S52，当应答器中有电流后，程序开始采集拨码、编码、串口发送，把信号送回阅读器部分，阅读器开始数据的接收、解码到最后的显示。
1.应答器软件设计
应答器在该系统中的功能是采集系统拨码开关状态及转化为数据编码发送到阅读器，具体流程图如图3所示。
系统在上电复位后开始初始化设置，初始化设置包括对系统数据端口的初始化，对看门狗的初始化和对定时捕获功能的初始化。数据口P0对应数据拨码开关，在系统初始化完成后开始采集P0口数据，单片机系统将采集的数据转化为相应数据编码，系统开始发送数据发送起始位0XAA，循环发送采集数据。
2.阅读器程序设计
主要是将从应答器发送过来的数据信号接收并解码显示，具体流程图如图4所示。系统在上电复位后开始初始化程序，初始化程序主要包括对串口的初始化，主要设定串口波特率及串口中断。在初始化后等待数据接收，当有数据接收后进入中断程序，将接收数据解码并显示。
四、系统调试及测试结果
1.硬件调试
（1）按照题目要求先将线圈绕好后，再使用电感测量仪将其电感值测出，根据预定频率计算后确定并联电容值。（2）采用并联谐振法对整个谐振LC网络进行测量和微调，使其共振频率正好在128kHz。
（3）在制作整个谐振放大电路后，输入128kHz方波信号，接通电源（同时监视工作电流值，防止功放管的击穿）。在另一谐振回路并入发光二极管靠近谐振放大回路，观察发光二极管的亮度。
（4）测量流过的电流值，对LC谐振回路进行微调，使其处于最佳工作状态。
（5） 先对应答器谐振回路进行功率调制，然后在阅读器端取出信号进行处理后，使用示波器观察波形，最后进行编码调制。
2.软件调试
首先使用伟福编译软件，源程序编译及仿真调试应分段或以子程序为单位一个一个地进行，最后结合硬件实时运行调试。
3.测试结果
耦合线圈距离D对显示正确率的影响如下表所示。
五、小结
根据设计要求，本设计已经基本完成题目要求，但还存在不足之处。在谐振回路当中，回路未处于最佳工作状态，其原因是线圈存在分布电容不能完全耦合，使回路效率不够高，限制了耦合线圈距离的进一步加大，未获得理想的调试结果。由于电路采用128kHz工作频率，所以会使应答器获得较大功率，但是存在效率较低的现象，因此采用集成化制作工艺可使功耗降低、效率提高。本设计可以实现近距离数据信息的传输和显示，但远距离的数据传输有待进一步的研究开发。
参考文献：
[1]游战清,李苏剑.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2]蒋甲生.无线射频识别技术探讨[J].科技信息,2007(24).
（作者单位：广东省珠海市高级技工学校）
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