淺談基于T89C2051的RFID技術的實現

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摘要：文章介紹了RFID技術的分類、組成及基本原理，完成了基于T89C2051的RFID技術的實現方案，系統的介紹由低電壓、高性能的T89C 2051控制的無源應答器和外置單電源供電的閱讀器組成。而無源應答器所需的工作能量是從閱讀器發出的射頻波束經空間高頻交變磁場耦合而獲取，再經整流、濾波、存儲后來提供應答器所需要的工作電壓。當應答器進入發射天線覆蓋區域時，應答器以耦合方式獲得能量；將自身編碼等信息通過發送天線發送出去，接收天線接收到信號，經閱讀器對接收的信號進行濾波放大后，由單片機控制發光二極管顯示。
關鍵詞：RFID；應答器；閱讀器
1 RFID簡介
1．1 RFID技術
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標簽。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID是一種簡單的無線系統，只有兩個基本器件，該系統用于控制、檢測和跟蹤物體。系統由一個閱讀器和很多應答器組成。
1．2 RFID的基本組成部分
應答器：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象；
閱讀器：讀取(有時還可以寫入)應答器信息的設備，可設計為手持式或固定式；
天線：在應答器和閱讀器間傳遞射頻信號。
1．3 RFID技術的基本工作原理
RFID技術的基本工作原理并不復雜，應答器進入磁場后，接收閱讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息，或者主動發送某一頻率的信號；閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。一套完整的RFID系統，是由閱讀器與應答器及應用軟件系統三個部份所組成，其工作原理是閱讀器發射一特定頻率的無線電波能量給應答器，用以驅動應答器電路將內部的數據送出，此時閱讀器便依序接收解讀數據，送給應用程序做相應的處理。
2 基于T89C22051的RFID技術的實現系統方案
2．1 系統總體設計方案
本系統主要由閱讀器和應答器組成，閱讀器將振蕩器的振蕩信號放大后經耦合線圈輻射出去；應答器一方面從耦合線圈得到激勵信號，另一方面將所得信號經調頻整流和穩壓后送入發射機和單片機為其提供能量，采用自動開關控制發射機電源通斷以降低功耗。

采用頻分方式，閱讀器發射與應答器信號不同頻率的大功率的高頻信號，作為應答器的能源。應答器收到高頻信號后將其高頻整流作為整個應答器的電源，應答器的發射系統根據單片機提供的編碼完成信號的調制及發射。
2．2 模塊方案選擇
2．2．1 調制方式選擇
數字方式的調制可以很好的克服或減小模擬調制的非線性帶來的失真、衰落等，ASK最易實現，選擇數字調制方式中的ASK。
2．2．2 電源的設計
應答器線圈并聯電容，負載電阻并聯上一個和電壓有關的分流電阻。輸出電壓穩定，抗干擾能力強，可調性高，理想的達到數據載體的工作電壓。
3 理論分析與計算
3．1 耦合線圈的匹配理論
無源工作的應答器所需要的能量必須由閱讀器供應，高頻的強電磁場有閱讀器的天線線圈產生，這種磁場穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間，因為使用頻率內的波長比閱讀器天線和應答器之間的距離大好多倍，可以把應答器到天線的電磁場當作簡單的交變磁場。應答器的天線線圈和電容器C1構成諧振回路，調諧閱讀器的發射頻率，通過該回路的諧振，應答器線圈上的電壓U達到最大值。動作磁場強度最小，線圈的結構可以解釋為變壓器弱耦合。
3．2 閱讀器發射電路分析
閱讀器由振蕩器，控制器和接收識別電路(解碼電路)三大部分組成。其中振蕩器為發射環節的關鍵部分，它為天線提供與應答器進行聯系所需諧振頻率。振蕩器采用4MHZ晶振，經74HC4060進行32分頻得到125KHZ方波。再經LC諧振回路提供給天線，經閱讀器與應答器之間磁場傳輸到應答器一方，從而實現為應答器傳輸能量同時擔當信號傳輸之作用。
3．3 閱讀器接收電路分析
閱讀器對應答器信號的接收是通過應答器部分能量的分擔實現閱讀器部分能量的變化實現的。天線信號經二極管波，送雙功放LF353，再經電壓比較器LM311送入單片機。
4 電路和程序設計
4．1 閱讀器電路設計計算
由于裝置功率小，選取工作頻率為125KHz，選用4MHz晶振進行32分頻得到。根據要求耦合線圈為10匝，線圈直徑D為6．6cm，漆包線直徑d為0．5cm由電感的計算公式：
L=(0．01*D*N*N)／(I／D+0．44)=(0．01*6．6*10*10)／(0．5*10／6．6+0．44)=5．5μH
式中，D為線圈直徑(cm)；I=N*d為線圈繞組長度(cm)；d為漆包線直徑(cm)；N為線圈匝數，L=25330．3／[(f0*f0)*c]
即C=25330．3／[(f0*f0)*L]=0．2F。
式中，f0為工作頻率，MHz；L諧振電感，μH4．2開關與振蕩電路圖設計開關與振蕩電路圖設計如圖2所示：

4．3 應答器電路設計
應答器主要由整流濾波電路、自動開關、發射電路和單片機小系統組成，其原理框圖如圖3所示。

4．4 識別裝置工作流程
識別裝置工作流程圖如圖4所示：

4．5 完整電路圖如圖5所示
5 調試方法：
5．1 閱讀器
5．1．1
用普通示波器測試閱讀器線圈兩端的波形，按照理論應該輸出正弦波，若波形不正確，測試晶振是否起振，檢查各引腳是接錯。
5．1．2
示波器觀察閱讀器接收線圈上的波形，應該接受到正弦波，若不出現，適度調整兩線圈之間的距離，調整閱讀器的晶體振蕩電路的各參數以輸出更大的能量。
5．2 應答器
用萬用表測試AT89C2051的碼輸出端，觀察萬用表的擺動情況，理論上萬用表左右等幅擺動，若不擺動則用示波器測晶振端是否有波形輸出，用仿真器檢測程序的正確性。
6 測試結果
6．1 測試數據的完整性
用單只綠色LED的點亮檢測有碼的傳輸，四個紅色LED顯示所發送的數據。經過大量的實驗，觀測數據，發現試驗結果的誤差滿足設計要求。測試數椐如下表所示：

6．2 測試結果分析
閱讀器上點復位后，按啟動鍵后閱讀器打開功放，先為應答器發0．5s載波，以給應答器充電一段時間保證應答器能正常工作。后發4標志位，在發編碼，每位碼與碼之間延時0．9ms左右。若不能正確接收校驗碼，則從頭開始再重新接受。因此，時間在03：42：41．63與04：06：42．13之間，誤碼率在允許范圍之內，從以上分析可知基于T89C2051的RFID技術得以實現。