基于耦合線圈的匹配理論的無線識別裝置設計

學號: 11034020237 畢業(yè)設計說明書基于耦合線圈匹配理論的無線識別裝置設計The design of wireless identification device based on the theory of coupling coil matching學院:計算機與電子信息學院 專業(yè):電氣工程及其自動化 班級: 電氣 11-2學生: 張健偉指導教師: 熊建斌(副教授) 設計時間 2015 年 1 月 1 日至 2015年 6 月 7 日廣東石油化工學院本科畢業(yè)設計（論文）誠信承諾保證書本人鄭重承諾：基于耦合線圈的匹配理論的無線識別裝置設計畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容真實、可靠，是本人在 熊建斌指導教師的指導下，獨立進行研究所完成。畢業(yè)設計（論文）中引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處，如果存在弄虛作假、抄襲、剽竊的情況，本人愿承擔全部責任。 學生簽名： 2015 年 5 月 20 日專業(yè)負責人批準日期畢 業(yè) 設 計 任務書院（系）：計算機與電子信息學院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級：電氣11-2班學生：張健偉 學號：11034020237 一、畢業(yè)設計課題 基于耦合線圈的匹配理論的無線識別裝置設計二、畢業(yè)設計工作自2015年1月1日起至2015年6 月7日止三、畢業(yè)設計進行地點廣東石油化工學院 四、畢業(yè)設計的內(nèi)容要求本題設計制作一套無線識別裝置。該裝置由閱讀器、應答器和耦合線圈組成。閱讀器能識別應答器的有無、編碼和存儲信息。裝置中閱讀器、應答器均具有無線傳輸功能，頻率和調(diào)制方式自由選定。不得使用現(xiàn)有射頻識別卡或用于識別的專用芯片。裝置中的耦合線圈為圓形空芯線圈，用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導線密繞10圈制成。線圈直徑為6.60.5 cm（可用直徑6.6 cm左右的易拉罐作為骨架，繞好取下，用絕緣膠帶固定即可）。線圈間的介質(zhì)為空氣。兩個耦合線圈最接近部分的間距定義為D。閱讀器、應答器不得使用其他耦合方式。本課題具體較強的應用環(huán)境。 要解決的問題：（1）耦合線圈的匹配理論（2）閱讀器發(fā)射電路分析和接收電路分析 指導教師熊建斌接受畢業(yè)設計任務開始執(zhí)行日期2015年2 月30日學生簽名張健偉廣東石油化工學院本科畢業(yè)(設計)論文：高干擾石化環(huán)境下無線識別裝置的設計與實現(xiàn)摘 要隨著科技的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)也趨向于高科技化、智能化。我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，近幾年進入快速增長期，經(jīng)濟的飛速發(fā)展使人們對產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定性的需求越來越高，近幾年廠家也越來越重視生產(chǎn)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定做出了許多配套設施，產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定的系統(tǒng)既是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要的系統(tǒng)，也是經(jīng)濟快速發(fā)展的重要因素，射頻識別技術發(fā)展極大程度的帶動了產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定性和抗干擾能力的發(fā)展。與此同時，由于射頻識別技術的優(yōu)勢，國家對射頻識別技術的發(fā)展一直都給予政策上的鼓勵。本文設計了一個基于耦合線圈的匹配理論的無線識別裝置，從原理、硬件等方面分別闡述了如何將無線射頻識別技術運用于實際的無線識別系統(tǒng)當中。首先，本文闡述了有關射頻識別技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和射頻識別技術所面臨的難題、挑戰(zhàn)。然后，介紹了射頻識別技術的設計方案，重點描述了射頻識別技術中的技術要求和理論方法，包括射頻識別技術的概述、耦合線圈的匹配理論和系統(tǒng)功能要求。其次，簡介了無線識別裝置的硬件設計、安裝調(diào)試方案。最后，對設計的無線識別裝置進行整體性測試和分析。本系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)本設計的技術要求指標，實現(xiàn)了通過耦合線圈使得閱讀器和應答器進行信息的交流。但因本人技術有限，對射頻識別裝置的研究還有待提高，這需要在未來的學習和研究中繼續(xù)加強。關鍵詞：射頻識別技術 耦合線圈的匹配理論 閱讀器 應答器AbstractWith the rapid development of technology, industrial production tends to be high-tech and intelligent. Industry of our country industry after decades of development, in recent years entered a period of rapid growth, the rapid development of economy make people increasingly high demand on the stability of the industry. In recent years, manufacturers pay more and more attention to the stability of the production process to make many facilities, stable industry system is not only the production link system, rapid economic development is an important factor, radio frequency identification technology development drives the development of industry stability and anti-interference ability greatly. At the same time, the development of radio frequency identification technology has always been encouraged by the advantages of RFID technology.In this paper, I designed a wireless recognition device based on the matching theory of the coupling coil. From the principle, hardware and respectively expounds the how to use the radio frequency identification technology in practical wireless identification system.Firstly,this paper expounds thedevelopment status,challengesproblem of radio frequency identificationtechnology at home and abroadand face recognitionface.And then, this paper introduces the design of radio frequency identification technology and realization scheme of radio frequency identification technology in the technical requirements and the theoretical method is described in detail, including radio frequency identification technology overview, coupling coil matching theory and the system functional requirements.Secondly,the hardware design,introduces thewirelessidentification device installation andimplementation.Finally,thetestandanalysis of wirelessidentification devicedesign.This system can realize the design of the technical requirements, through the coupling coil makes the reader and transponder information exchange.But because of my limited technology and research of radio frequency identification device still need to be improved, the need to continue to strengthen in the future study and research.Key words： Radio frequency identification technology The matchingtheory of couplingcoil Transponder Reader廣東石油化工學院本科畢業(yè)(設計)論文：基于耦合線圈的匹配理論的無線識別裝置設計目錄摘要iAbstract1第一章緒論11.1研究的背景及意義11.2國內(nèi)外現(xiàn)狀21.2.1國外現(xiàn)狀21.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀41.3本大論文的架構(gòu)51.4本章小結(jié)5第二章總體框架的設計與原理62.1總體框架設計62.2耦合線圈的匹配理論92.3 PT2262/2272102.4 LM555原理122.5本章小結(jié)13第三章硬件模塊的設計143.1設計思路143.2 設計方案143.2.1總體方案論證與比較143.2.2 調(diào)制方式論證與比較153.2.3 555時鐘電路的控制對象論證與比較163.2.4功率放大電路設計的論證與比較163.2.3 閱讀器部分173.2.4 應答器部分183.3硬件的設計193.3.1 閱讀器主要電路193.3.2應答器主要電路193.3.3時鐘單元電路203.4閱讀器發(fā)射電路分析213.5閱讀器接收電路分析213.6本章小結(jié)22第四章無線識別裝置的工作流程與測試234.1 識別裝置工作流程圖234.1.1 閱讀器工作流程圖234.1.2 應答器工作流程圖244.2整機調(diào)試與測試244.2.1耦合線圈電感量大小與諧振頻率244.2.2識別距離測試254.2.3識別正確率與識別時間測試254.2.4識別時功耗測量254.3裝置的改進方案254.6本章小結(jié)26第五章總結(jié)275.1總結(jié)275.2展望未來27參考文獻29致謝31附錄32第一章 緒 論第一章 緒 論1.1研究的背景及意義隨著科技的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)也趨向于高科技化、智能化。我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，近幾年進入快速增長期，經(jīng)濟的飛速發(fā)展使人們對產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定性的需求越來越高，近幾年廠家也越來越重視生產(chǎn)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定做出了許多配套設施，產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定的系統(tǒng)既是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要的系統(tǒng)，也是經(jīng)濟快速發(fā)展的重要因素，射頻識別技術發(fā)展極大程度的帶動了產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定性和抗干擾能力的發(fā)展。與此同時，由于射頻識別技術的優(yōu)勢，國家對射頻識別技術的發(fā)展一直都給予政策上的鼓勵。雖然中國企業(yè)的信息化水平還比較低，但中國企業(yè)還在更快速地發(fā)展中。今年中國有超過40家企業(yè)進入世界500強，更多的本地企業(yè)是跨國企業(yè)的快速增長，這些企業(yè)不斷完善和改進他們的管理要求，必然會加快信息化建設和發(fā)展，在這一方面，中國企業(yè)是有優(yōu)勢可談的，但企業(yè)信息化必將為RFID的發(fā)展帶來一個很好的機會。隨著信息化進程的不斷更新，中國企業(yè)中的RFID應用技術將會實現(xiàn)從離散的點到一個整體面上，逐步拓展到更寬廣的應用領域。目前在商品物流管理過程中，條形碼是產(chǎn)品識別的主要手段，但條形碼仍存在許多無法克服的缺點。而RFID是可擦寫的、使用時不需對準標的、同時可讀取多個、堅固全天候使用，可不需人力介入操作，具有獨特的優(yōu)勢。所以條形碼是有可能被RFID標簽替代的，射頻識別技術在未來的物流領域?qū)粡V泛應用。在物流中，從采購、存儲、包裝、裝卸/搬運、運輸、流通加工、配送、銷售到服務，都是物流上環(huán)環(huán)相扣的業(yè)務環(huán)節(jié)和流程，它們之間是相輔相成又相互制約的。在物流運作時，企業(yè)必須實時地、精確地了解和掌握整個物流環(huán)節(jié)上的商流、物流、信息流和資金流這4者的流向和變化，使商流、物流、信息流、資金流以及各個環(huán)節(jié)、各個流程都協(xié)調(diào)一致、相互配合，才能發(fā)揮其最大經(jīng)濟效益和社會效益。然而，由于實際物體的移動過程中，各個環(huán)節(jié)都是處于運動和松散的狀態(tài)，信息和方向常常隨實際活動在空間和時間上移動和變化，結(jié)果影響了信息的可獲性和共享性。而無線射頻自動識別技術RFID，正是有效解決物流管理上各項業(yè)務運作數(shù)據(jù)的輸入/輸出、業(yè)務過程的控制與跟蹤，以及減少出錯率等難題的一種新技術。當今，隨著經(jīng)濟全球化的趨勢在不斷增強，全球經(jīng)濟一體化的步伐在加快，競爭更加激烈，競爭的形式已由企業(yè)之間的競爭轉(zhuǎn)變?yōu)楣溨g的競爭，同時客戶的消費需求也在朝多樣化、個性化方向發(fā)展。在這種競爭環(huán)境下，必須實現(xiàn)跨企業(yè)的供應鏈協(xié)作，改變原來傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)，采用先進的信息技術，進行供應鏈的優(yōu)化和重組，實現(xiàn)供應鏈上的信息共享與業(yè)務集成，提高對市場與需求的響應能力，縮短訂貨提前期，降低庫存水平，提高物流效率，減少遞送時間，提高信息的獲取能力和傳遞能力，提高供應鏈整體的競爭力。同時，信息技術的迅速發(fā)展和其成本的不斷降低，使得供應鏈管理能夠不斷采用新型的信息技術來完成上述目標，極大地提高了供應鏈的運作效率與效益。目前RFID被廣泛采納應用。它主要應用以下幾個方面：車輛自動識別管理；高速公路收費及智能交通系統(tǒng)；貨物的跟蹤、管理及監(jiān)控；倉儲、配送等物流環(huán)節(jié)；電子錢包、電子票證；生產(chǎn)線產(chǎn)品加工過程自動控制；動物跟蹤和管理。而當今我國物流發(fā)展存在很多制約因素，遠遠跟不上國際物流的發(fā)展速度,所以研究射頻技術對我國物流發(fā)展有著很重要的意義。本文設計了一個基于耦合線圈的匹配理論的無線識別裝置，具有較高的應用環(huán)境。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀1.2.1國外現(xiàn)狀RFID的基本技術原理首次出現(xiàn)于二戰(zhàn)時期，最初是盟軍識別敵我雙方的飛機和軍艦就是通過無線電數(shù)據(jù)技術來實現(xiàn)的。戰(zhàn)后，由于需求的成本高，該技術基本上僅僅應用于軍事領域，民用領域并沒有得到很好的推廣與應用。直到上世紀的80、90年代的，不斷隨著電子和芯片技術得到了較好地廣與改進應用后，RFID技術應用到道路交通收費等各種民用領域上的情況首次出現(xiàn)在歐洲。RFID迎來新的發(fā)展時期時已到二十一世紀初，世界各國開始普遍關注在民用領域RFID的價值，尤其是在西方發(fā)達國家，RFID技術被廣泛應用于自動化聲場、訪問控制、道路收費、停車場管理、個人ID識別、跟蹤貨物動向等民用領域中，其應用范圍還在不斷擴大與發(fā)展。在產(chǎn)業(yè)方面，美國的TI、英特爾等集成電路制造商目前都在RFID領域投入巨資用于芯片開發(fā)，Symbol等已經(jīng)研發(fā)出一種掃描器可以同時可以閱讀條形碼和RFID1。IBM、Microsoft和惠普等也在積極支持對RFID的應用并開發(fā)其相應軟件及系統(tǒng)以實現(xiàn)其應用價值。在美國已經(jīng)逐步應用RFID技術到交通、現(xiàn)場車輛管理、個人身份ID識別等領域。此外，值得我們注意的是RFID應用這一技術的主要積極推動者是來自于美國政府。根據(jù)合同規(guī)定，美國防部自2004年10月1日以后，RFID標簽都會使用在所有軍需物資；美國食品及藥物管理局推薦制藥商等廠家從2006年起利用RFID跟蹤最為常見額假冒偽劣藥物；美國社會福利局于2005年年初對RFID技術追蹤SSA各種表格和手冊得到了正式的使用2。 歐洲在產(chǎn)業(yè)方面也在應用RFID技術：飛利浦在開發(fā)許多物美價廉的RFID芯片上努力研發(fā)中；有關在多系統(tǒng)上面的應用，Checkpoint積極地研發(fā)RFID的識別技術和識別系統(tǒng)；諾基亞應用RFID技術在研究移動電話購物系統(tǒng)。在產(chǎn)業(yè)應用方面，歐洲基本上如交通、識別系統(tǒng)、生產(chǎn)線自動化控制、物資跟蹤等各個封閉系統(tǒng)與美國不分上下。目前，歐洲許多大型企業(yè)都努力在應用推廣RFID技術。日本作為一個制造業(yè)強國，它在RFID技術出現(xiàn)之后很早地就開始在電子標簽的研究，同時也與其政府有關。政府非常重視RFID技術的研究并視為一種關鍵技術來對待。MPHPT在2004年發(fā)布了針對RFID的關于在傳感網(wǎng)絡時代運用先進的RFID技術的最終研究草案報告3，MPHPT將繼續(xù)支持測試在UHF頻段的無源和有源RFID技術，并在通過這些測試上進一步研究控制問題；自2004年七月起，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省部選擇了七個工業(yè)RFID的應用試驗，包括消費電子，服裝，書籍，音樂CD，工程機械，醫(yī)藥物流4。在RFID領域的最新發(fā)展趨勢，結(jié)合應用和研究RFID技術的產(chǎn)品和解決方案能夠更有效地為RFID應用的做出較好的推廣，2005在日本，特別是在物流等非制造業(yè)，奠定了堅實的基礎。韓國通過國家發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合企業(yè)推動RFID發(fā)展的強度，這主要是由工業(yè)和信息化通信來積極推動RFID技術的發(fā)展計劃。需要引起我們關注的是，由于RFID的重要性得到了進一步加強，在2004三月韓國IT839計劃最初計劃。雖然在黯淡的領域在RFID的發(fā)展和應用韓國，但值得注意的是，韓國政府高度重視RFID技術的發(fā)展，韓國正在加速膨脹的試驗與應用。從全球的角度來看，美國在RFID的標準和相關的硬件和軟件技術的發(fā)展美國走在世界前列的應用。歐洲RFID標準遵循美國LED EPC全球標準。在封閉系統(tǒng)中的應用，歐洲和美國基本上在同一階段。雖然日本在研究RFID技術時提出了UID標準，但主要支持者的組成還是是以國內(nèi)廠商為主，想成為國際標準的這條路還有很長的時間要走。RFID的重要性在韓國不斷受到政府給予高度重視，但在RFID的標準上韓國仍然是模糊的。1.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀在二十一世紀初，中國已經(jīng)在RFID技術上有了嘗試性的研究，國家對射頻識別技術的發(fā)展一直都給予政策上的鼓勵，2006年六月，中國發(fā)布了中國RFID技術政策白皮書，標志著RFID的發(fā)展已經(jīng)發(fā)展到國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的層次。到2008年底，參加RFID的中國數(shù)百個相關企業(yè)，已逐步開始形成從標簽及設備制造到軟件開發(fā)集成等的一個較為完整的RFID產(chǎn)業(yè)鏈5。目前，在中國許多地區(qū)的RFID應用，包括物流，ID卡，醫(yī)藥，煙草，奧運門票，寵物管理等等都有了很大的發(fā)展，但是我們覺得在日常生活中，RFID還離我們很遠6。除了二代身份證上的應用比較多之外，我們常常并未感受到在我們生活中的RFID的存在。到底是什么原因？事實上，原因很簡單，雖然RFID是迅速在各個領域得到了應用，但相對于我國經(jīng)濟規(guī)模，其應用范圍還沒有很大的推廣與改進，即使在運輸和物流行業(yè)的RFID應用，更多的，是在點的分布，并不能達到國家。往往是行業(yè)的龍頭企業(yè)保持其競爭地位和使用這種新技術的第一次嘗試，越來越多的企業(yè)持觀望態(tài)度，猶豫不決?；蛞晕锪鳂I(yè)為例，RFID技術的應用可以大大提高物流企業(yè)在物流方面的工作效率，如減少貨物出入庫所需要的時間，也可以減少現(xiàn)場操作人員的人數(shù)，從而實現(xiàn)快而準的技術定位和準確的庫存貨物跟蹤，但今天，在中國物流企業(yè)的RFID技術的真正能夠做到的還屈指可數(shù)7。在經(jīng)濟危機爆發(fā)以來，行業(yè)中的許多人也紛紛開始對RFID產(chǎn)業(yè)的未來并對其發(fā)展前景的感到迷茫與不信任。雖然中國企業(yè)的信息化水平還比較低，但中國企業(yè)還在更快速地發(fā)展中。今年中國有超過40家企業(yè)進入世界500強，更多的本地企業(yè)是跨國企業(yè)的快速增長，這些企業(yè)不斷完善和改進他們的管理要求，必然會加快信息化建設和發(fā)展，在這一方面，中國企業(yè)是有優(yōu)勢可談的，但企業(yè)信息化必將為RFID的發(fā)展帶來一個很好的機會。隨著信息化進程的不斷更新，中國企業(yè)中的RFID應用技術將會實現(xiàn)從離散的點到一個整體面上，逐步拓展到更寬廣的應用領域。而通過減少RFID的消耗的成本，就能夠擴大市場，從而能更好地推廣RFID應用技術，將RFID應用于托盤或集裝箱整箱貨物跟蹤逐步擴展到單貨物跟蹤級別8。最后，從供應鏈的角度來看，目前推動產(chǎn)業(yè)升級的國家，是使企業(yè)更多的中國生產(chǎn)的高技術，高附加值，高利潤的產(chǎn)品，而這些領域，它是RFID發(fā)揮。產(chǎn)業(yè)升級將帶動中國企業(yè)提升市場競爭力，逐步從單一企業(yè)的供應鏈之間的競爭。在接下來的幾年里，我們將看到，RFID的實施將由個別企業(yè)走出困境才實施的，并表明在整個供應鏈上公司作出相關的協(xié)調(diào)實施工作，最大程度地發(fā)揮RFID所帶來的好處。1.3本大論文的架構(gòu)本論文主要由緒論、原理及總體設計、系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)、系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試與分析等五大章所組成，各章節(jié)之間環(huán)環(huán)相扣，緊密聯(lián)系。各章節(jié)主要內(nèi)容安排如下：第一章 緒論。本章論述了本設計的目的和意義，介紹了RFID的現(xiàn)狀和前景、國內(nèi)外現(xiàn)狀以及面臨的主要挑戰(zhàn)和技術難題。第二章 總體框架的設計與原理。本章論述了本系統(tǒng)所用耦合線圈的匹配理論和系統(tǒng)的總體設想和功能設計。第三章 硬件模塊的設計。本章首先較為詳細的分析系統(tǒng)所選用的硬件特性與其他同類硬件的比較，再簡單進行硬件總體方案設計的闡述，最后簡單介紹系統(tǒng)硬件部分的安裝和調(diào)試。第四章 無線識別裝置的工作流程與測試。本章簡單介紹了本系統(tǒng)的工作流程和實際測試方案的設計。第五章 結(jié)論。本章總結(jié)了本畢業(yè)設計的主要研究成果和不足之處，并探討了面臨的問題與改進的想法。1.4本章小結(jié)本章講了研究的背景和意義，介紹了射頻識別技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及本論文的架構(gòu)。33廣東石油化工學院本科畢業(yè)(設計)論文：基于耦合線圈的匹配理論的無線識別裝置設計第二章 總體框架的設計與原理2.1總體框架設計圖2.1總體設計框架圖如圖2.1所示振蕩電路產(chǎn)生的電磁能經(jīng)過后續(xù)的放大電路放大后，由耦合線圈的諧振耦合發(fā)射出去，應答器通過放大整流電路對電能進行儲存，儲存在儲能電容里，電容電壓會通過電壓判斷電路進行電壓判斷，當電容電壓達到了正常工作的電壓時，應答器就會開始工作，編碼信號通過串口發(fā)送并經(jīng)過有源晶振產(chǎn)生載波信號，通過ASK調(diào)制后就會從耦合線圈發(fā)射出去，應答器發(fā)送過來的編碼信號輸送到編碼芯片接收串口前會經(jīng)過檢波電路。對編碼信號進行檢波比較，然后輸出的數(shù)據(jù)就會通過解碼芯片進行讀取與編碼，最后對編碼信號進行顯示輸出識別出來的結(jié)果。振蕩電路和檢波電路是通過555定時電路控制其周期性地工作，電子開關可以控制其單工切換,繼電器控制其獨立工作。RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，就是我們所稱的電子標簽。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進行交流，獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作不需要人工的干預，可工作于不同的惡劣環(huán)境。RFID技術不僅可以識別高速運動物體還可以同時識別多個標簽， 操作簡單快捷方便9。 弗格森是埃森哲實驗室首席科學家之一，他認為RFID對于我們來說是一種具有突破性的一項技術：第一，可以識別一個特定的物體，而不是像條形碼那樣只能識別某一類物體；第二，通過無線電射頻的技術，可以通過外部材料組成的系統(tǒng)來讀取數(shù)據(jù)，而條形碼則必須通過激光來獲取信息；第三，通過設定可以同時對多個具體內(nèi)容的物體進行識別和讀取，而條形碼只能依次對物體一個一個地讀取。此外，它所能儲存的信息量比條形碼更加的大。10RFID最基本的系統(tǒng)由三部分組成：1）標簽 通過耦合元件和芯片組成，每個標簽都設置有唯一的電子編碼，附著在物體上以便標識目標對象；2）閱讀器 能夠讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備，有手持式或固定式的設計方案；3）天線 是標簽和讀取器間傳遞射頻信號所需要的器件。RFID技術的基本工作原理是非常簡單的：當標簽進入天線形成的磁場后，就會接收到由解讀器所發(fā)出的射頻信號，通過并天線產(chǎn)生的感應電流獲得的工作能量發(fā)送出儲存在芯片中產(chǎn)品信息，也可以主動輸送出某一頻率的信號；解讀器就會進行讀取信息并進行解碼后，然后送至中央信息系統(tǒng)進行相應的數(shù)據(jù)處理11。RFID技術的典型應用有：物流和供應管理、動物身份標識、航空行李處理、門禁控制/電子門票、文檔追蹤/圖書館管理、道路自動收費、運動計時、郵件/快運包裹處理門禁控制/電子門票、生產(chǎn)制造和裝配動物身份標識。RFID系統(tǒng)的基本工作流程是：閱讀器利用發(fā)射天線對外發(fā)送出具有一定頻率的射頻信號，當應答器進入發(fā)射天線輻射出來的磁場時，即進入工作區(qū)域，產(chǎn)生感應電流，應答器獲得工作所需要的能量；應答器將自身已進行編碼的信息通過對應的發(fā)送天線發(fā)射出去；閱讀器的接收天線接收到從應答器發(fā)送來的載波信號，就會經(jīng)過天線調(diào)節(jié)器輸送到閱讀器，閱讀器就會進行解調(diào)和解碼所接收的信號并發(fā)送到后臺的主系統(tǒng)進行進一步處理；主系統(tǒng)根據(jù)所設置邏輯運算判斷信號的內(nèi)容是否合法，針對不同的設定做出對應的處理和控制，最后發(fā)出指令信號到執(zhí)行單元進行執(zhí)行與顯示。在耦合方式(電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從應答器到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負載調(diào)制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區(qū)別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設計構(gòu)造上都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊10。高頻接口包含發(fā)送器和接收器，其功能包括：產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動射頻卡并提供能量；對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡；接收并解調(diào)來自射頻卡的高頻信號12。不同射頻識別系統(tǒng)的高頻接口設計具有一些差異，電感耦合系統(tǒng)的高頻接口原理圖如圖1.1所示。 石英振蕩調(diào)制器輸出級放大器天線端帶通濾波放大器調(diào)制器發(fā)送數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)圖2.2 RFID系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)閱讀器的控制單元的功能包括：可以和應用系統(tǒng)軟件進行信息的交流，并執(zhí)行由應用系統(tǒng)軟件所發(fā)來的信號；控制與應答器的通信過程(主-從原則)；可以對信號進行編解碼。還可以對一些特殊的系統(tǒng)進行反碰撞算法，加密和解密應答器與閱讀器間要傳送的數(shù)據(jù)，以及進行身份驗證應答器和閱讀器等附加功能12。 RFID系統(tǒng)一個很關鍵的參數(shù)是系統(tǒng)的讀寫距離。據(jù)我了解，長距離射頻識別系統(tǒng)還處于高昂的價位，因此對于如何選擇提高其讀寫距離的方法就顯得尤為重要了。影響應答器讀寫距離的因素包括信號天線對應的工作頻率、閱讀器的RF輸出功率問題、閱讀器的接收器件的靈敏度、應答器的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和應答器的耦合度，以及應答器本身需要獲得的工作能量以及發(fā)送信息需要的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離跟寫入距離是存在著差異的，通常寫入距離大約是讀取距離的40%80%14。RFID技術利用無線射頻的方式通過應答器和閱讀器之間進行非接觸性的雙向數(shù)據(jù)傳輸，目標識別和數(shù)據(jù)交換是其主要的目的。跟傳統(tǒng)的條型碼、IC卡和磁卡相比，射頻卡具有非接觸、閱讀速度迅速、幾乎沒有磨損、受到環(huán)境影響的甚少、使用壽命長、簡單方便使用的特點和具有對象性的功能，還能同時識別處理多張卡片。在國外，射頻識別技術在工業(yè)自動化、交通運輸控制管理、商業(yè)自動化等眾多領域都有其廣泛的應用環(huán)境。與傳統(tǒng)的識別技術相比，RFID技術可以不需要直接接觸、也不需要光學可視和人工干預便可完成信息輸入和處理，而且操作方便。應用程序可以廣泛應用于在數(shù)據(jù)采集和處理領域的物流，生產(chǎn)，運輸，交通，醫(yī)療，安全，跟蹤設備和資產(chǎn)管理的需要，信息可以被更新，標簽可重復使用，被認為是條形碼標簽的未來替代品。 2.2耦合線圈的匹配理論耦合線圈的匹配理論主要采用磁場耦合，通過電感與電容發(fā)生LC諧振。在指定的頻率下，可以通過改變電感大小或者電容大小，從而達到諧振頻率。當兩個線圈發(fā)生諧振并且靠得比較近時，其中一個線圈里的電流所產(chǎn)生的磁場在另一個線圈中產(chǎn)生感應電動勢12。圖2.3 耦合線圈的匹配理論本設計中的耦合線圈根據(jù)要求采用直徑約為0.6mm的漆包線密繞10圈形成直徑為6.6cm的線圈，線圈總長2.15米，厚度為6mm。由圓形線圈的電感計算公式：其中：N為線圈匝數(shù)；r為線圈的半徑(cm)；b為線圈繞制的長度（cm）；c為線圈的厚度(cm)；耦合線圈1、2的電感計算值為15.92uH，實際測量兩個線圈電感值都為18.33uH,可以看出電感線圈的計算值與實際值非常接近。線圈與可變電容組成并聯(lián)諧振回路，線圈電感為18.33uH,電容容量為100PF，根據(jù)諧振頻率公式：可得諧振頻率對回路進行諧振頻率測量得到諧振頻率為3.86MHZ。因而，閱讀器采用4.000MHZ有源晶振產(chǎn)生接近與諧振頻率的能源載波頻率。應答器也采用4.000MHZ有源晶振作為載波頻率。2.3 PT2262/2272圖2.4 PT2272引腳圖 PT2272管腳說明如表2.1所示表2.1 PT2272管腳說明名稱管腳說明A0-A111-8、10-13地址管腳,用于進行地址編碼,可置為“0”,“1”,“f”(懸空),必須與2262 一致,否則不解碼。D0-D57-8、10-13地址或數(shù)據(jù)管腳,當做為數(shù)據(jù)管腳時,只有在地址碼與2262 一致,數(shù)據(jù)管腳才能輸出與2262 數(shù)據(jù)端對應的高電平,否則輸出為低。Vcc18電源正端（+）Vss9電源負端（）DIN14數(shù)據(jù)信號輸入端，來自接收模塊輸出端OSC116振蕩電阻輸入端，與OSC2 所接電阻決定振蕩頻率OSC215振蕩電阻振蕩器輸出端VT17解碼有效確認輸出端（常低）解碼有效變成高電平（瞬態(tài)）圖2.5 PT2262引腳圖PT2262管腳說明如表2.2所示表2.2 PT2262管腳說明名稱管腳說明A0-A111-8、10-13地址管腳,用于進行地址編碼,可置為“0”,“1”,“f”(懸空)D0-D57-8、10-13數(shù)據(jù)輸入端，有一個為“1”即有編碼發(fā)出，內(nèi)部下拉。Vcc18電源正端（+）Vss9電源負端（）TE14編碼啟動端，用于多數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射，低電平有效。OSC116振蕩電阻輸入端，與OSC2 所接電阻決定振蕩頻率。OSC215振蕩電阻振蕩器輸出端。Dout17編碼輸出端(正常時為低電平)。PT2262/2272 芯片的地址編碼設定和修改：在通常使用中，我們一般采用8 位地址碼和4 位數(shù)據(jù)碼，這時編碼電路PT2262 和解碼PT2272 的第18 腳為地址設定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3 的8 次方為6561，所以地址編碼不重復度為6561 組，只有發(fā)射端PT2262 和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用，遙控模塊的生產(chǎn)廠家為了便于生產(chǎn)管理，出廠時遙控模塊的PT2262 和PT2272 的八位地址編碼端全部懸空，這樣用戶可以很方便選擇各種編碼狀態(tài)，用戶如果想改變地址編碼，只要將PT2262 和PT2272 的18 腳設置相同即可，例如將發(fā)射機的PT2262 的第1 腳接地第5 腳接正電源，其它引腳懸空，那么接收機的PT2272 只要也第1 腳接地第5 腳接正電源，其它引腳懸空就能實現(xiàn)配對接收。當兩者地址編碼完全一致時，接收機對應的D1D4 端輸出約4V 互鎖高電平控制信號，同時VT 端也輸出解碼有效高電平信號。用戶可將這些信號加一級放大，便可驅(qū)動繼電器、功率三極管等進行負載遙控開關操縱。2.4 LM555原理圖2.6 LM555引腳圖表2.3 LM555管腳說明編號名稱說明1GND地線2TRIGGER觸發(fā)3OUTPUT輸出4RESET復位5CONTROL VOLTAGE控制電壓6THRESHOLD閥值7DISCHARGE放電8VCC電源LM555 管腳說明如表2.3所示，其時基電路內(nèi)部由分壓器、比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管等組成，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。其中 6 腳為閥值端（TH），是上比較器的輸入。2 腳為觸發(fā)端（TR），是下比較器的輸入。3 腳為輸出端（OUT），有 0 和 1 兩種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加的電平?jīng)Q定。7 腳為放電端（DIS），是內(nèi)部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定。4 腳為復位端（R），叫上低電平（ 0.3V）時可使輸出端為低電平。5 腳為控制電壓端(CV )，可以用它來改變上下觸發(fā)電平值。8 腳為電源（VCC），1 腳為地（GND）。一般可以把 LM555 電路等效成一個大放電開關的 R-S 觸發(fā)器。這個特殊的觸發(fā)器有兩個輸入端：閥值端（TH）可看成是置零端 R，要求高電平；觸發(fā)端（TR）可看成是置位端 S，低電平有效。它只有一個輸出端 OUT，OUT 可等效成觸發(fā)器的 Q 端。放電端（DIS）可看成由內(nèi)部放電開關控制的一個接點，放電開關由觸發(fā)器的反 Q端控制：反 Q=1 時 DIS 端接地；反 Q=0 時 DIS 端懸空。此外這個觸發(fā)器還有復位端 R，控制電壓端 CV，電源端 VCC 和接地端 GND。2.5本章小結(jié)本章論述了無線射頻識別技術的一些基本知識，本系統(tǒng)所用耦合線圈的匹配理論和系統(tǒng)所使用的PT2262/2272芯片和LM555的引腳說明。廣東石油化工學院本科畢業(yè)(設計)論文：基于耦合線圈的匹配理論的無線識別裝置設計第三章 硬件模塊的設計3.1設計思路圖3.1無線識別裝置的總體設計示意圖12本設計是利用耦合線圈的匹配理論而制成的無線識別裝置。系統(tǒng)分為閱讀器與應答器兩部分：閱讀器由耦合線圈、PT2272、發(fā)光二極管等組成；應答器由耦合線圈、PT2262、撥碼開關等組成。由單電源提供能量給閱讀器，耦合線圈為應答器提供全部的能量，無線數(shù)據(jù)傳輸串口異步通信與ASK調(diào)制等方法實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。閱讀器能夠識別距離為D的應答器的信號并顯示識別結(jié)果，顯示正確率不會低于80%，識別距離D不會低于5cm，響應時間不會大于5S。3.2 設計方案3.2.1總體方案論證與比較設計方案一：如圖3.2所示，通過51單片機和有源晶振振蕩器設計的無線識別系統(tǒng)。閱讀器的掃描應答信號方式為串口通信方式，每當閱讀器接受到應答發(fā)出的信號后，它總能判別其是否為有效信號，如果判定為有效信號時則會按要求顯示應答器所發(fā)出的信息，并通過蜂鳴的信號提示。當應答器處在閱讀器的正確識別距離時，應答器會通過他們的線圈耦合獲得正常工作時所需要的工作能量，并讀取此時撥碼開關相應狀態(tài)，并通過耦合線圈發(fā)送應答器此時的信號。特點：具有很高的顯示正確率是單片機異步串口通信方式的這種方式的優(yōu)勢。但是對于本次的設計任務，可能會因為耦合線圈所提供的能量非常有限，以至于無法正常驅(qū)動單片機。因此不采用該方案的設計。圖3.2無線識別裝置方案一方框圖設計方案二：如圖3.3所示，無線識別系統(tǒng)使用PT2262編碼芯片和PT2272解碼芯片組成。通過四位撥碼開關對應答器進行卡號設置，卡號編碼由PT2262負責進行，耦合線圈負責把這個信號發(fā)射出去；當閱讀器接收到耦合線圈發(fā)出的信號，則會讓PT2272解碼芯片負責把這個信號譯碼并輸出此時應答器上的卡號，發(fā)光二極管負責顯示這個結(jié)果。特點：系統(tǒng)功耗小，實現(xiàn)功能簡單便捷，而且PT2262對于起始工作電壓的要求非常低，正好適合這種能量供應有限的場合。圖3.3無線識別裝置方案二方框圖結(jié)合以上方案的分析與實際情況的需求，我采用方案二。3.2.2 調(diào)制方式論證與比較方案一：頻移鍵控（FSK）。該方案設計的傳輸速率會比較快，而且對數(shù)據(jù)所判斷的正確率很高，但此設計的調(diào)制電路會比較復雜，所消耗的成本較高，功耗上的消耗很高，若在低功耗的情況下很難正常工作，而且設計的解調(diào)電路使用不夠人性化。由于設計方面的要求所提供的功耗較低，而且對通訊的正確率有一定的要求，如傳輸數(shù)據(jù)正確率不會低于80%，響應時間不會超過5S，故我不選用該方案的設計。方案二：幅移鍵控（ASK）。該方案設計的調(diào)制電路得比較簡單，其功耗方面的要求也相比FSK的低很多，設計的解調(diào)電路也比較簡單，更符合使用于這種低速數(shù)據(jù)通信當中，綜合各個方面考慮我選用該方案。3.2.3 555時鐘電路的控制對象論證與比較設計方案一：閱讀器和應答器都由555時鐘電路控制，也就是說在閱讀器和應答器當中都會用到555時鐘電路。當閱讀器向應答器通過耦合線圈發(fā)射工作能量時應答器此時只負責接收獲得能量，當應答器要對信號進行編碼并發(fā)射編碼信號時閱讀器則會相應地停止向應答器輻射能量并且只負責接收應答器此時所發(fā)來的編碼信號并對其進行相應的解碼和顯示，但是我們在實際工作中，卻很難保證閱讀器和應答器同步，因此我不采用此設計方案。設計方案二：應答器由555時鐘電路控制，閱讀器則不使用555時鐘電路。這個方案的設計就是為了讓閱讀器一直在工作，應答器通過555定時電路控制其接收閱讀器發(fā)出的工作能量、并儲存起來以及對信號編碼并發(fā)送出去，可是因為應答器的輸出功率比較小，若閱讀器那邊一直不停歇地對應答器發(fā)射能量信號，閱讀器就接收不到到應答器的編碼信號，因此我也不采用此設計的方案。設計方案三：閱讀器由555時鐘電路控制，應答器則不使用555時鐘電路。這個方案的設計就是為了讓應答器器一直在工作，閱讀器通過555定時電路控制間歇性地工作，這樣就會讓閱讀器正常地接收到應答器通過耦合線圈發(fā)出的編碼信號并對其進行相應的解碼和顯示。因此我采用該設計方案。3.2.4功率放大電路設計的論證與比較設計方案一：該方案的功率放大電路帶有2035與3355這兩種三極管組成的，如圖3.4所示。圖3.4采用3355和2035兩種三極管的功率放大電路這個放大電路雖然能夠滿足本設計的要求，但是由于3355對接地要求較高，而且如果在實際操作的過程中實驗室的接地不完善，電烙鐵帶電，那么3355就會很容易燒壞，影響器件的正常工作，因此本設計中不適合采用該設計方案。設計方案二：該方案的功率放大電路為帶有2035與9014兩種三極管組成的，用9014代替3355這個三極管，如圖3.5所示。圖3.5采用9014和2053的功率放大電路該電路不僅能夠滿足本設計的要求， 相對于3355來說，9014工作更加穩(wěn)定，實際操作簡單，而且不易燒壞，因此本設計中采用該設計方案。3.2.3 閱讀器部分如圖3.6所示，振蕩電路產(chǎn)生的電磁能經(jīng)過后續(xù)的放大電路放大后，由耦合線圈的諧振耦合發(fā)射出去；應答器發(fā)送過來的編碼信號會通過耦合線圈讓閱讀器接收，輸送到PT2272接收串口前會經(jīng)過檢波電路，對編碼信號進行檢波比較， PT2272會對編碼信號進行對應解碼后并通過發(fā)光二極管輸出識別出來的結(jié)果。振蕩電路和檢波電路是通過555定時電路控制其周期性地工作，電子開關可以控制其單工切換,繼電器控制其獨立工作。PT2272耦合線圈發(fā)光二極管檢波電路振蕩電路單電源信號電磁能繼電器555定時器放大電路圖3.6 閱讀器組成方框圖3.2.4 應答器部分如圖3.7所示，閱讀器經(jīng)過耦合線圈向應答器發(fā)射電磁能，但并不足以驅(qū)動應答器，所以我要通過放大整流電路對電能進行儲存，儲存在儲能電容里，電容電壓會通過電壓判斷電路進行電壓判斷，當電容電壓達到了正常工作的電壓時，應答器就會開始工作，此時撥碼開關值就會通過PT2262芯片進行讀取與編碼，編碼信號通過串口發(fā)送并經(jīng)過有源晶振產(chǎn)生載波信號，通過ASK調(diào)制后就會從耦合線圈發(fā)射出去。PT2262耦合線圈撥碼開關放大整流電路ASK調(diào)制電路信號電磁能圖3.7應答器組成方框圖3.3硬件的設計3.3.1 閱讀器主要電路圖3.8閱讀器主要電路圖如圖3.8所示為閱讀器的接收電路圖，通過采用有源晶振，9014和2053組成的放大電路通過耦合線圈接收信號，PT2272上接上2個發(fā)光二極管顯示是否接收到編碼信號，并通過4個發(fā)光二極管對應顯示由應答器傳來的編碼信號。3.3.2應答器主要電路如圖3.9所示，通過四位撥碼開關對應答器進行卡號設置，卡號編碼由PT2262負責進行，耦合線圈負責把這個信號發(fā)射出去。圖3.9應答器電路圖3.3.3時鐘單元電路圖3.10閱讀器的時鐘單元如圖3.10所示就是閱讀器的時鐘單元的電路圖，其中LM555，R1，R2 ,C1組成了3秒左右周期的時鐘電路，占空比為5/6，3腳連著有源晶振和繼電器，晶振的工作與否用9014的導通與截止來控制，而控制耦合線圈與檢波電路的通斷的是繼電器。具體來講就是當9014導通時，555輸出為1，使得有源晶振模塊開始工作，斷開繼電器控制的耦合線圈與檢波電路；當有源晶振模塊停止工作時，555輸出為0， 連接由繼電器控制的耦合線圈與檢波電路，從而使PT2272開始工作。之所以采用555時鐘電路控制閱讀器是因為當應答器發(fā)射編碼信號到閱讀器的輸出功率不夠大，如果閱讀器一直在工作并通過耦合線圈向應答器輻射能量，會使閱讀器沒有時間去接收應答器發(fā)出的信號，所以閱讀器只有間歇性地向應答器發(fā)射能量，才能確保閱讀器能夠接收到由應答器發(fā)射來的編碼信號。在這個設計的電路中，555作為3秒周期而占空比為5/6的時鐘，采用這樣的占空比即使555大部分時間輸出的都是高電平，也可以讓晶振電路間歇性地工作2.5秒，然后停止0.5秒，利用這0.5秒的時間的話閱讀器就可以正常接收應答器發(fā)送過來的編碼信號了。3.4閱讀器發(fā)射電路分析