一卡通解决方案基于无线传输的射频识别系统

一卡通解决方案-基于无线传输的射频识别系统

摘要：当今各种智能化控制系统离不开数据信息的传输。其中，无线数据传输是区别于传统有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线缆且成本低廉。为单片机匹配相应的无线通信接口电路，即可实现单片机之间或单片机与微机之间的无线数据传输。目前常用的无线通信接口电路，是以无线收发芯片为核心的电路。当数据传输时，在软件设计中采取必要的抗干扰措施和识别措廉，可以有效地避免干扰，达到满意的通信效果。文中以C2051单片机为基础，进行无线通信以
识别非接触式无线识别装置，其应用可以嵌入到电业管理或燃气收费等系统中，也可作为一个读卡器对IC卡进行操

作，配合不同软件可以应用于不同行业。

当今各种智能化控制系统离不开数据信息的传输。

其中，无线数据传输是区别于传统有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线缆且成本低廉。为单片机匹配相应的无线通信接口电路，即可实现单片机之间或单片机与微机之间的无线数据传输。目前常用的无线通信接口电路，是以无线收发芯片为核心的电路。当数据传输时，在软件设计中采取必要的抗干扰措施和识别措施，可以有效地避免干扰，

达到满意的通信效果。文中以c2051单片机为基础，进行无线通信以识别非接触式无线识别装置，其应用可以嵌入到电业管理或燃气收费等系统中，也可作为一个读卡器对IC卡进行操作，配合不同软件可以应用于不同行业。

1系统的工作原理

本设计以单片机作为阅读器和应答器的核心、这两部分主要使用LM567。本系统是一个小型的无线识别器件最大操作距离达70nini。系统内部结构分为射频区和接口区：射频区内含调制解调器和电源供电电路，直接与天线连接；接口区
有与单片机相连的端口，还具有与射频区相连的收/发器、可
以用单片机程序存放3套寄存器初始化文件的E2PR0M以及进行3次数据证实防错误机制、防碰撞处理的防碰撞模块和控制单元。这是阅读器跟应答器实现无线通信的核心模块，也是设计的关键。

2硬件电路的设计

无线识别系统装置由阅读器、应答器与耦合线圈（即天线）3部分组成。

2.1阅读器的设计

阅读器基本电路，如图1所示。当有应答器靠近阅读器时，阅读器内的天线组成了一个LC并联谐振电路，其频率与应答器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LC谐振电

路产生共振，从而使高频信号流入阅读器中用于解调的LM567的输入端。输出的解调信号与上述单片机编码信号反

向，最后经过单片机译码输出显示。

LM567具有调制和解调双重功能。其调解出来的信号可直接被单片机识别，并由单片机发送给数码管并显示。

图1阅读器

2.2应答器的设计

应答器工作时，通过c2051单片机进行数据编码，然后送往LM567被调制到高频载波上，与其输出端相连的天线

线圈不断地向外发出一组固定频率的电磁波（145kHz）,当有应答器靠近阅读器时，阅读器识别并显示。应答器硬件电路如图2所示。

电源

主控机

可扩展 E2PR 0M

调制信号 送模块

号输出

升压电路	LM567 信号调制模块

天线
图2应答器

2.3耦合线圈（即天线）的设计

天线是一种转能器。发射时，把发射机的高频电流转化为空间电磁波；接收时，把从空间截获的电磁波转换为高频电流送入接收机。对于设计一个应用于射频识别系统的小功率、短距离无线收发设备，天线设计是其中的重要部分。良好的天线系统可以使通信距离达到最佳状态。天线的种类很多，不同的应用需要不同的天线。在小功率、短距离的RFID系统中，需要一个通信可靠、价格低廉的天线系统，耦合线圈环型天线是比较常用的一种。

2.3.1分析环型天线的等效电路

环型天线激励点的电压和电流由环的输入阻抗联系起来，即V=ZI0o为了评估用于天线谐振的电容Z，in,环型天线的输入阻抗必须确定；同样，为了评估天线效率和辐射阻

抗，环型导体内的欧姆损耗和其他欧姆损耗也必须确定。

2.3.2天线设计参数

环型天线输入阻抗Zin可由下式给出：

Zm= (RR+RL+RJ + J2叹(LA+LJ (A)

式中，RR为辐射电阻；RL为环型导体损耗电阻；RX为额外欧姆损耗电阻；LA为环型天线电感；L1为环型导体电

感。

环型导体损耗电阻为:

式中，1为金属环形导体长度，P为环形导体交叉部分的周长，RS为导体表面电阻，uO为4兀X10-7H/m; a为导体电导率；RL的单位为O。额外欧姆损耗电阻主要来自电容CP上的

等效串联电阻：

RR■RL

2.4带有天线的阅读器的等效电路

产生交变磁场所需的导体回路由线圈L1表示，串联电阻R1相当于导体回路L1中线绕电阻的欧姆损耗。为了当阅读器的工作频率为fTX时在导体回路L1中获得最大电流，从而产生最大磁场强度H,经电容器C1串联形成谐振频率fRES=fTX的

串联谐振电路。

图4中，阅读器的发送器出口产生高频电压u2,接收器直

接与天线线圈L1连接。串联谐振电路的总阻抗Z1为各项单阻

抗之和，即：

Z\ =Ri +何1 -

1 Mi

2.5天线连接的匹配研究

根据阅读器使用的频率范围，使用不同的方法将天线线

圈连接到阅读器发送器的输出端。通过功率匹配将天线线圈

直接连接功率输出级，或通过同轴电缆馈送到天线线圈。天

线线圈L1在射频识别系统的工作频率范围内表现为阻抗ZL。

为了实现与500系统的功率匹配，必须通过无源的匹配电路将

此阻抗转换为500,然后通过同轴电缆即可几乎无损失且无辐

射地将此功率从阅读器末级传送到匹配电路。

3调试与测试

3.1调试方法

电路在调试时，振荡频率可在0101Hz-500kHz内变化，

必须调整振荡频率使与LM567的载波频率实现最佳匹配，否

则将影响后续电路的解调（例如振荡频率与LM567的载波频

率相差太近时将直接影响后续频率的解调等），而单片机的

振荡频率也将影响输出波形，如果输出不是矩形波则可能影

响单片机对信号的识别，使反应时间变长或编译出错，所以

对电路调试非常重要。LM567要顺利实现相互调制与解调就

必须对其进行调试，如果发射机正在工作，而接收机不能正确译码，则应调节定时电阻R8的阻值，使其符合要求。由于LM567的振荡频率（中心频率）要求精度很高，在调节R8阻值时，应将R8电阻换为10kO多圈精密线绕电阻。此电阻每旋

转一周，电阻值变化几十欧姆，精度较高。如没有此电阻，

也可用普通微调电阻代替但调整时要仔细。若条件许可,可将频率计直接接在发射机的LM567第5脚与地之间，测其振荡中心频率，记下数值，然后再测接收机LM567第5脚频率。如果接收机中心频率（指LM567）与发射机LM567中心频率不同，调节R8电阻值，使两机音频译码器中心频率相等即可。

3.2测试数据

测试数据时测试了00?FF的全部8位编码（4位则一定没

问题），多次计算并测量了电源供给功率，对于耦合线圈的距离测试了 1?6cm范围内的数据传输，可保障5cm数据传输

稳定。测试数据列表如下。

表1测试数据列表

次数	设定值	浪小门I |次数	设定值	显示值
1	00	08 | 1	CF	CF
2	08		? ? ?	? ? ?
■

根据上述实验测量结果可以看出，此系统实现了题目要求的全部基本功能和大部分发挥功能，并有自己的特色发挥功能，性能可靠稳定。

3.3测试结果分析

3.3.3系统波形数据测试

采取自上而下的调试方法，即单独调好每一个模块，然后连成一个完整的系统，再进行总体调试。数据发送和接收信号比较，如图3所示。

H Hh H H 30 ms 5 mslOms 40 ms

亠 结束

(a)发射编码

AAAAAA/A
(c)接收线圏两端震荡信号波形为图示

(d)发送端天线振荡波形图

图3数据发送和接收信号的比较
3.3.2系统本身可能产生的误差

(1)外界干扰因素

采用无线传输有一个十分突出的弊病，即容易受到电磁

干扰及传输效果不佳的问题，由于外界高频信号，金属等很

多器件都可能对电磁波产生干扰，所以电路难免产生错误

(2)距离干扰因素

电磁场在导电介质中传播时，其场量E和H的振幅随距离的增加而按指数规律衰减。从能量的观点看，电磁波在良导体中衰减很快，把由导体表面衰减到表面的1/e（约3618%）,即在文中规定距离为5cni的原因就在于此，由距离因素产生的乱码及不可识别码也是产生错误的原因之

4程序流程图

软件编程运用单片机汇编语言，编辑软件是Keil51,给出程序流程图如图4所示。

图4程序流程图

5结语

本系统的阅读器可在6cm范围内识别应答器的有无，若有应答器在监测范围内，则给出明确的指示并读取应答器预设的4位编码，然后显示；另外，应答器部分还可以通过开关设置4位编码在阅读器识别范围内送出编码信号。同时阅读器还具有对应答器的编码进行写入的功能，由应答器接收并储存。设计中重点是保证正确率，可以从软件上增加校验码来提高无线传输的可靠率。