基于ATMEGA64L的RFID讀卡器設計

　　針對500W天線阻抗進行EMC濾波電路的仿真：

　　① 設定特性阻抗Z。=500W，輸入信號頻率為13.56MHz;

　?、?令負載ZL=500W+0.00jW，確定起始點1;

　　③ 在ZL上并聯電容C0，得到點2;

　　④ 再在C0上串聯電感L0，得到點3;

　　應使點3位于15W匹配點，若點3 不能精確位于該點，則應微調各元件參數。由圓圖的直觀性，該調整不難實現。由此，得到如圖5(a)所示的阻抗圓圖。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時，可以推算出1、3點間的等效阻抗為15.24+j 0.00W，接近于負載阻抗15Ω，這表明了我們所設計的元件參數是正確的。其誤差源于元件不可能無限精確。

　　(a)

　　(b)

　　圖5 EMC濾波電路Smith圓圖

　　由此，得到如圖5(b)所示的阻抗圓圖。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH時，可以推算出1、3點間的等效阻抗為500.42+j 50.47歐姆，接近于天線阻抗500歐姆，這表明了前面我們所設計的元件參數是正確的。

　　天線匹配電路設計

　　天線本身是一個低電阻的器件，將天線連接到TRH031M需要一個匹配電路。設計天線的匹配電路有兩種方法：50W匹配天線和使用直接匹配的天線配置。在本設計中采用直接匹配的天線配置。

　　計算天線線圈的電感

　　精確計算天線線圈的電感值在實踐上非常困難的，通常用下面的公式估算：

　　L[nH]=2×L[cm]×(ln(L[mm] / D[mm]-k)) (1)

　　其中L為天線線圈一圈的長度，N為天線線圈圈數，一般為3圈，D為天線線圈直徑或導體的寬度，P為由天線線圈的技術而定的N的指數因子(見表2)。

　　線圈電阻的估算

　　沒有阻抗分析儀的首次天線調諧的估算可以用下面的公式：

　　RANT=5RDC (2)

　　為了給RFID卡提供足夠的能量，天線與卡片間必須實現緊耦合，耦合系數最少為0.3(耦合系數為0時，即由于距離太遠或磁屏蔽導致完全去耦，耦合系數為1即全耦合)。因此天線線圈采用直徑為1mm的導線，設計為三圈的76mm×49mm長方形天線。此時，天線線圈產生的電感，由公式1可計算出天線線圈的電感值約為L=1.7mH。天線電阻R=1.4W。

　　由于每塊不同的天線電路板實際的天線線圈電感值總是會稍有差異，在實際的PCB設計時，天線匹配網絡的元件的設計過程按照圖6進行調整。諧振電容由固定電容=150pF和可調電容CV2代替。通過調整可調電容CV2來使得天線的振蕩頻率為13.35MHz，通過調節C1使得天線的阻抗為500W，通過調整可調電容將每塊天線板的讀寫距離調整到最佳。

　　圖6天線匹配電路調整過程

　　天線匹配網絡仿真步驟如下：

　　① 設定特性阻抗Z。=500 W，輸入信號頻率為13.56MHz;

　　② 令負載ZL=0.00W+0.00jW，確定起始點1;

　?、?在ZL上串聯電阻Rcoil=0.7W，得到點2;

　?、?再在Rcoil上串聯電感L=0.85mH，得到點3;

　?、?再并聯電容C2，得到點4;

　?、?最后再串聯電容C1，得到點5。

　　圖7 天線匹配網絡電路的Smith圓圖

　　由此，得到如圖7所示的阻抗圓圖。圖中設Rcoil為0.7W，L為0.85微亨，這樣天線就由Rcoil和L來等效代替。由Smith Chart得到C2=163pF ， C1 =15pF，由此可以推算出1、5點間的等效阻抗為247.79+j11W，接近于對稱天線的一半阻抗250W。

　　通過仿真得到的結果與筆者設計的元件參數基本一致，這說明了所設計的天線電路是正確的。

　　結語

　　基于ISO/IEC 15693標準，設計了基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M讀卡芯片工作頻率為13.56MHZ的RFID讀寫器系統。設計并實現了基于 RFID技術的物流系統的軟硬件原型，經過實際使用證明，系統的總體方案設計可行，其主要功能基本得以實現，達到了系統的性能指標：設計的讀卡器系統對無源的15693協議的卡片的識別作用距離可達7.5cm。同時該系統能對ISO15693協議的卡片進行讀寫操作。系統運行正確，顯示準確，使用方便，具有較強的抗干擾性能。