一種基于耦合線圈的射頻識別裝置設計

　　摘要 設計了基于耦合線圈的射頻識別裝置。系統由閱讀器與應答器兩部分組成：閱讀器采用PT2272、耦合線圈、發光二極管;應答器采用PT2262、耦合線圈、撥碼開關等。閱讀器采用單電源供電，應答器能量則全部來自耦合線圈;無線數據傳輸采用異步串口通信與負載調制等方法實現。閱讀器可識別靠近的應答器并顯示識別結果，識別距離≥10 cm，顯示正確率≥95%，響應時間≤1 s。

　　射頻識別技術(Radio Frequency Identification Technology，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，其通過射頻信號自動識別目標并獲取相關數據。基本的RFID系統由3部分組成：應答器、閱讀器和天線。RFID技術近年來發展較快，已成為物聯網技術的重要一環。本文探討中低頻RFID系統的工作原理，并通過實驗的方式進行了驗證。

　　本裝置的主要目的是將應答器部分儲存的信息通過應答器端的耦合線圈傳遞到閱讀器端的耦合線圈，再由閱讀器讀出存儲信息。應答器采用線圈耦合無線供電，耦合線圈一方面傳遞信息，另一方面也充當應答器的能量源。考慮到低功耗設計，功率放大器的效率必須較高，同時數據傳輸的調制、編碼等需盡可能地簡單且低功耗，此外還需保證閱讀器的識別靈敏度。

　　1 系統總體方案

　　系統設計框圖如圖1和圖2所示。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;閱讀器通過耦合線圈接收信號再交給解碼芯片解碼輸出應答器卡號，并由發光二極管顯示。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整流和穩壓后送入發射機為其提供能量。采用幅移鍵控(ASK)，即負載調制，其調制解調電路簡單，且功耗較低。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 閱讀器部分設計

　　采用晶振和非門的簡單振蕩電路，使晶振工作在其的并聯諧振模式，該電路如圖3所示。為了推動后級的丙類功放，要求前級有一定的電流和功率驅動能力，若插入中間放大器會增加額外的功率損耗，使效率降低，同時也增加了電路各級之間匹配的復雜程度，故采用兩個非門并聯的方式以增加驅動能力。

　　非線性丙類功率放大器的電流導通角<90°，效率可達80%，通常作為發射機末級功放以獲得較大的輸出功率和較高的效率。為了不失真地放大信號，其負載必須是LC諧振回路。當放大器的輸入信號為正弦波時，集電極的輸出電流為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓和電流。

　　由前面載波產生電路可知產生的信號有一定的驅動能力，可直接接入后極的功放進行放大。為了便于后級匹配，將集電極饋電線圈兼作諧振回路，以抵消輸出電容的影響，其功放電路如圖4所示。

　　通過二極管的單向導通性及電容的充放電效應進行峰值檢波。二極管選擇檢波二極管，其主要是利用檢波二極管的結電容小，工作頻率高及方向電流小的特點。包絡檢波后的輸出為不規則的波形，且其峰值小，不便于檢波芯片的處理，故采用放大比較電路，再通過非門整形后將信號處理為二進制碼型以便于解碼器的解碼。其電路如圖5所示。

　　對輸出匹配網絡的主要要求包括：高效率的傳送能量、濾除高次諧波分量和阻抗變換3個方面，在設計匹配網絡時應綜合考慮這3方面的要求。設計采用倒L型濾波型匹配網絡進行設計，由于LC元件損耗功率微小，可高效地傳輸功率。同時，由于其對頻率的選擇作用，決定了該種電路的窄帶性質。設計電路如圖6所示。

　　采用PT2262和PT2272進行編解碼。PT2262最多可有6位(D0-D5)數據端管腳，設定的地址碼和數據碼從17腳串行輸出，編碼芯片PT2262發出的編碼信號由地址碼、數據碼和同步碼組成一個完整的碼字，地址碼和數據碼均使用寬度不同的脈沖來表示，兩個窄脈沖表示“0”;兩個寬脈沖表示“1”。在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數據碼，此時PT2262和PT2272的第1～8腳為地址設定腳，有3種狀態可供選擇：懸空、接正電源、接地狀態，3*為6 561，所以地址編碼不重復度為6 561組，只有發射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用。解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，以確認是否接受正確。與此同時相應的數據腳也輸出與PT2262相對應的電平信號，即一旦地址匹配，PT2262與PT2272所有引腳的電平均相同。PT2262將數據位設置的并行數據以一定的電平方式串行輸出，控制應答器部分的負載變化，以達到負載調制的作用。而通過負載調制并通過耦合線圈反饋到應答部分的信號，經包絡檢波及處理后為較規則的高低電平信號，PT2272可直接對其進行解碼。編碼電路如圖7所示，解碼電路如圖8所示。兩個芯片的振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會變近甚至無法接收。

　　2.2 應答器部分電路設計

　　采用基本的二極管搭建橋式全波整流電路，以獲取足夠高的電壓供給后級使用。其電路如圖9所示。