面向移动机器人定位应用的RFID识读器设计VIP

摘 要摘 要射频识别技术是智能化研究的新课题，在全球范围内有广泛的应用。例如我们常见的有饭卡、身份证、银行卡和公交卡等。射频读取与接收电路在高频远距离读取信号中具有重要的作用。本文所设计的RFID读卡器拟定服务于变电站智能巡检机器人。RFID读卡器主要由控制部分、射频部分和天线三部分组成。其中，在射频模块中，由于震荡器产生的信号功率较低，无法满足标签对能量的需求，需要加入功率放大电路及滤波匹配电路使其达到控制要求。而天线模块样式众多，且产品成熟，本文采用北京圆志科信公司的天线产品。鉴于125KHz无法满足机器人快速巡检中读取标签的要求，故本文采用13.56MHz的MF RC522芯片。本文设计的识读器识读距离远、识读速率快，能够满足变电站移动机器人对自身定位方面的要求。关键字：射频识别，RFID读卡器，智能巡检IAbstractAbstractRadio frequency identification technology is a new topic of intelligent research. In the global range, is widely used. In the low frequency, high frequency, ultra high frequency of each frequency band are used, card, identity card, bank card and the public transit card are more common in the us.Radio frequency reading and receiving circuit plays an important role in high frequency remote read signal. In this paper the design of RFID card reader protocol service in substation patrol robot. RFID card reader mainly consists of a control module, Radio frequency module and an antenna module three parts. Radio frequency module, because the oscillator generates the signal power is low, cannot satisfy the label on energy demand, need to join the power amplification circuit and a filter matching circuit so that it can meet the requirements. Antenna module style numerous, and the products mature, Beijing Yuanzhi Kexin company has a full set of style antenna products. For the frequency of 125KHz can not meet the requirements of read label when robot rapid inspection, so it uses 13.56MHz MF RC522 chip. The design of the card reader have the advantage of read with distance and read speed id fast. Can satisfy the requirements of the positioning itself to the substation mobile robot. Key words: Radio frequency identification, 13.56MHz, hardware middle circuitIII目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论11.1 设计的目的和意义11.2 国内外发展现状21.2.1 RFID技术发展现状21.2.2 RFID技术的移动定位应用21.3 内容安排3第二章 系统总体方案设计52.1 RFID识读系统52.2 频段选择62.3 识读器整体设计方案7第三章 硬件中间电路设计93.1 射频发射电路设计93.1.1 射频功率放大模块的设计93.1.2 滤波匹配电路模块设计133.2 射频接收电路模块的设计173.2.1 检波电路设计183.2.2 副载波调制信号放大电路设计213.2.3 信号调制电路设计23第四章 软件编程与调试254.1 识读器试验程序264.2 不同天线模块调试试验27结 论29参考文献31致 谢32附 录33第一章 绪 论第一章 绪 论 在机器人定位系统研究中，用于定位及建图的传感器仍然存在非视距问题。1.1 设计的目的和意义RFID技术为非接触式识别技术，以无线通信为基础，被看作21世纪中最受欢迎的高新技术之一。并且在近几年中逐渐成为一个应用领域的新热点，在新一轮的科技浪潮推动下，射频识别技术的发展更进一步，其应用涉及到身份识别、医疗领域、零售业等领域。RFID技术在智能机器人运动控制应用的机器人定位系统上的应用也是一个新兴热点1。智能移动机器人能在复杂的作业环境中能够做到自主组织，自主规划，且具有自适应能力的机器人。导航定位系统的研究是智能机器人研究中的极其核心部分，同时也是智能移动机器人实现智能化和自主移动的重点。机器人通过自身携带能获取信息的装置，如RFID射频识读器，获得自身所在环境的信息，实现定位。在无人干预的条件下，机器人可根据自身状态，自主规划，确定下一步的动作，完成给定任务2。我们可以将智能机器人的定位看作由两个阶段组成：建图阶段和定位阶段。在建图阶段，机器人不断收集存储样本形成样本库；在定位阶段，机器人通过计算标签期望被读取的概率与当前的标签向量的匹配度，得到机器人的位姿。因为RFID标签可以存储信息，可先把位姿信息存放在标签中，把RFID读卡器放在机器人底部，来实现机器人的高精度定位3。 本文设计的RFID识读器拟定服务于鲁能智能技术有限公司的变电站智能巡检机器人。该公司已成功将RFID技术运用于变电站机器人定位系统中，并投入生产运行。但因RFID识读器读取距离较短，在机器人高速运行下会出现漏检的情况，限制了机器人的移动速度。为解决该问题，本文意设计出读取距离更远、读取时间更短的RFID识读器4。1.2 国内外发展现状1.2.1 RFID技术发展现状在国外，RFID技术的发展相当迅速，相关的产品也非常多。同时，国际标准化组织也为其制订了相应的标准。许多国际大型公司也逐步生产了符合标准的产品。国际上，北美的美国，西欧的英、德等国家以及亚洲的日本，在RFID技术研究方面均已十分成熟。我国对该技术的研究比较晚，无法达到发达国家的水平，不过我国政府对该技术的发展相当重视。我国十分重视这项技术的发展，先后制定了很多相关的课题，一些重大课题在近几年得到实施，这对于我国的RFID技术发展有很大帮助。我国自行制订了技术规范，对今后的发展具有决定性的意义。并且我国不少企业在RFID系统集成技术的研究方面已有相当高的成就，在设计方面已能自主设计5。1.2.2 RFID技术的移动定位应用 当机器人处于运动状态时，对自身的定位是一个重要的问题，机器人定位是机器人根据数据库中给定的环境地图信息，结合机器人自身的位姿情况及所携带的传感器所传出的各种观测信息，经过一定的处理，得到更为准确的定位估计。对使用传感器来感知信息来实现定位，是移动机器人实现智能控制的一项重要的前提6。机器人定位时一般使用自身装载的传感器定位。大致分为两类：绝对定位技术和相对定位技术。1 定位技术主要有导航信标、主动或被动标识、地图匹配或卫星导航技术等，这几种方法中，导航信标或着标识牌识别技术在建设时以及后期维护所消耗的成本较高，地图匹配处理速度慢，GPS 应用范围较窄，只能在室外使用，且变电站强磁环境下很难接收信号。2 相对定位技术即是机器人通过测量自身末位置与初始位置之间的相对距离以及相对方向，经过处理计算，确定机器人的位置。相对定位优点是机器人不需要感知外界所在环境的信息，便可以自我推算出当前的位置，不过缺点也比较明显，随着时间的积累，定位系统的漂移误差会越来越大，所以不能够做到精确的定位。绝对定位可以通过传感器感知所在环境信息，然后经过相对应的算法处理，计算出机器人当前的坐标，在固定区域内，相对精度要高7。现在，RFID 技术在现实社会中有了很好的发展，特别是在民用领域，汽车生产线、现代化楼宇、现代化导航机器人等，产品的到不断改善。以变电站巡检机器人为例，图1-1为机器人巡检示意图。 图1-1巡检机器人示意图变电站内铺设有磁导航线，标签埋在预定的线路上，机器人按既定路线行走，当路过标签时，读取标签内的信息，并反馈给后台系统，如此便可确定机器人所在位置。1.3 内容安排本课题的主要工作是以移动机器人定位的特殊需求为导向，在了解国内外RFID技术研究进展和发展方法的基础上，研究RFID系统用的常用标准和基本原理，设计一种定位精度高、识别距离远、读取速度快、能够满足移动机器人定位要求的RFID识读器。本论文章节安排如下：第1章 主要是介绍了本次设计的目的意义，以及现在国内外在RFID技术在移动机器人应用上的发展状况。第2章 简要介绍了本次设计的RFID识读器所要面对的应用对象“变电站设备巡检机器人”，并着重对频段给出分析，确定设计方案。第3章 主要对远距离射频读卡器的硬件中间件电路进行原理阐述并设计，确定适当的功率放大电路和射频接收电路模块。第4章 主要设计软件程序及调试试验。程序主要包括：系统设置、读卡操作、上位机通信等，并对识读器识读距离不同的影响因素进行实验。最后，总结本次设计，得出结论。并对RFID技术在移动机器人相关产品上的应用做出了展望，及本文的创新点以及突破点。- 33 -第二章 系统总体方案设计第二章 系统总体方案设计利用射频信号通过空间磁场耦合实现零接触接收和传递信息来达到对目标的识别以及相关数据的获取。识读过程快捷简单，无需人员参与。2.1 RFID识读系统射频识读系统主要有三部分构成，分别为识读器、数据管理系统和电子标签。射频系统的结构图如图2-1所示。 图2-1射频识别系统结构图1电子标签电子标签是我们所要识别数据的载体，在RFID识读系统中是相当重要的部分。通常为卡片状，在我们身边随处可见的有银行卡、身份证。电子标签的分类较繁杂，按照电源有无的分类，可分为有源电子标签和无源电子标签，之间的区别如表2-1所示。本设计中采用无源电子标签。无源电子标签由芯片和天线组成，其与识读器进行双向通信主要依据电感耦合原理。2识读器识读器是RFID系统的重要部分。识读器通过自身携带的天线（也有外接天线）发射调制信号给电子标签。同时，电子标签反馈回来的信号也会通过天线接收，并上传到后台的数据管理系统。识读器一般由电源模块、信号处理模块、发射模块和接收模块四部分组成。3数据管理系统RFID系统的控制系统是数据管理系统。包括所要识别物品即电子标签的数据信息。所有需要识别的数据信息都将汇总在信息数据中心。表2-1 有源标签性能和无源标签性能有源标签无源标签能量自身蓄电池电磁感应充电工作距离可达100m35m,通常2040cm存储容量可达16K字节以上通常小于128字节信号强度要求低高平均价格高低工作寿命24年长2.2 频段选择 按照工作频率可以将RFID识别系统分为低频、中频、高频三个频段，按照频率的不同，各个国家也都制定了相应的管理标准，从而使其工作领域大不相同。在表2-2中，将各个频段应用的领域和产品的特点列了出来8。读卡器与电子标签之间可以实现非接触式双向数据交换，通过天线实现射频信号的空间耦合，根据耦合方式的不同，可以分为电感式耦合和电磁耦合两种类型，如图2-2与2-3所示。 图2-2 电感耦合示意图 图2-3 电磁耦合示意图电子标签与识读器之间射频信号通信的实现类似于变压器模型，属电感耦合。电感耦合依据电磁感应定律，识读器与电子标签各自的天线当有电流经过时会产生磁场，两者耦合，实现电子标签与识读器之间的通讯。以这种耦合的方式工作的射频识别系统，一般工作在低频或者高频。典型工作频率为：125KHz和13.56MHz。系统识别距离不会太远，一般不大于1m，常见的识别距离是1020cm9,10。表2-2 各个频段的应用领域和产品特点频段系列典型频段应用领域产品特点动物识别，物品追踪和进出控制等。价格低中距离监视器长距离监视器中短距离识别、中速阅读、价格低用于工业、科学和医疗行业透视检测长距离识别，高速阅读、价格贵用于特定场合电磁耦合多以雷达原理为模型，当电磁波发射出去，碰到所要识别目标后会反射回来，并且将该物体的信息带回。采用电磁耦合方式来工作的识别系统，多数工作频率较高，为超高频或者微波。典型工作频率是：915MHz与2.45GHz。系统识读距离较远，一般情况下要大于1m，常见的识读距离是310m11。本文所研究的识读器的识读距离要求的30cm左右，采用电感耦合方式。且低频段125K RFID识读器在机器人1m/s时能够完成精确定位（公司机器人已做过实验），但是当速度提升后，便会出现漏检状况。所以本次设计希望针对中频段13.56MHz进行识读器设计。2.3 识读器整体设计方案本次设计的识读器整体框图如图2-4所示。图2-4 识读器结构框图在射频识别系统中，识读器的作用可以理解为后台系统与电子标签之间连接工具。工作原理比较简单，就是通过无线传输技术将电子标签与读写器连接起来，实现信号的传输，在总线内，根据先后顺序有序的传输信号，做到互不干扰。采用通信接口将信号传输到下面的系统。识读器设计：控制模块、射频模块、天线模块、匹配模块等。但是要想获得更远距离读取数据，主要还在发射滤波匹配电路、接收滤波匹配电路和天线设计上，因北京圆志科信公司有各种型号的天线板，故此本次设计的重点还在硬件中间电路的信号发射和接收这两种电路上。软件设计包括：控制器初始化程序、射频配置程序、与上位机数据传输程序等。第三章 硬件中间件电路设计第三章 硬件中间电路设计在现实生活中，RFID射频读卡器技术已较为成熟，产品也广泛应用在各种行业，但普遍存在读取距离偏长或偏短的现状。而天线和硬件中间电路又是射频识读器读取距离的重点。鉴于可以外购到各种型号的天线，本章节重点介绍硬件中间电路（包括射频放大器模块、滤波匹配电路模块以及射频接收电路模块）的设计。3.1 射频发射电路设计远距离传输信号必须有足够的功率，所以要有足够的功率放大装置，基本装置包括天线、功率放大装置。电子标签同样需要有足够的电量，自带电源供电，能够接受到信号。由于输出电路部分和功率放大部分的电阻不匹配，所以必须采取一定的措施，现在最好的解决办法就是加一个信号匹配网络。一般来说天线的阻抗是50，因而需要加入一个匹配网络在射频功率放大晶体管输出端来与天线的50阻抗实现匹配。3.1.1 射频功率放大模块的设计在射频识别系统中，由高频振荡器产生高频信号，但是这种信号一般功率较小，不能满足发射机制对发射功率的要求。所以在发射前要先经过放大，来获取满足要求的信号功率。这种经过发射机制完成对信号功率放大的电路称为射频功率放大器12。1射频功率放大电路类型 （1）A类放大器射频功率放大电路可依据晶体管静态工作点的不同，分成A类、B类、C类和AB类四类。A类功率放大电路，输入信号的整个周期内放大电路都有放大作用，晶体管一直导通。即导通角（在一个信号周期内，导通角度的一半定义为导通角）； B类功率放大电路，输入信号的一个周期中只有一半时间放大电路拥有放大作用。即导通角； AB类功率放大电路，假如输入信号幅度小，放大电路为A类放大电路状态，同理，输入信号幅度较大时，放大电路为B类放大电路状态。即它的导通角在A类和B类之间； C类功率放大电路，输入信号的一个周期中只有不足一半的周期拥有放大作用，剩余时间内晶体管截止。即13。典型的A类放大电路如图3-1所示，为了最大限度地利用晶体管，输出最大功率必须设置合适的静态工作点，一般选取：（3-1） （3-2） 最适负载电阻为：（3-3）A类放大器最大输出信号电流：输出最大电压幅度为，因此最大输出功率为：（3-4）电源供给功率为。所以，集电极效率为：（3-5）图3-1 A类功率放大器电路图A类功率放大器设计效率为50%，但是为了保证信号的线性度，一般将效率降低，减小输出功率，进而效率降低。效率和输出信号大小呈负相关，信号越小效率越高，当信号非常大时，效率远远低于50%，当信号为零时，效率自然就为100%。（2）B类和AB类功率放大电路在功率放大电路的选择中，当工作频率较高（大于1GHz）时，一般选用A类的功率放大电路；当小于1GHz时，我们常使用B类或AB类。B类功率放大器的电路设计相当复杂，增加了很多滤波电路，进而效率比较高。B类功率放大电路的导通角为。控制晶体管的导通和关闭，导通输出信号为正弦波。B类放大电路通常采用两只P型双极型晶体管结合的方式，一个导通的时候，另一个正相反，同样输出正弦波，这样的结构可以使电路有足够的放大功率，同时提高了效率，降低损耗。在实际应用中我们采用A和B电路结合的办法，因为B类放大电路的两个晶体管在衔接的时候会出现一定的交越失真，我们必须消除这种现象。利用A放大电路的优势，在第一个晶体管上偏执电流，有效的避免交越失真现象。这是一种效率和功率放大效果都足够好的电路设计。电路如图3-2所示。图3-2 AB类功率放大器电路图（3）C类功率放大电路在输入信号的一个周期内，绝大部分时间C类放大电路都是处于截止状态，能过完成对输入信号高功率的功率放大，但是波形失真较为严重，所以一般要求与其匹配的选频网络需要具有较高品质因素，以降低信号谐波失真。C类的功率放大器典型电路如图3-3所示。图3-3 C类功率放大器典型电路图A类功率放大器属于线性放大器。为了获得更高的放大效率，一般采用B类或C类放大电路。因为A类功率放大电路的最大效率只有50%，B类功率放大电路的最大效率为78.5%。不过由于晶体管自身输出功率条件的限制，在实际中，使用相同晶体管，A类功率放大电路的输出效率要远远低于B类或AB类放大电路。高频信号放大时，多采用AB类或C类放大电路。AB类放大电路效率线性度较好，要优于C类放大电路，失真的可能性要低些。但是相对效率要低。本次设计采用的就是优点明显的AB类功率放大电路。2射频功率放大电路设计表3-1 射频功率放大器的参数要求工作电压24VDC输出功率10W放大器类型AB型中心频率13.55MHz信号带宽700KHz效率60%功率放大三极管的选择可先确定三极管的部分性能参数，如表3-1所示。再由现有资料选取适合的三极管，三极管性能参数可由下面三方面进行分析。（1）三极管的放大效率很大程度上受识读系统所传输信号的频率影响，三极管特征频率选取得越大，对三极管放大效率的影响越小。不过其特征频率和信号中心频率应满足公式，所以选择的三极管特征频率应满足。（2）二极管管耗应该满足如下公式：(3-6)集电极耗散功率：(3-7)三极管耗散功率。（3）对三极管的要求，应满足：(3-8)即选取三极管的。（4）对三极管的要求，应遵循下面的条件：(3-9) 所以选取三极管的。理论设计中尽可能大。但不能取得太大，毕竟原件的选取时会受限于三极管的制造结构，需要适当的减少饱和压降和引线电感14。 综上所述，在查询了大量的三极管资料的基础上，并结合考虑本次设计的实际要求情况，本次设计选用了2SD1762元件作为功率放大三极管，其指标为。3.1.2 滤波匹配电路模块设计本次设计我们在识读模块和天线模块之间加入了射频功率放大模块，以方便信号能实现最大功率传输。但与此同时，就必须能够实现他们之间阻抗的匹配，因为负载阻抗和源阻抗的不匹配，会影响数据的传输效率。故而本节设计的重点是完成两者之间的阻抗匹配。通常情况下，在识读模块和天线模块之间加入一个无源滤波匹配网络，就可以解决上述问题，实现阻抗的匹配。本次设计中的滤波匹配网络可以起到三个作用，如下所示。1阻抗变换：实现外接负载阻抗和放大器需求阻抗的匹配，确保放大器能以最大效率工作。2滤波：输出信号会混有高次谐波，为保证最大效率传输，要滤除这些高次谐波，以保证输出信号为我们所需要的基波分量。3功率最大传输：由于放大电路的前端增加了滤波电路，所以放大器基本上只对基波分量进行放大，这样就提高了整个信号传输的效率15。图3-4所示为常用的两种L型匹配网络。已知电路中的源阻抗为，负载阻抗为，电路工作频率为。图3-4（a）所示，输出阻抗应该小于负载阻抗，品质因数：(3-10)元件参数为，。图3-4（b）所示，输出阻抗应该大于负载阻抗，品质因数：(3-11)图3-4 L型网络的两种常见形式元件参数为。如果频率单一，那么L型电路就可以满足要求。并且经常会有很多种电路能够满足阻抗匹配的需要，所以我们要对它们做出分析比较，确定最佳电路，使匹配电路尽可能的拥有最佳性能指标。但是L型滤波匹配网络有一个十分明显的缺点，当负载阻抗和源阻抗的值确定之后，L型网络的品质因素也会随之确定。三元匹配网络，顾名思义，比二元匹配网络要多出一元，即一个节点，多出来的这个节点可以用来调节该电路品质因数。在这类电路中，T型网络较为常用。在使用三元匹配网络电路时，可以先根据给定的电路品质因数，选择或设计适合的匹配网络。设计一个电路，满足电路品质因数的需求，最常用的办法就是保证节点的品质因数。T型匹配电路实质上可以理解为两个L型匹配电路的结合。T型网络的模型转换图如图3-5所示。品质因素Q1与Q2决定着T型网络数据传输带宽的大小，不过以相对较大的品质因数为基准。因此，我们一般只需要设定那个较高的品质因数的值，在此，便可依据给定带宽的要求，求出此值，这么做便于对这个网络的品质因数值的设定。下面是我们要用到的一些公式，此公式在之前已编号，此处不再编号处理。当时，,当时，,图3-5 T型网络电路图型网络与T型网络两者之间的分析方法大致相同，同T型网络一样，型匹配电路也可近似看作由两个L型匹配电路构成，因此型匹配电路可分解成两个L型匹配电路，型匹配电路的典型电路转换图如下图3-6。各参数计算如下公示如下，此公式在之前已编号，此处不再编号处理。当时，,当时，,图3-6 型匹配网络本次设计选择的滤波匹配网络电路图如图3-7所示。为了滤除信号中不必要的高次谐波，充分保证基波分量实现高效率放大，减少干扰。同时也是为了使识读模块和功率放大模块及放大模块和天下模块之间更好地实现阻抗匹配。结合上述对各匹配网络的分析介绍，一个T型滤波匹配环节和两个型滤波匹配环节能更好地实现滤波，并通过逐级变换阻抗，使其阻抗匹配达到最佳效果。图3-7滤波匹配网络电路图根据T型匹配网络以及型匹配网络的计算公式，可以确定下列参数：,;,，由以上分析可确定该网络Q值为3个网络里最高的Q值，可知Q=5，这完全能够满足识读系统对带宽方面的要求。3.2 射频接收电路模块的设计命令信号由识读系统通过天线模块发送给MF 1射频标签，MF1标签在接收到命令信号后会做出相应的动作。动作信号在读卡器的天线模块接收之后，识读天线一般不能直接将动作信号送入MF RC522读写模块，而先送入射频接收电路模块，进行信号检波、信号放大、信号调制三个操作，最后再送入接收模块。射频接收电路基本框图如图3-8所示。图3-8 射频接收电路基本框图3.2.1 检波电路设计MF 1电子标签使用的是负载调制方式。在负载调制电路中，调制度会随着耦合距离的变化而发生变化，变化量较小。如果标签距读卡器较远，MF RC522识读模块就无法识别这一信号，必须进行放大，故而需要加入检波电路。天线与电子标签的无线连接信号比较弱，会掺杂很多无用的信号，所以有用的信号采集需要采用一定的措施，必须设计一种有用信号滤波电路。1检波电路的类型分析包络检波是从调幅波包络中提取调制信号的过程：先对调幅波进行整流，得到波包络变化的脉动电流，再以低通滤波器滤除去高频分量，便得到调制信号。由于普通调幅波（AM）信号包络正比于与调制信号，因此包络检波一般只是用在AM的解调。低通滤波器和非线性电路是包络检波电路的两大重要组成部分。包络检波的输入信号为振幅调制信号(3-12)为载频，为边频，两者组成频谱。其中为调制信号的频率分量，频谱中并不包括。不过载频与边频之差，就是频率分量，因而它也包含了调制信号的一些信息。要解调出原调制信号，必须在检波器中加入非线性电路，方便调幅信号经过检波器能产生我们所需要的频率分量（其中包含有所需的分量）。采用低通滤波，将无用信号滤除。同步检波电路主要抑制两种幅波：单边幅波和双边幅波。当然其他各种调幅波也可解调。另外由于单边带调幅波和双边带调幅波的包络与调制信号不同，不能简单地采用包络检波器解调，所以使用同步检波方式。2检波电路的主要技术指标检波器的主要技术指标包括电压传输系数、等效输入电阻、非线性失真系数、高频滤波系数。表3-2给出了各指标的定义。表3-2 检波电路的主要技术指标技术指标定义（为输出的直流电压，为输入高频电压的振幅）（为输入端高频脉冲电流基波分量的振幅）（、分别为输出电压中调制信号的基波和各次谐波分量的有效值）（为输出高频电压的振幅）在同样的输入下，检波器的的越大，可以得到的直流电压或低频电压输出越大，也就是检波效率越高。越大，检波器对前一级高频电压放大电路的影响越小；反之，则越大。非线性失真系数越小，检波器的非线性失真越小。高频滤波系数与滤波性能呈正比例关系。3二极管大信号包络检波电路设计中使用二极管大信号包络检波电路对信号检波，对于未调制的射频信号，二极管检波电路可以把射频信号转换为直流信号。信号振幅相对很大，可将二极管理解为在导通与截止这两种不同的状态上工作16。如下图3-9所示，为二极管大信号包络检波电路的基本原理电路与等效电路。主要由RC低通滤波器、输入回路和二极管（VD）组成。二极管（VD）可以看作为一个非线性元件。通常，在选用二极管时，考虑其导通电压与导通电阻应小一些，我们选用了锗管。图3-9二极管大信号检波电路图4检波电路元件参数的选择MF1电子标签到读写器的信号进过二极管包络检波电路检波取出副载波调制信号，可是信息失真小，信号准确性高。本系统所采用的二极管大信号包络检波电路如图3-10所示。图3-10 二极管大信号检波电路由图可看出，电容Cd在电路中起到了隔离直流的作用，检波器输出电压中的直流分量被隔离，于是最后输出信号为解调恢复后的原调制信号。电路中的各元件参数的选择如下：（1）为减少频率的失真，要求；（2）尽可能的使高频纹波小一点，要求，即，本系统将选为0.073uS。（3）检波二极管应该选用反向电阻较大，正向电阻较小，最高频率较高，结电容较小的二极管，所以选用了点接触型的锗二极管。 按照上述原则确定参数；。3.2.2 副载波调制信号放大电路设计经过检波电路解调出来的副载波调制信号，一般情况下幅度较小，读写器很难能读取到。尤其是智能巡检机器人要求的识读器能读取较远距离，解调出来的信号不容易被读写模块识读。同时这样的信号容易混有高次谐波，需要经过滤波和放大才行。1滤波电路设计本次识读器设计采用13.56MHz的工作频率。模拟滤波电路可分为带阻滤波器、低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。在理论上说，滤波器是一种无损耗元件。滤波器以谐振电路为基础，所以实现了滤波器也就是实现了相应谐振系统。该模块中使用带通滤波器做滤波，完成对上述信号的处理工作。带通滤波器的特点为：屏蔽任何非特定频段的波，可以良好地保证通信不被干扰。例如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。本节采用的带通滤波器如图3-11所示。其中心频率计算如公式：(3-13)(3-14)品质因数：(3-15)电路图3.2.4各元件数值的选择，对带通滤波器的各个参数的确定有重要作用。当确定了整个电路的设计后，各参数、也会确定下来。我们可以结合下面公式：，在由上面三个参数的数值，可以求出滤波器中电容、电阻等元件的参数值。图3-11带通滤波器电路图本次射频接收模块设计中，把带通滤波器作为基准，来完成设计滤波电路，如图3.2.4为最终设计电路图，电路中各元件的参数情况确定如下：；2信号放大电路设计在识读系统中，要首先对电子标签反馈会来的信号进行检波处理，将处理后信号送人带通滤波电路滤波。不过，由于这样处理的信号的强度弱，幅度小。无法满足射频识读模块13.56MHz读取频率的要求，因此必须经过放大电路对该信号放大。本设计中采用的是运算放大器负反馈放大电路对滤波信号放大。如图3-12所示，信号放大电路中，和组成负反馈回路。反相输入端接通滤波电路滤波处理后的信号Vi。从某种意义上，反相放大器的输出阻抗和输入阻抗都比较低，为并联电压负反馈电路。并且输出电压的确定与负载并无关系，可近似为恒压源，输出阻抗等于0。根据下面所示电路图，并结合上面的分析，选择元件参数为，。图3-12运算放大器反馈放大电路图3.2.3 信号调制电路设计从电子标签反馈回来的信号，进过检波和副载波调制信号放大处理后，信号频率要大于13.56MHz，这样是不能满足识读器对识读信号的要求的。MF RC522射频读写模块要求载波频率为13.56MHz的已调波信号作为输入信号。所以要求副载波已调波信号先经过检波和滤波放大后，还要经过信号调制电路二次调制得到所需求的信号。本电路的设计采用了二极管开关调幅电路。当有两个频率不同的信号电压作用的二极管上，进行频率变换。而其中的一个电压振幅大，另一个信号电压振幅小，那么大振幅信号电压将控制二极管的导通或截止。那么便可近似理解为二极管现在处在一个较为理想的开关状态下，这种现象可称为二极管开关状态。本设计中的二极管开关调幅电路就是利用了二极管开关状态的原理。二极管开关状态调幅电路如下图3-13所示，其中小振幅信号为：(3-16)大振幅信号为：(3-17)由上述对二极管开关状态的分析可知，二极管（VD）的导通或截止主要受到大信号的控制，在开关状态工作。图3-13二极管开关状态调幅电路图 假如LC回路的谐振频率为，频带宽度为，满足谐振的负载阻抗为,则可得回路输出电压：(3-18)式中。显然，当信号经过二极管开关状态调幅后，得到的是一个AM调幅信号。可知，标准AM波的调幅可由该调幅电路得到。从而满足MF RC522识读模块对所识读信号的要求。综合上述并结合图3-13可得选择参数值为：中心频率为，带宽选为，按照公式可确定L为0.75uH左右，电容150pF左右。第四章 软件编程与调试试验第四章 软件编程与调试软件程序方面主要对系统初始化，射频信息读取、返回上位机信息程序等几个方面重点进行实验。用到软件程序包括：Keil uVision4进行程序编写，51程序下载工具，IC卡调试工具，串口调试工具等上位机软件进行测试。选择C语言进行编程。根据识读系统的要求，识读系统软件设计包括两大部分，即射频识读程序设计与通信程序设计。射频识读程序是整个识读器的神经中枢，对识读器硬件电路所采集的信号进行分析处理，完成对电子标签的读卡操作，射频识别系统流程图如图4-1所示。通信程序则将采集到的射频信息通过通信接口传输到上位机，并对操作过程中的状态进行上报。图4-1 射频识别系统流程图4.1 识读器试验程序识读器完成读卡操作的主程序部分。完成读卡操作，串号上报，程序运行指示，读卡成功指示等功能，程序有相当可观的可移植性，适用于大部分读写器程序，并且能很容易的进行相关功能程序的扩展17。void main(void) system_init(); /系统初始化，初始化成功，程序指示灯闪烁。Bell_On(100); /上电提示：蜂鸣器鸣叫一秒。 PcdReset(); /功能：上电复位射频MF RC522,复位成功则返回0 PcdAntennaOff(); /关闭天线模块 PcdAntennaOn(); /开启天线模块M500PcdConfigISOType( A ); /设置RC522的工作方式，为TYPE APcdRequest(PICC_REQIDL,&RevBuffer2); /寻卡程序！ while ( 1 ) if (CmdValid) CmdValid = FALSE; / CmdValid=0;set_flag=0; / if(RevBuffer0=11) /为了加快相应速度 测试锋鸣器 RevBuffer2=RevBuffer1; / RevBuffer0=1; /contact RevBuffer1=0; / UART0_ISendBuf(RevBuffer, RevBuffer0+1); /发送字符串 Bell_On(RevBuffer2);/蜂鸣器鸣叫 else ICCARDCODE(); /读卡操作程序 UART0_ISendBuf(RevBuffer, RevBuffer0+1); /发送字符串 4.2 不同天线模块调试试验本次设计全部选择简洁的标签串号直接读取的程序，在标签进入到读卡器天线识读范围后，启动寻卡读卡操作，直接返回标签唯一的标识符到上位机。成功读取到标识符后，通过串口调试软件显示出标签唯一的标识符，并通过板卡上带的指示灯和蜂鸣器提示通信成功。实验1：基于不同的尺寸的天线进行实验。实验中选用不同尺寸的天线模块连接到控制射频芯片模块，通过读卡操作选取标签。指示灯闪烁同时蜂鸣器鸣叫，说明检测到标签。天线除尺寸不同外，其他方面相同，可视为非影响因素，仅考虑天线尺寸对对识读距离的影响，不同尺寸天线对比如表4-1所示。表4-1 不同尺寸天线对比天线编号天线尺寸可否读取数据最大通信距离T10165mm60mm成功90mmT104112mm110mm成功70mm板上天线70mm40mm成功70mm实验结论：天线尺寸的大小并不是越大效果越好，天线尺寸过大将导致天线的品质减弱，通频带变窄，主要影响射频信号的接收，通信质量下降，严重可能导致无法稳定完成识读过程。实验2：基于天线不同的连接方式的实验。本实验基于天线T101（65mm60mm）与射频芯片模块不同的连接方式下，运行读卡操作选取标签。指示灯闪烁同时蜂鸣器鸣叫说明检测到标签，天线尺寸不变，仅考虑不同的连接方式对识读距离影响。不同的连接方式决定了发射接收功率的改变，影响识读距离的大小，不同链接方式对比如表4-2所示。表4-2 不同连接方式对比T101天线连接类型通信距离1TX1、TX2、RX按照设计板连接90mm2TX1、RX按照设计板连接，TX2闲置60mm3TX2、RX按照设计板连接，TX1闲置40mm4RX按照设计板连接，TX1、TX2互换87mm5RX、TX2互换，TX1闲置40mm6RX、TX2互换，TX1按照设计板连接无法完成通信实验结论：实验中1，4两种情况通信距离相差不大，表明只要匹配恰当，TX1/TX2可以互换，其发射功率没太大影响；2，3两种情况通信距离明显缩短，表明单发射天线的发射功率明显下降，发射功率是影响通信距离的一个重要因素；5，6两种情况说明，发射和接收信号必须是独立的，天线的串用将导致通信混乱，无法完成通信18。结 论结 论本次设计结论主要在就硬件软件的设计基础上，对相关的设备进行不同的试验得到的，由于前期调研没预想到整个系统庞大的工作量，所以在总体电路设计上未能尽善尽美。本次论文主要在以下几方面进行了工作：1综合了国内外机器人发展的经验，再根据本人能力，完成了本次设计。2对基于电感耦合原理的射频识别系统的物理基础进行了深入分析，采用变压器的模型来等效阅读器和标签之间的联系，简要描述了相关参数的意义和计算方式。3对射频放大电路、滤波匹配电路、检波电路等硬件中间件电路模块设计，并对识读器系统进行完整的硬件设计，包括原理图，板卡图等。4，最后通过对识读器与电子标签的操作功能分析，设计了系统读卡操作程序、上位机通信程序。实验证明，本次设计能非常完整的完成读写器的各种功能，并精简了读写器的程序，完成读取标识符直接上报上位机这一独特功能。本文的创新点选用NXP公司多端口选择的射频芯片MF RC522，在高频读卡器电路中加入中间电路，使系统通信时间大幅减短;完成适用于移动机器人定位