基于RF前端芯片EM4095的RFID阅读器设计

1、基于 前端芯片 的阅读器设计 曾庆远 , 刘镰斧 电子科技大学通信与信息工程学院 卿 访 明 , 面 摘要本论文主要介绍基于 之的射频前端芯片 的阅读器系统的设计 , 包括收发天线设计 、 射频前端芯片的驱动电路 、 的调试 、 相关的数据传输及编解 码算法 、 嵌入式平台下的实际应用测试等内容 关键词 灯 、 天线 、 驱动电路 、 数据传输 、 编解码 , 九 比币血 , , 访目川助访 明 , 面 州 , 川透 , 由 , 加 , 份叻 , 七习 , 即 兹比切口 好 , 仁 , 引言 无线射频识别技术 , 是一种非接触的自动识别技术 , 其基本原理是利用射频信号和空间祸合电感或电磁藕合

2、或雷达反射的传输特性 , 实现对被识别 物体的自动识别 。 系统至少包含电子标签和阅读器两部分 。 阅读器读写器通过天线与功电子标 签进行无线通信 , 可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作 。 典型的阅读器包含有高频 模块 发送器和接收器 、 控制单元以及阅读器天线 。 根据工作的核心频率的不同 , 系统被分为低频 、 高频 、 超高频以及微 波这几个种类 。 本文研究的的阅读器属于低频类 。 低频系统的特点是成本低 、 数据量少 、 阅读距离短无源情况下的典型距离为 、 天线方向性不强等 。 而 由于成本和技术 成熟性的问题 , 目前频段在实际中的应用是最为广泛的 , 市场占有率在

3、所有的各种频段中达到 。 目前应用中的频段的标准为和 。 因此 , 如何设计一套完整可 靠并且能达到实际应用标准的阅读器来识别这些标签 , 是很多工程和应用中都很可能会遇到的问 题 。 本文提供一种以公司的前端芯片为基础的阅读器设计思 路和解决方案 。 低频灯阅读器工作原理和的基本介绍 低频阅读器工作原理 一个完整的功阅读器系统 , 需要至少包括射频模块阳和控制模块两个部分来实现对射 频标签的读写和与外部系统的接口 。 射频模块的功能是产生高频发射功率 , 启动应答器并为它提供能量对发射信号进行调制 , 用 于将数据传送给应答器接受并借条来自应答器的高频信号 。 对于发送部分 , 首先有频率稳

4、定的石 英晶体振荡器产生所需的工作频率 , 振荡器信号被馈送到有信号编码的基带信号控制调制器 。 对输 入的数据进行或的调制 , 变为 、 或码 。 同时发送部分将此基带 信号送到频率合成器 , 经过功率放大输出使调制后的信号达到所需电平 , 祸合到震荡线圈输出接 收端采用隔开的信号信道接受震荡线圈上收到的微弱信号 , 将其放大 、 滤波除杂波 , 经过混频提取 出基带信号 , 然后经过或解调后可以得到来自应答器的信号 。 射频模块工作如图所示 图射频模块收发框图 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的祸合类型有两种 。 电感锅合变压器模型 , 通过空间高频交变磁场实现祸合 , 依据的是电磁感

5、应定律 电磁反向散射藕合雷达原理模型 , 发射出去的电磁波 , 碰到目标后反射 , 同时带回目标的 信息 , 依据的是电磁波的空间传播规律 电感藕合方式一般适合于中 、 低频工作的近距离射频识别系统 。 典型的工作频率有妞 、 和 。 识别作用距离小于 , 典型作用距离为 。 本文所介绍的的 系统 , 采用的就是电感祸合的方式 。 控制模块的功能主要是控制与应答器的通信 、 信号的编码与解码 、 数据的校验 、 加密解密 。 阅 读器一般都用微处理器为核心部件 , 地址总线与数据总线控制和读写寄存器 、 储存器的内容 。 同时 采用各种接口与外部计算机等系统连接 一个典型的控制模块如图所示 数

6、据抽入 图控制模块原理框图 阴的基本介绍 是 以公司开发的一款集成的应用于频率的 系统的收发前端芯片 , 其工作电压为 , 主要完成的工作是 载波频率的天线驱动 对发送的数据进行姗调制送到天线上发送出去 解调天线上感应到的调制信号 在这里设计的阅读器系统中 , 属于射频模块的部分 , 并由其来实现射频模块收发 的主要功能 。 针对 , 需要完成其适配的天线和驱动电路的设计 , 其基本的外部连接如图所示 酬酬酬酬酬酬 一一。 上 图基本外部电路连接示意 天线设计 天线的指标和参数设定 通常 , 对于某一频率的信号 , 天线的特性由其电感量和值来确定 。 对于 , 我们这里设 定其工作频率在 。

7、则对应的天线的电感 、 值和谐振频率的关系由公式和给出 。 二认 瓦万 石 , 几盯 叮 。 肠 必 这样通过调整天线线圈的电感量 , 和其谐振电路中的电容的值 , 其中电感量 由天线本身决定 , 可通过调整天线的面积和匝数来控制 , 和直接刻画在电路板上两种 , 本节后面将具体介绍方法 。 而电容 。的值 , 由图中的 “ 、 ,和 来计算得出 , 来匹配其谐振频率在欢 。 具体的做法分为用漆包线绕制 如公式 演砧 讹 其中 , 和关系到调制中当线圈上信号峰峰值一定时 , 引脚上的信 号的峰峰值 。 需要根据公式调整这个值在和 一 之间 , 同时为了获得高的灵 敏度 , 所以在为的情况下 ,

8、 和的电容值的比一般在 。 价 材。叩 凡 刀乃, 这样 , 定下和后 , 再调整 “来满足对 。的要求即可 。 而对于天线的电阻值 , 除了线圈本身的电阻外 , 可 以通过串联入电阻的方式来调整 。 外置式绕制的天线 用漆包线来绕制天线线圈时 , 其电感量由公式计算得出 。 、 。 。 琴 “ 、 为天线线圈的匝数 。为磁导率 , 为天线线圈的等效半径为漆包线的直径 。 本文采用 的矩形线圈 , 绕制匝 , 得到天线的电感量为 。 这样 , 带入到公式中 就可计算出的值 , 从而从公式和中找出具体的凸“ 、 ,和 的值 。 电路板天线 对于川频率的天线来讲 , 其祸合方式为电感祸合 , 所以

9、在电路板上制作天线时也需 考虑使其具有足够的电感量线圈的绕制是螺旋形的方式 , 根据对电感量的要求和线圈的面积 , 来 确定电路板的层数 , 并在各层上以保持使每层中电流方向相同为前提来制作线圈 , 如图所示 户户口口口 如如 图天线 其电感计算公式为 肠 ,一 认瓦 万百 , 其中 , 和分别为线圈的内径和外径 , 为电路板各层上的线圈总匝数 。 驱动及控制电路 电路原理图 所有驱动和控制信号的电路连接如图所示 厂厂, ,口口 下下 七 口口 可二 二 一下 下下 门门 厂厂厂口口门门 一一 门门 甘甘口 口阴阴, , ,厂 厂口口口口 厂厂 , , 曰曰厂厂门门 , , , 门门口口 一一

10、一 卜 卜 门门门门门门 门门 口口氏氏口口口口口口口口口 口口门门曰曰比日门门口口曲 曲口 口口口 门门门门自自 ,鲜鲜 一一 “门 门口口阅阅 比幻幻曰曰门门月月曰曰 一一 门门 以 白, , 伪伪 口口口口门门 门门门门 卜娜娜 下一一 门门才才门门尸尸尸门门 口口 广广 吩 妞叭 孟钾甲乙 乙 口口门门 侧阮 , , , , 口口 厂厂厂广广门门 目必承承 厂厂 门门门门 厂厂 厂口口一 一厂 厂厂月月 团团团团厂厂八八匕匕口口口口刁二二厂厂 一一门 门 俪俪厂厂门门门门 二二 加加胆 口口厂厂厂厂厂厂厂 【厂厂口口尸尸匕匕 口口 县 口口 乍乍 冲冲口二二门门厂厂厂 【 刁下下厂厂

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12、垃口 口 护 八, 明 口口【丁口口 于于 一户户口口口口口 口 刀 二甲目 目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目 心 , ,口 口口口口 , 孟 以 曰曰口口口口 卜七七自 自口口门门门 】厄, , 门门门 口口曰曰 而一 一曰 曰口口口口口口 飞飞 , , 、 口口 , 厂厂 乙乙 门门门口门门 , , 庄庄 口口 厂厂门门门 令令 门门 耳 一一 厂厂厂厂口口 中 四四四四四目目卜华 , ,上 厂厂厂厂口 刀刀万 万厂厂 一一一习 习 广广厂厂厂厂 门门 , , 门门 仁 厂厂 口 一一 一一 图驱动及控制电路 图中各电阻电容的值就是按

13、照实际天线电感电阻和公式来计算得出的 , 可供参考 驱动及控制信号详解 引脚为输出脚 , 输出信号为感应到线圈上的信号后经过解调后得出的曼彻 斯特编码信号 。 将之接收并解码校验后可得到读出的标签的值 。 上的信号为从天线线圈上提取出的经过谐振后的时钟频率 , 应该在左 右 。 为休眠控制信号 , 当为这个脚输入高电平时 , 将被强制进入休眠状态 , 天线线圈上 没有电流 , 目的是保护芯片和节省能源 。 当需要读写标签的时候才将这个脚的电平拉低从而给线圈 加点 。 而为了节能和保护电路 , 即使是预备要读写操作时也不能持续的给线圈加电 , 而是周期性的 拉低的电平 , 只要低电平的一个持续周

14、期足够一次读写操作的完成即可本文设计的加电控制 的信号为以为周期 , 每个周期里面 , 线圈处于加电状态的时间设为 , 在微处理器中 可以使用定时器来达到这个功能 。 本文基于双 芯片为处理器来实现侧试和应用 。 为 读写模式控制信号 , 当切换读写操作时要通过改变这个脚上的电平来实现 。 这些信号中 , 和为输入信号 , 相应的连接的明 的 口设置成输出口 。 而印 为输出信号 , 在上用一个 口设置成中断方式来获取输出波形的信息 , 第节将介绍详细 做法为时钟信号 , 接入芯片的一个外部时钟输入口 , 这样 , 在对 口的信号进行 采集和解码时就以这个时钟为同步的标准 。 软件设计 对于

15、, 和的简单输入输出 , 在不同的嵌入式平台 , 有比较简单和通用的处理方法 , 这里就不做赘述了 。 下面详细介绍一下对于从哪 口输出的所读标签的信息的接收和解码校验 等的处理方法 。 对于 输出的波形 , 用一个设置为中断方式的 口来获取 。 具体方法是以从 口 上得到的时钟为基准 , 来记录甜上的脉宽设置 口中断为上升沿触发方式 , 当波形中的 上升沿触发了这个中断后 , 记录当时的时间点并改触发方式为下降沿触发 , 然后清中断继续接收波 形 , 当波形中这一个上升脉冲结束来到下降沿的时候 , 就触发中断 , 同样记录当时的时间点并改变 触发方式 。 这样 , 用后记录的时间点减去前一个

16、时间点就可以得到这个脉冲的宽度 。 持续这一个过 程 , 就可以记录下 口上全部的输出波形的信息 一段实际采集的波形如图所示 图实际采集的输出波形 本文所测试的标签为某服装公司物流中应用的 功标签 , 其编码方式为编码 , 如 图所示 叫 场 叮 创 、,。,。,。,。 巫牙一一一 一 七 一丁门一 【一一 窝 表翔门 门 厂曰飞了七厂飞一门一飞飞一几丁一 吕创。们 。的。 一马, 矿 一 口 川 图恤编码示意 按照标签的编码方式 , 一段正确的数据应包含 种宽度的脉冲 , 宽脉冲在源码跳变于 , 之 间时产生根据的数据率和其的时钟 , 知一个宽脉冲因该在个时钟周期的长 度左右 , 而窄脉冲大

17、概在个时钟周期根据这些信息来设置门限 , 就可以筛选出有效的一段波 形来进行下一步解码和校验的处理 。 按照上述的方法采集到的一段波形的长度信息并记录在数组中 , 如图所示 图获取的波形脉宽记录 利用这个数组里的数据 , 就可以还原出 阴上的波形 。 具体的数据采集和解码流程如图所示 图数据采集及解码流程图 频段标签的数据构成的依据是 八 协议 , 其对标签的数据构成规定如下 个位的数据头用于识别数据流的开始个位的码组成个位 的码组组成位功号每个码组的后面都加上一个校验和 , 防止数据头重复出现个位的码 为全则其校验和为 。 再加个位的所有号的对应列位的校验和码结构如图所示 图接收数据的组织结构 按照这个数据结构来