基于RFID的瓦斯鋼瓶信息讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)

文章出處：http:// 作者：曾寶國(guó) 曾 妍   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月14日

    1 引言

    城市出租車和無(wú)三通地區(qū)家庭使用液化氣時(shí)，一般采用可重復(fù)利用的瓦斯鋼瓶罐裝形式，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低且維護(hù)方便，但長(zhǎng)期使用而致使鋼瓶老化卻是安全隱患之一。對(duì)于鋼瓶是否超期使用， 目前一般采用在鋼瓶上打刻出廠時(shí)間的方式來(lái)計(jì)算，但檢測(cè)時(shí)效率低， 同時(shí)也不方便在瓶體上登記或修改其儲(chǔ)運(yùn)信息。本文研究討論的基于射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的瓦斯鋼瓶信息讀寫(xiě)系統(tǒng)，可先將鋼瓶信息寫(xiě)入電子標(biāo)簽并附著在鋼瓶?jī)?nèi)，在使用過(guò)程中能通過(guò)鋼瓶信息讀寫(xiě)器快速檢測(cè)和修改電子標(biāo)簽的使用及儲(chǔ)運(yùn)信息，可籍此判斷鋼瓶是否超期使用。

    2 讀寫(xiě)器的基本組成

    由于電子標(biāo)簽需加裝在瓦斯鋼瓶上， 可選用13．56MHz頻段 RFID系統(tǒng)以滿足金屬環(huán)境下的應(yīng)用要求。信息讀寫(xiě)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由控制中心(上位機(jī))、通信接口電路、單片機(jī)控制模塊、終端I／O設(shè)備、射頻收發(fā)模塊及天線、電子標(biāo)簽等六部分構(gòu)成，其中后五部分構(gòu)成了讀寫(xiě)器。主控中心通過(guò)通信接口電路與單片機(jī)控制控制模塊連接， 向控制模塊發(fā)送讀／寫(xiě)標(biāo)簽命令并接收來(lái)自控制模塊的數(shù)據(jù)與操作報(bào)告；終端I／O設(shè)備用于終端顯示讀取信息和維護(hù)人員控制操作；單片機(jī)控制模塊與射頻模塊相連，在控制模塊上運(yùn)行的主程序根據(jù)具體情況控制射頻模塊操作。射頻模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后通過(guò)天線發(fā)送至電子標(biāo)簽，接收來(lái)自電子標(biāo)簽的返回信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)，反向送回控制模塊進(jìn)行后續(xù)處理。 

圖1 基于RFID的瓦斯鋼瓶信息檢測(cè)系統(tǒng)的組成

    讀寫(xiě)器的射頻收發(fā)模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)制、解調(diào)及收發(fā)信號(hào)，本系統(tǒng)采用 RFID 專用無(wú)線基站芯片 MLX90121 作為電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的接口。控制模塊采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、終端I／O設(shè)備控制以及通過(guò) RS232 接口完成與控制中心的數(shù)據(jù)通信。電子標(biāo)簽采用復(fù)旦大學(xué)研制的 FM11RF08 無(wú)源可讀寫(xiě)標(biāo)簽，使用時(shí)可根據(jù)用戶要求通過(guò)讀寫(xiě)器將相關(guān)信息寫(xiě)入標(biāo)簽。當(dāng)進(jìn)入讀寫(xiě)器的工作范圍內(nèi)時(shí)，標(biāo)簽將被激活，讀寫(xiě)器發(fā)送讀數(shù)據(jù)給標(biāo)簽，標(biāo)簽根據(jù)接收到的讀數(shù)據(jù)信號(hào)將存儲(chǔ)單元中指定的數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)送至讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器再將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò) RS232 接口送回控制中心；若需要修改標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，可由讀寫(xiě)器發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào)給標(biāo)簽，標(biāo)簽收到數(shù)據(jù)后自動(dòng)修改內(nèi)存數(shù)據(jù)。

    3 硬件設(shè)計(jì)

    3．1射頻收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)

    MLX90121 兼容多種傳輸協(xié)議(如IS014443、IS015693等)，工作頻率為13．56MHz。MLX90121的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要特性包括發(fā)射模式下用戶可調(diào)整射頻信號(hào)的調(diào)制度(通過(guò)調(diào)節(jié)RMOD實(shí)現(xiàn))，接收模式下可解調(diào)單載波 ASK、FSK 或PSK 射頻已調(diào)信號(hào)。 

圖2 MLX90121內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

    接收部分由二極管包絡(luò)檢波器、IF濾波器、功率放大器PA和數(shù)字解調(diào)四部分組成。發(fā)射部分的數(shù)據(jù)由 DIN 引腳輸入，經(jīng)數(shù)據(jù)編碼后在 PA中與晶體振蕩器輸入的單載波實(shí)現(xiàn)相應(yīng)調(diào)制放大，由Tx引腳發(fā)射出去。發(fā)射器可采用外置功放，在5V32作電壓下能為5歐姆負(fù)載提供高達(dá)250mW 的輸出功率，能適用于絕大多數(shù)中短距離場(chǎng)合。簡(jiǎn)化天線和匹配網(wǎng)絡(luò)后，可用于手持式應(yīng)用場(chǎng)合，但需要付出減少閱讀距離的代價(jià)。 

圖3發(fā)射模塊電路原理圖

    以 MLX90121 為核心構(gòu)成的發(fā)射模塊電路如圖3所示。發(fā)射時(shí)，射頻信號(hào)由 TX 引腳輸出，經(jīng) L3C3 選頻濾波后， 由C2耦合到L1、L2、CV1組成的T型天線濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，由天線發(fā)射出去。接收時(shí)，天線感生的射頻已調(diào)信號(hào)直接經(jīng)限流電阻R1(也可用相應(yīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)代替)送到RX引腳，由芯片內(nèi)部電路進(jìn)行后續(xù)處理。 

    發(fā)射電路中的L3、C3組成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率為13．56MHz，對(duì)MLX90121產(chǎn)生的射頻讀寫(xiě)命令信號(hào)起到選頻濾波的作用。L3為高頻扼流圈，C3為47pF的高頻耦合瓷片電容，用于隔離漏極Lc回路的直流電壓并傳遞交流能量到下一級(jí)電路。C3的選擇應(yīng)足夠大以保護(hù)芯片，但需保證L3C3諧振丁13．56MHz。R2為調(diào)制度調(diào)節(jié)電阻，其阻值直接影響到發(fā)射輸出射頻信號(hào)的調(diào)制深度，這里選用10Q電阻。C7、C8、13．5BMHz晶體諧振器和芯片內(nèi)部電路構(gòu)成晶體振蕩器。XBUF引腳輸出13．56MHz或其2分頻后的信號(hào)，可供單片機(jī)作時(shí)鐘信號(hào)。

    為了與電子標(biāo)簽 FM11RF08 進(jìn)行通信，必須為讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)射頻收發(fā)天線。同時(shí)為了為 FM11RF08 提供足夠工作能量，所設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)器天線必須考慮到是否能產(chǎn)生足夠大的磁通量，是否能提供足夠的帶寬以無(wú)失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)，是否能做到功率匹配以最大程度地利用磁通量的可用能量等三個(gè)問(wèn)題。本文采用在PCB板上用導(dǎo)線繞制成矩形線圈的方式制作天線，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。環(huán)繞的導(dǎo)線線寬為45mil(1．143mm)，矩形長(zhǎng)寬分別為60mm。PCB 板設(shè)計(jì)成4層結(jié)構(gòu)，頂層和底層布有不閉合的屏蔽環(huán)，天線線圈布在 PCB 板的第二層，同時(shí)在天線線圈中設(shè)置一個(gè)連接至地的中心抽頭并布在第三層。該設(shè)計(jì)能較好地吸收天線線圈PCB本身產(chǎn)生的電場(chǎng)， 改良天線的 EMC 性能。 

圖4矩形天線結(jié)構(gòu)圖

    3．2控制模塊及通信接口電路設(shè)計(jì)

    微控制器 AT89S52 負(fù)責(zé)啟動(dòng) MLX90121 并接收其解調(diào)出的編碼數(shù)據(jù)。MLX90121的DSYNC端接P2．0，輸出收發(fā)同步時(shí)鐘信號(hào)；DOUTD 接P2．2，用于將所讀數(shù)據(jù)送回單片機(jī)處理模塊；RTB接P2．2，若此引腳為高電平，則表明MLX90121處于接收數(shù)據(jù)模式，否則為發(fā)射數(shù)據(jù)模式。

    AT89S52 單片機(jī)除了控制MLX90121芯片工作外，還擔(dān)負(fù)著與控制中心通信的任務(wù)，可采用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器和控制中心上位機(jī)問(wèn)的通信。通信芯片選用MAXIM公司的MAX232芯片，硬件上采用三線制(RXD，TXD，GND)軟握手的零MODEM方式i將上位機(jī)和AT89S52單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)線(TXD)和接收數(shù)據(jù)線(RXD)交叉連接，并共地線。這樣的設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)約成本。MAX232與AT89S52的電路連接如圖5所示。AT89S52的其它電路(如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路)可選經(jīng)典電路。 

圖5 AT89S52與MLX90121電路連接圖

    為了拓展信息讀寫(xiě)器的應(yīng)用領(lǐng)域，可為其設(shè)計(jì)相應(yīng)的LCD顯示電路和按鍵輸入接口。

    4 軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)工作的軟件流程如圖6所示。首先需要對(duì)控制模塊、終端I／O設(shè)備及射頻模塊進(jìn)行初始化，預(yù)置參數(shù)和顯示初始信息。然后發(fā)送讀標(biāo)簽命令，建立讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽的通信。電子標(biāo)簽FM11RF08的通訊協(xié)議和通訊波特率是預(yù)定義好的，通過(guò)這兩項(xiàng)內(nèi)容，讀寫(xiě)器和標(biāo)簽相互驗(yàn)證。當(dāng)某張標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的操作范圍時(shí)，讀寫(xiě)器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該標(biāo)簽是否為FM1IRF08。當(dāng)有多張F(tuán)M11RF08標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器操作范圍時(shí)，防沖突閉合電路首先從眾多標(biāo)簽中選擇一張作為下一步處理的對(duì)象，而未選中的標(biāo)簽則處于空閑模式以等待下一步被選擇，該過(guò)程將返回一個(gè)被選中標(biāo)簽的序列號(hào)。選定要處理的標(biāo)簽之后，讀寫(xiě)器就確定要訪問(wèn)的扇區(qū)號(hào)，并對(duì)該扇區(qū)密碼進(jìn)行校驗(yàn)，在三次互相認(rèn)證之后就可以通過(guò)加密流進(jìn)行讀／寫(xiě)標(biāo)簽操作。 

圖6系統(tǒng)軟件流程圖

    基于MLX90121的電子標(biāo)簽讀寫(xiě)器支持IS0／IEC15693協(xié)議的全部命令，具有成本低廉、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。具有可行的防碰撞機(jī)制，有效讀寫(xiě)距離約為10cm，可滿足人工掃描式單個(gè)讀寫(xiě)瓦斯鋼瓶的要求。若對(duì)讀寫(xiě)器加裝發(fā)射功率放大器，讀寫(xiě)距離可以延長(zhǎng)到1m左右，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼瓶的高速、傳送帶式讀寫(xiě)操作。同時(shí)，該終端也可加以適當(dāng)?shù)能浖?jí)，滿足門禁、校園一卡通等非高速識(shí)別應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

    (四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，曾寶國(guó) 曾 妍)