基于微控制器和讀卡芯片的讀寫器設計

文章出處：http:// 作者：張石 齊曉龍 鮑喜榮 (東北大學信息科學與工程學院)   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月16日

概述

　　RFID(無線射頻識別技術)作為一種新興的非接觸自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，可識別高速運動物體，可同時識別多個標簽，可工作于惡劣環(huán)境，操作快捷方便，在物流、交通、收費、身份識別等眾多領域有廣泛應用。RFID技術在國外發(fā)展的很快，RFID產(chǎn)品種類很多，像TI, MOTOROLA,PHILIPS等世界著名廠商都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品，并且它們的產(chǎn)品各有特點，自成系列。目前，中國射頻識別技術及應用處于初級發(fā)展階段。RFID技術作為一種新興的自動識別技術，也已開始在國內(nèi)應用,并且應用領域越來越廣。

　　本文把RFID技術應用到物流系統(tǒng)中，實現(xiàn)了基于RFID技術的物流系統(tǒng)的軟硬件原型。

系統(tǒng)硬件設計 

為了增強讀寫模塊的通用性和擴展性，在硬件設計時遵循模塊化的設計思想。整個讀寫模塊由三大部分組成： 

　　主控MCU，主要提供對射頻讀寫芯片的控制操作。 

　　射頻讀寫芯片，負責接收主控MCU的控制信息并完成與RFID卡的通信操作。為了正常工作，射頻讀寫芯片須選用合適的并行接口與MCU連接。而為了發(fā)送、接收穩(wěn)定的高頻信號，射頻讀寫芯片要通過高頻濾波電路與天線部分連接。 

　　天線部分，包括線圈及匹配電路。 

　　在所設計的TRH031M評估板中，主控MCU主要由微控制器ATMEGA64L和電源電路、復位電路、晶振電路、JTAG接口、RS-232串口接口組成；同時增加了人機接口顯示電路，采用EDM12864液晶顯示控制器；射頻讀寫芯片采用TRH031M多協(xié)議讀卡器芯片。微控制器ATMEGA64L和TRH031M之間通過鎖存器SN74HC373N連接。TRH031M評估板總體設計見圖1。 

圖1  TRH031M評估板總體設計框圖 

RFID接口電路 

　　TRH031M是一款三合一的芯片，兼容ISO14443 Type A&B以及ISO15693協(xié)議。TRH031M工作電壓范圍在2.7V-3.6V，最大特點是功耗極低，芯片的封裝方式也特別適合用在手持機方面的產(chǎn)品上。MCU對TRH031M的控制是通過對其內(nèi)部寄存器的讀寫來實現(xiàn)的。TRH031M內(nèi)部共有64個寄存器，分成8頁，每頁8個寄存器。 
ATmega64L是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 

　　ATmega64L通過TRH031M并行接口實現(xiàn)對TRH031M芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。Atmega64L對TRH031M的并行接口采用獨立的讀、寫信號線連接，用兩個I/0引腳分別控制TRH031M的讀、寫信號線。為了節(jié)省I/O口，這里采用了地址/數(shù)據(jù)線復用的方式，這樣就不需要專門的I/O口來控制地址線。ATmega64L與TRH031M連接示意圖參見圖2。 

圖2  ATmega64L與TRH031M連接示意圖 

　　ATmega64L的PTA0～PTA7連接TRH031M的DATA0～DATA7，作為數(shù)據(jù)/地址線，傳輸數(shù)據(jù)及地址信息。由于采用數(shù)據(jù)/地址復用的連接方式，Atmega64L 的PTA0～PTA7通過鎖存器SN74HC373DBLE與TRH031M的地址線引腳A0，Al，A2連接。 

天線電路 

　　TRH031M的天線部分組成,主要分為發(fā)射和接收部分，發(fā)射部分又分為EMC低通濾波器，天線匹配部分和天線線圈。天線直接連接到TRH031M.，圖3為天線的結構原理圖。 

圖3 天線結構原理圖 

　　由RTH031M的數(shù)據(jù)手冊可知，芯片模擬部分(不含接收機部分)作為負載時,負載阻抗最高為15W。這是因為優(yōu)化設置輸出阻抗為15W時，這時可以達到最低噪音,最大增益和最大輸出功率。 

　　天線的阻抗我們按500W進行匹配。 

EMC低通濾波器 

　　TRH031M系統(tǒng)工作于13.56MHz頻率下，這一頻率是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生。但是除了13.56MHz以外，還會有可能以高次諧波的方式向外發(fā)射。為了符合國際EMC 規(guī)定，13.56MHz 中的三次五次和高次諧波要被良好地抑制，因此，必須要有一個合適的濾波器濾波輸出信號以滿足此規(guī)定。為了減少信號線上的干擾，使用了EMC高頻濾波電路。EMC濾波電路和接收電路的原理圖見圖4。低通濾波器由L0和C0組成，它們的值見表1。 

圖4  EMC濾波電路和接收電路的原理圖 

　　根據(jù)f=，當我們選取=1mH時，則TRH031M的內(nèi)部接收電路利用卡的回應信號在副載波的雙邊帶上都有調制這一概念來進行工作。采用芯片內(nèi)部產(chǎn)生的VMID作為RX引腳輸入。為了穩(wěn)定VMID的輸出，必須在VMID和GND之間連接一個電容C4。接收電路需要在RX和VMID之間連接一個分壓電路。另外，建議在天線線圈和反壓器之間串連一個電容。這個接收電路由R1，R2，C3和C4組成，數(shù)值示于表1。
 
　　EMC濾波電路仿真針對500W天線阻抗進行EMC濾波電路的仿真： 
　?、?nbsp;設定特性阻抗Z。=500W，輸入信號頻率為13.56MHz； 
　?、?nbsp;令負載ZL=500W+0.00jW，確定起始點1； 
　?、?nbsp;在ZL上并聯(lián)電容C0，得到點2； 
　?、?nbsp;再在C0上串聯(lián)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(shù)。由圓圖的直觀性，該調整不難實現(xiàn)。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(shù)是正確的。其誤差源于元件不可能無限精確。 

　　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(shù)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(shù)，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(shù)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(xiàn)緊耦合，耦合系數(shù)最少為0.3(耦合系數(shù)為0時，即由于距離太遠或磁屏蔽導致完全去耦，耦合系數(shù)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(chǎn)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(wǎng)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(jié)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(wǎng)絡仿真步驟如下: 
　?、?nbsp;設定特性阻抗Z。=500 W，輸入信號頻率為13.56MHz； 
　?、?nbsp;令負載ZL=0.00W+0.00jW，確定起始點1； 
　?、?nbsp;在ZL上串聯(lián)電阻Rcoil=0.7W，得到點2； 
　?、?nbsp;再在Rcoil上串聯(lián)電感L=0.85mH，得到點3； 
　　⑤ 再并聯(lián)電容C2，得到點4； 
　　⑥ 最后再串聯(lián)電容C1，得到點5。 

圖7 天線匹配網(wǎng)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(shù)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(tǒng)。設計并實現(xiàn)了基于RFID技術的物流系統(tǒng)的軟硬件原型，經(jīng)過實際使用證明，系統(tǒng)的總體方案設計可行，其主要功能基本得以實現(xiàn),達到了系統(tǒng)的性能指標：設計的讀卡器系統(tǒng)對無源的15693協(xié)議的卡片的識別作用距離可達7.5cm。同時該系統(tǒng)能對ISO15693協(xié)議的卡片進行讀寫操作。系統(tǒng)運行正確，顯示準確，使用方便，具有較強的抗干擾性能。 

參考文獻： 

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2.  Klaus Finkenzeller著，陳大才譯，射頻識別(RFID)技術，電子工業(yè)出版社，2001 
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4.  Foster P.R, Burberry R.A，Antenna problems in RFID systems, RFID Technology, 2001