基于微控制器和讀卡芯片的讀寫器設(shè)計(jì)

文章出處：http://bookmouse.cn 作者：張石 齊曉龍 鮑喜榮 (東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院)   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月16日

概述

　　RFID(無線射頻識(shí)別技術(shù))作為一種新興的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，可工作于惡劣環(huán)境，操作快捷方便，在物流、交通、收費(fèi)、身份識(shí)別等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。RFID技術(shù)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(diǎn)，自成系列。目前，中國射頻識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用處于初級(jí)發(fā)展階段。RFID技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，也已開始在國內(nèi)應(yīng)用,并且應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

　　本文把RFID技術(shù)應(yīng)用到物流系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

為了增強(qiáng)讀寫模塊的通用性和擴(kuò)展性，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想。整個(gè)讀寫模塊由三大部分組成： 

　　主控MCU，主要提供對(duì)射頻讀寫芯片的控制操作。 

　　射頻讀寫芯片，負(fù)責(zé)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(hào)，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(shè)計(jì)的TRH031M評(píng)估板中，主控MCU主要由微控制器ATMEGA64L和電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、JTAG接口、RS-232串口接口組成；同時(shí)增加了人機(jī)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(píng)估板總體設(shè)計(jì)見圖1。 

圖1  TRH031M評(píng)估板總體設(shè)計(jì)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(diǎn)是功耗極低，芯片的封裝方式也特別適合用在手持機(jī)方面的產(chǎn)品上。MCU對(duì)TRH031M的控制是通過對(duì)其內(nèi)部寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)的。TRH031M內(nèi)部共有64個(gè)寄存器，分成8頁，每頁8個(gè)寄存器。 
ATmega64L是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)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(shí)現(xiàn)對(duì)TRH031M芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。Atmega64L對(duì)TRH031M的并行接口采用獨(dú)立的讀、寫信號(hào)線連接，用兩個(gè)I/0引腳分別控制TRH031M的讀、寫信號(hào)線。為了節(jié)省I/O口，這里采用了地址/數(shù)據(jù)線復(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)原理圖。 

圖3 天線結(jié)構(gòu)原理圖 

　　由RTH031M的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，芯片模擬部分(不含接收機(jī)部分)作為負(fù)載時(shí),負(fù)載阻抗最高為15W。這是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)置輸出阻抗為15W時(shí)，這時(shí)可以達(dá)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(jìn)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(huì)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(gè)合適的濾波器濾波輸出信號(hào)以滿足此規(guī)定。為了減少信號(hào)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(dāng)我們選取=1mH時(shí)，則TRH031M的內(nèi)部接收電路利用卡的回應(yīng)信號(hào)在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來進(jìn)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(gè)電容C4。接收電路需要在RX和VMID之間連接一個(gè)分壓電路。另外，建議在天線線圈和反壓器之間串連一個(gè)電容。這個(gè)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(duì)500W天線阻抗進(jìn)行EMC濾波電路的仿真： 
　?、?nbsp;設(shè)定特性阻抗Z。=500W，輸入信號(hào)頻率為13.56MHz； 
　?、?nbsp;令負(fù)載ZL=500W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1； 
　　③ 在ZL上并聯(lián)電容C0，得到點(diǎn)2； 
　?、?nbsp;再在C0上串聯(lián)電感L0，得到點(diǎn)3； 
　　應(yīng)使點(diǎn)3位于15W匹配點(diǎn)，若點(diǎn)3不能精確位于該點(diǎn)，則應(yīng)微調(diào)各元件參數(shù)。由圓圖的直觀性，該調(diào)整不難實(shí)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(shí)，可以推算出1、3點(diǎn)間的等效阻抗為15.24+j 0.00W，接近于負(fù)載阻抗15Ω，這表明了我們所設(shè)計(jì)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(shí)，可以推算出1、3點(diǎn)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(shè)計(jì)的元件參數(shù)是正確的。 

天線匹配電路設(shè)計(jì) 

　　天線本身是一個(gè)低電阻的器件，將天線連接到TRH031M需要一個(gè)匹配電路。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中采用直接匹配的天線配置。 

計(jì)算天線線圈的電感 

　　精確計(jì)算天線線圈的電感值在實(shí)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?qū)w的寬度，P為由天線線圈的技術(shù)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(diào)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(shí)現(xiàn)緊耦合，耦合系數(shù)最少為0.3(耦合系數(shù)為0時(shí)，即由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)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(dǎo)線，設(shè)計(jì)為三圈的76mm×49mm長方形天線。此時(shí)，天線線圈產(chǎn)生的電感，由公式1可計(jì)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(shí)際的天線線圈電感值總是會(huì)稍有差異，在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，天線匹配網(wǎng)絡(luò)的元件的設(shè)計(jì)過程按照?qǐng)D6進(jìn)行調(diào)整。諧振電容由固定電容=150pF和可調(diào)電容CV2代替。通過調(diào)整可調(diào)電容CV2來使得天線的振蕩頻率為13.35MHz，通過調(diào)節(jié)C1使得天線的阻抗為500W，通過調(diào)整可調(diào)電容將每塊天線板的讀寫距離調(diào)整到最佳。 

圖6天線匹配電路調(diào)整過程 

　　天線匹配網(wǎng)絡(luò)仿真步驟如下: 
　　① 設(shè)定特性阻抗Z。=500 W，輸入信號(hào)頻率為13.56MHz； 
　?、?nbsp;令負(fù)載ZL=0.00W+0.00jW，確定起始點(diǎn)1； 
　?、?nbsp;在ZL上串聯(lián)電阻Rcoil=0.7W，得到點(diǎn)2； 
　　④ 再在Rcoil上串聯(lián)電感L=0.85mH，得到點(diǎn)3； 
　?、?nbsp;再并聯(lián)電容C2，得到點(diǎn)4； 
　　⑥ 最后再串聯(lián)電容C1，得到點(diǎn)5。 

圖7 天線匹配網(wǎng)絡(luò)電路的Smith圓圖 

　　由此，得到如圖7所示的阻抗圓圖。圖中設(shè)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(diǎn)間的等效阻抗為247.79+j11W，接近于對(duì)稱天線的一半阻抗250W。 

　　通過仿真得到的結(jié)果與筆者設(shè)計(jì)的元件參數(shù)基本一致，這說明了所設(shè)計(jì)的天線電路是正確的。 

結(jié)語 

　　基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于RFID技術(shù)的物流系統(tǒng)的軟硬件原型，經(jīng)過實(shí)際使用證明，系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)可行，其主要功能基本得以實(shí)現(xiàn),達(dá)到了系統(tǒng)的性能指標(biāo)：設(shè)計(jì)的讀卡器系統(tǒng)對(duì)無源的15693協(xié)議的卡片的識(shí)別作用距離可達(dá)7.5cm。同時(shí)該系統(tǒng)能對(duì)ISO15693協(xié)議的卡片進(jìn)行讀寫操作。系統(tǒng)運(yùn)行正確，顯示準(zhǔn)確，使用方便，具有較強(qiáng)的抗干擾性能。 

參考文獻(xiàn)： 

1.  游戰(zhàn)清、李蘇劍，無線封頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用，電子工業(yè)出版社2004 
2.  Klaus Finkenzeller著，陳大才譯，射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2001 
3.  劉培國、毛鈞杰，電波與天線，國防科技大學(xué)出版社，2004 
4.  Foster P.R, Burberry R.A，Antenna problems in RFID systems, RFID Technology, 2001