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1、摘要摘要射频识别（RFID）技术是近几年随着无线电技术和大规模集成电路的普及应用而出现的一项先进的自动识别和数据采集技术。它的最大优势就是非接触性。可以无需人工干预完成识别工作。本文研究了电感耦合RFID系统工作原理，讨论了射频识别系统的组成及各个部分包括天线、阅读器和电子标签的作用。设计了射频识别系统的总体方案和各个部分的硬件电路。进行了射频识别系统的电路调试，进行了系统识别距离的测量和系统识别正确率的测量。结果表明，本文设计的基于电感耦合的RFID系统可以正确工作。该论文对今后进行射频识别系统开发的工作有一定的参考意义。关键词：自动识别 射频识别 电子标签 阅读器ABSTRACTABSTR
2、ACTRadio Frequency Identification (RFID) technology is an advanced automatic identification and data collection technology, appeared with the radio technology and the popularization of the large scale integrated circuit in recent years. The biggest advantage of this technology is that the property o
3、f non-contact. The identification work can be done without human intervention. The principle of the inductively coupled RFID systems were studied in this article, and the roles of the components of the RFID systems, including the antennas, readers and electronic tags were discussed. The overall prog
4、ram of the RFID system and the various parts of the hardware were designed. The circuit of the RF identification system was debugged, the distance and accuracy of the identification system were measured. The results show that the design of inductive coupling in RFID-based system can work properly. T
5、his study has some reference value on the development work of the radio frequency identification systems in the future. Keywords: automatic identification RFID electronic tag reader unit目录 i目录第一章 绪论11.1 常见的自动识别技术11.2 射频识别技术的概述31.3 研究内容5第二章 射频识别技术工作原理72.1 电感耦合RFID系统工作原理72.2 射频识别系统的组成92.2.1 天线102.2.2
6、阅读器102.2.3 电子标签12第三章 射频识别系统总体设计153.1 总体方案选择153.2 调制方案选择163.3系统工作频率163.4 天线选择173.5 系统的整体结构17第四章 系统实现194.1 主要芯片介绍194.2 耦合线圈谐振计算214.3 电子标签设计224.3.1 电源模块224.3.2 编码电路244.3.3 调制电路254.4 阅读器的设计264.4.1 发射模块的设计264.4.2 解调电路294.4.3 解码电路的设计31第五章 射频识别系统的调试和测试355.1 线圈耦合调试355.2 系统识别距离的测量355.3 系统识别正确率的测量35第六章 总结37致谢
7、39参考文献41第一章 绪论 5第一章 绪论 本章首先对一些常见的自动识别技术做简单的介绍，然后详细介绍射频识别技术。1.1 常见的自动识别技术自动识别技术是将数据自动采集和识读，并且自动输入计算机的重要方法和手段。近二三十年来，自动识别技术在全球范围内得到了迅猛的发展。自动识别技术的发展为计算机提供了快速、准确采集和输入数据的手段。常见的自动识别技术有条形码识别技术、光学字符识别技术、生物识别技术、卡识别技术、视觉识别技术和射频识别技术。条行码技术条形码是由一组规则排列的条、空以及相应的数字组成，这种用条、空组成的数据编码可以供条形码读写器识读，而且容易译成二进制数和十进制数。这些条和空具有
8、不同的组合方法，构成不同的图形符号，及各种符号体系（也称码制），适用于不同的应用场合1。 条码有一维码和二维码两种。一维条码信息密度小、需占用较大面积等缺点。二维码的出现解决了这些问题。二维码可以携带大量的信息量，使用二维条码时，可以脱离后台数据库，因为二维码包含了存储于后台数据库中的信息，可以直接通过阅读条码得到相应的信息，俗称之为 “便携式数据文件”。 条码技术的特点：条形码符号制作容易，扫描操作简单易行；信息采集的速度快，利用条码扫描录入信息的速度是键盘录入的二十倍；可靠性高，误码率极低；灵活实用，条码符号作为一种识别手段可以单独使用，也可以和有关设备组成识别系统实现自动化识别，还可以实
9、现系统的自动化管理；成本低，条码识别系统涉及的识别符号成本以及识别设备成本都非常低2。 光学字符识别技术 光学字符识别(OCR,Optical Character Recognition)是指通过扫描等光学输入方式，对文本资料进行扫描输入，然后对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程。已有30多年历史，近几年又出现了图像字符识别（image character recognition，ICR）和智能字符识别（intelligent character recognition，ICR），实际上这三种自动识别技术的基本原理大致相同。 识别过程：图像输入、预处理 、版面分析 、字符切割 、字
10、符识别 、版面恢复 、后处理、校对。光学字符识别技术有三个重要的应用领域：办公自动化中的文本输入、邮件自动处理、与自动获取文本过程相关的其他领域。这些领域包括：零售价格识读，订单数据输入，单证、支票和文件识读，微电路及小件产品的状态及批号特征识读等。基于在识别手迹特征方面的进展，目前正探索在手迹分析及鉴定签名方面的应用2。光学字符识别技术的优点是人眼可视读、可以扫描；但是输入速度和可靠性不如条形码，数据格式有限，通常要用接触式扫描器。卡识别技术常用的卡识别技术有两种，即磁条卡技术和IC卡技术。其中，磁条卡技术属于磁存储器识别技术，而IC卡技术属于电存储器技术。 磁条卡技术磁条卡是一层薄薄的由定
11、向排列的铁性氧化粒子组成的材料，用树脂粘合在一起并粘在诸如纸或者塑料这样的非磁性基材上。 磁条卡一般作为识别卡用，可以写入、储存、改写信息内容，特点是可靠性强、记录数据密度大、误读率低，信息输入、读出速度快。由于磁卡的信息读写相对简单容易，使用方便，成本低，从而较早地获得了发展，并进入了多个应用领域，如信用卡、银行ATM卡、机票、公共汽车票、自动售货卡等3。IC卡识别技术IC卡是指集成电路卡，我们一般用的公交车卡就是IC卡的一种，一般常见的IC卡采用射频技术与IC卡的读卡器进行通讯，IC卡与磁卡是有区别的，IC卡是通过卡里的集成电路存储信息，而磁卡是通过卡内的磁力记录信息。IC卡的成本一般比磁
12、卡高，但保密性更好。IC卡可包含一个微处理器使其成为真正的智能卡，或者只是简单地成为一个存储卡。通过使用微处理器在卡上进行认证和对信息访问的控制，从而使IC卡达到更高的保密性。IC卡有更多的优点：安全性高；IC卡的存储容量大，便于应用，方便管理；防磁、防静电，抗干扰能力强1。生物识别技术所谓生物识别技术就是，通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性，（如指纹、脸象、虹膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定。1传统的身份鉴定方法包括身份标识物品（如钥匙、证件、ATM卡等）和身份标识知识（如用户名和密码）但由于主要借助体外
13、物，一旦证明身份的标识物品和标识知识被盗或遗忘，其身份就容易被他人冒充或取代。 生物识别技术比传统的身份鉴定方法更具安全、保密和方便性。生物特征识别技术具不易遗忘、防伪性能好、不易伪造或被盗、随身“携带”和随时随地可用等优点。视觉识别技术 视觉识别系统可以看作是这样的系统：它能获取视觉图像，而且通过一个特征提取和分析的过程，能自动识别限定的标志、字符、编码结构等呈现在图像内的特征。随着自动化技术的发展，视觉识别技术可与其他自动识别技术结合起来应用2。射频识别技术射频识别技术的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限于视线，识别距离较远，射频识别卡具有读写能力，可携带大量数据，同时具有难以伪造
14、和智能性较高等特点。射频识别和条码一样，是非接触式识别技术。由于无线电波能“扫描”数据，所以RFID挂牌可做成隐形的，有些RFID识别产品的识别距离可以达到几百米3。射频识别的最大优点是非接触性，因此完成识别工作无需人工干预，能实现自动化且不易损坏，可识别高速运动的物体并可同时识别多个电子标签，操作快捷方便。RFID识别的缺点是电子标签的成本相对较高，并且一般不能随意扔掉，而多数条码扫描寿命结束时可以扔掉。1.2 射频识别技术的概述 射频识别技术的基本概念RFID技术是射频识别技术的简称，它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的空间耦合（电感耦合或电磁耦合）或反射的传输特性，实
15、现对被识别物体的自动识别。RFID系统因应用不同，其组成也会有所不同，但是基本都由电子标签和阅读器两大部分组成。电子标签和阅读器都是由耦合芯片和芯片组成。所以，为了完成RFID系统的主要功能，必须具有两个基本部分，即电子标签和阅读器。有时为了更好的对识别数据进行分析与处理，在较大型的RFID系统中，还需要中间件、应用系统软件等附属设备来完成对多阅读器识别系统的管理3。射频识别技术的发展RFID技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，RFID技术进入商业化应用阶段。 近年来
16、在国外的很多国家和公司都投入了一定的力量来研究RFID技术。在美国产业方面，TI公司、Intel公司等集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。在欧洲产业方面，欧洲的Philips公司、ST微电子公司在积极开发廉价RFID芯片；Checkpoint公司在开发支持多系统的RFID识别系统。在日本，政府也将RFID作为一项关键的技术来发展。2004年7月，日本经济产业省选择了7个产业做RFID的应用试验。韩国主要通过国家的发展计划，再联合企业的力量来推动RFID的发展，虽然韩国关于RFID技术开发和应用领域优势不够明显，但是在韩国政府的高度重视下，韩国关于RFID的技术研发和应用试验正
17、在加速开展，2005年3月，韩国政府耗资7.84亿美元在仁川新建技术中心，主要从事RFID技术的研发和相关设备的生产。 国内由于涉足RFID较晚，因而在该领域落后于发达国家，特别是在RFID芯片的设计生产方面还比较落后。我国很多企业对RFID的认识还不够，基础设施的缺失也为RFID在我国的发展设置了障碍。目前我国RFID应用市场上大的应用项目寥寥可数。迄今为止最大的项目是学生证的防伪，用量以达到2000万；其次是火车车皮和集装箱的识别，用量也达到百万左右。随着RFID技术的重要性日益体现，我国政府也希望能够在这项技术上有所创新。目前，我国已经公布了多项基于RFID技术的国家发展计划。例如，我国
18、公民将在未来开始使用采用RFID技术的身份证1。射频识别技术的应用RFID技术以其独特的优势，逐渐地被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的发展及其生产规模的不断壮大，射频识别产品的成本将不断地降低，其应用也将越来越广泛。 在交通运输方面的应用包括：电子收费系统、电子车牌系统、城市交通跳读管理系统、电子注册管理系统等。例如，电子收费系统被用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统，它可以使用RFID技术，通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短程通信，不需要司机停车和收费人员的操作，自动完成收费。在物流管理方面的应用包括：零售环节、存储环节、运输环节、配送
19、/分销环节等。例如，零售环节中使用RFID技术有效跟踪运输与库存，可以改进零售商的库存管理，实现适时补货，提高效率。 射频识别技术还可以应用在军事物流上。美国是最早采用RFID进行军事物流管理的国家，美国每年经国防物资利用与销售系统处理的物资价值在六十亿以上，采用射频识别技术后，将极大地提高物资补给的效率。射频识别技术还被用在物品防伪、邮政领域、电子商品监视、定位系统身份识别等。射频识别技术的优势射频识别技术（RFID）是自动识别的高级形式。RFID在近两年已经成为了市场的热点。随着微型集成电路、天线技术和计算机技术的快速发展，微型低功耗的智能RFID标签得到了很大发展，并且成本也大大降低。R
20、FID的最大优势是非接触读取数据，与其他的自动识别技术相比，它还具有携带数据量大、信息处理速度快、保密性高、识别距离远等特点。RFID具有很强的环境适用性，抗干扰能力强，可在全天候下使用，几乎不受恶劣环境的影响，同时还避免机械磨损。一种RFID系统还可以满足多用途的要求，可以实现多目标识别。系统可靠性高，操作方便快捷。正因为RFID系统的这些优点，使它具有美好的应用前景。1.3 研究内容本论文介绍了一些常见的自动识别技术，详细介绍了射频识别技术的概念和原理。实现了射频识别系统的设计。下面是论文的章节安排第一章 主要介绍一些常见的自动识别技术，详细说明了射频识别技术的原理、发展及现状、应用和特点
21、。第二章 介绍射频识别系统的工作原理以及系统的组成。第三章 射频识别系统的整体设计，包括整体方案的选择、调制方案的选取、天线的选择、工作频率的选择。第四章 射频识别系统的具体实现，包括电子标签和阅读器的详细实现过程。第五章 对射频识别系统进行调试和测试，包括系统的线圈耦合的调试和正确率、最大识别距离的测量。 第二章 射频识别技术工作原理 13第二章 射频识别技术工作原理本章的主要内容是介绍电感耦合型射频识别的工作原理和识别系统的组成。2.1 电感耦合RFID系统工作原理电感耦合原理电子标签与阅读器之间通过天线架起空间电磁波传输的通道。电子标签与阅读器（也称读写器）之间的电磁耦合包含两种情况，即
22、近距离的电感耦合与远距离的电磁耦合。在本次设计中使用的是电感耦合。电感耦合的模型可以看作是变压器模型，阅读器的天线相当于变压器的初级线圈，电子标签相当于变压器的次级线圈，它们的耦合介质是空间磁场。电感耦合RFID系统的工作原理：由阅读器的发射电路通过天线发射某一特定频率的射频信号，形成阅读器的有效识别区域。如果电子标签进入到这个有效识别区域，就获得能量而被激活，开始工作，电子标签将自身的编号信息通过自身携带的天线发送出去，阅读器接收到电子标签的调制信号，并进行解调，得到想要的信息，然后进行相关的处理。所谓的电感耦合实际上是从电子标签和阅读器之间的通信及能量传输方式而言的。电感耦合依据的是电磁感
23、应定律，通过空间高频交变磁场来实现耦合。电感耦合方式的电子标签几乎都是无源的，电子标签工作的所有能量都是由阅读器发送的电磁能量提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并辐射到线圈周围的空间中，当电子标签进入到电磁场中时就发生电磁感应，从而产生感应电流，电子标签就获得了工作的能量。如图2.1所示。在识别的过程中，电子标签的调制模块将自身的编码信息调制到载波上，然后使用天线发送出去，此时阅读器的天线通过电感耦合的方式将电子标签天线产生的电磁波接收下来，并进行进一步处理。通过这种耦合的方式，阅读器可以对电子标签实现实时控制1。图2.1电感耦合型但是，电感耦合方式常常适用于低频和中频的射频识别系统
24、，并且识别距离很近一般不大于1米。常见的作用距离是10-20cm。电感耦合的典型工作频率是125KHZ、225KHZ和13.56MHZ。负载调制原理在电感耦合型射频识别系统中，电子标签的编码信息需要调制以后，才能使用天线发射出去，负载调制是常用的一种调制方法。负载调制简单的说，就是利用负载的变化来改变电源的电压。下面通过举一个例子来具体说明一下，如图2.2所示。图中的电路有两级，两级电路之间通过天线耦合。如果V2不工作的话，天线1上的振荡信号是稳定的如图2.2A所示。但是，当V2工作的时候，三极管（在这个电路中相当于一个开关）就会周期性的导通，那么后一级电路的负载就会周期性变化。只要后一级的负
25、载发生变化，天线1上的电压就会发生变化，负载周期性变化，那么天线1上的电压也是周期性变化。如图2.2B所示，电压随负载变化，但是频率不变。上面的过程就是负载调制过程。对于负载调制的解调，一般要经过检波、放大、比较的过程，此过程将会在第四章中详细说明。图 2.2负载调制电路图 2.2A负载固定时阅读器天线的波形图 2.2B 负载变化时阅读器天线的波形2.2 射频识别系统的组成射频识别是一种非接触的自动识别技术，一个射频识别系统至少包括阅读器、天线和电子标签。如图2.3所示。下面对系统的各个组成部分进行说明。图 2.3 射频识别系统图2.2.1 天线无论阅读器还是电子标签的正常工作，都离不开天线或
26、耦合线圈。对于电子标签和阅读器而言，天线是它们之间的空间接口。其实，天线是一种能够将电磁波转换成电流信号，也可以将电流信号转换成电磁波的装置。无线电发射模块发射射频信号，通过电缆输送到天线上面，天线将射频信号以电磁波的形式辐射出去。电磁波到达接收点后，也是由天线接收下来（但是天线所接收到的只是很小一部分），并通过电缆输送到接收模块。所以，天线是发射电磁波和接收电磁波的重要无线电设备，可以说没有天线就没有无线电通信1。电感耦合射频识别系统中，阅读器的天线产生电磁波，并向电子标签提供工作能量，同时传递信息。所以天线的设计和选择要符合一定的条件：天线线圈的电流达到最大，以便产生最大的磁通量；要有一定
27、的带宽，保证信号的调制不会互相干扰；功率匹配，这样能够最大限度利用磁通量。天线有很多种形式和结构，如平板天线、环形天线、螺旋天线等。在电感耦合RFID系统中主要使用环形天线。环形天线主要用于中、低频射频识别系统中，用来实现能量和数据的电磁耦合。2.2.2 阅读器在无线射频识别系统中，阅读器是主要的组成部分之一。它在射频识别系统中起到了举足轻重的作用。在射频识别系统工作过程中，通常由阅读器在一个区域内发送射频能量形成电磁场。电子标签通过这一区域时被触发，发送存储在电子标签中的数据，或根据阅读器的指令来改写存储在电子标签中的数据。总结起来阅读器的功能是：完成与电子标签之间的通信；对需要传送的数据进
28、行编码、解码；对需要传送的数据进行加密和解密；同时识别多个电子标签，要有防碰撞功能。阅读器可以作为单独的整体存在，也可以嵌入到其他的应用系统中。它可以单独具有读写、显示、数据处理等功能，也可以与其他的系统联合使用来完成对电子标签的操作3。阅读器工作的频率决定整个系统的工作频率。阅读器的功率直接影响射频识别的距离。根据射频识别体统的频率不同，可以将阅读器分为低频阅读器、高频阅读器和超高频阅读器。低频和高频阅读器的发射功率较小，频率较低，所以系统的识别距离就较小。但是低频和高频阅读器的设计比较简单，体积也较小，价格也相对较低。超高频的发射功率较大，频率较高，所以系统的识别距离较大。但是超高频阅读器
29、的设计比较复杂，体积也相对较大。阅读器的组成、虽然各种射频识别系统在耦合方式、通信方式、数据传输方式以及工作频率的选择上存在着很大的区别，但是，RFID阅读器的组成基本相同。主要由两大基本模块组成：信号控制与处理模块和高频接口模块。此外，阅读器还需要发射电磁能量的天线。如图2.4所示。信号控制和处理模块通常采用ASIC组件和微处理器来实现其功能。信号控制和处理模块的主要功能：控制电子标签的通图 2.4 阅读器结构图信过程；对数据进行加密和解密；信号的编码和解码；对电子标签身份识别。高频接口模块主要由发送器和接收器组成。通常高频接口模块又被称作射频模块，它的主要功能是：产生一定频率的射频信号，发
30、射射频信号，激活电子标签并为其提供工作电压；调制发射信号，对电子标签进行写入操作：解调电子标签的射频信号2。对于电感耦合的RFID体统，因为工作频率较低，所以阅读器的高频接口部分电路比较简单。通常电感耦合的RFID系统阅读器的高频接口如图2.5。图 2.5 电感耦合型RFID系统阅读器的高频接口部分阅读器的结构形式根据数据管理系统的功能需求以及不同设备制造商的生产习惯，阅读器有不同的结构与外观形式。根据天线和阅读器模块是否分离，可以分为分离式阅读器和集成式阅读器。常见的分离式阅读器有固定式阅读器，而典型的集成式阅读器有手持阅读器。根据阅读器的应用场合，可以分为固定式阅读器、OEM（Origin
31、al Equipment Manufacturer原始设备制造商）模块、工业阅读器、手持阅读器和读卡器。2.2.3 电子标签电子标签（又称应答器）作为射频识别系统组成部分，它的作用也是不言而喻的。电子标签中存储了可用的信息，通过电感耦合可以将此信息传输到信息采集系统中。电子标签的主要组成部分是耦合天线和标签芯片如图2.6。耦合线圈的作用就是接收阅读器发射出来的电磁波同时将标签芯片的信号以电磁波的形式发射出去。标签芯片的作用是，对天线接收的信号进行解调和解码等处理，同时将自身的信息进行编码、调制。图 2.6 电子标签的组成每个电子标签都具有唯一的编码，这些编码被存储到存储模块中。电子标签附着在物
32、体对象上，就可以对物体进行识别。电子标签中的内容可以被永久锁定，也可以被修改。总的来说对电子标签要具有一定的基本要求：具有一定的存储容量；一定的工作环境下，标签中的数据可以被读出也可以被写入4。由于各种识别系统的原理和应用领域不同，电子标签的原理、结构和外观也有很大的区别。根据分类的方式不同，电子标签可以分为不同的类型。1、按供电方式（1）有源标签有源电子标签是指电子标签内部有电池提供标签工作的电压。这种电子标签的工作距离相对较远，但是使用寿命较短、体积较大、成本较高、需要定期更换电池。此类标签的工作环境受到很大限制，很多恶劣的环境不适合使用。（2）无源标签无源电子标签就是指电子标签内部没有电
33、池提供工作电压。无源电子标签利用线圈耦合电磁波技术从阅读器那得到能量，然后转换成直流电源，为无源电子标签提供工作电压。无源电子标签的使用寿命较长、识别距离相对有源标签的要近。但是无源电子标签对工作环境要求很低。2、按电子标签的工作频率（1）低频标签低频标签的工作频率较低，工作频率范围为30KHZ到300KHZ，是型的电感耦合型标签，它的天线一般为线圈型天线。低频标签一般为无源标签，工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射场中得到。其实RFID技术首先是在低频得到广泛应用和推广的。低频电子标签的优势是：省电、价格低。缺点是：存储数量较少、速度慢、识别距离近。（2）高频标签高频电子标签的工作
34、频率要比低频标签的频率要高，其工作频率一般为3到30MHZ。但是它的天线发射出的仍然是波长较长的无线电波，工作原理和低频的标签完全相同，所以它同样是电感耦合型的电子标签，它的工作天线同样是线圈型的。高频标签的优点是：速度快、识别距离较远。缺点是：价格太高。 （3）超高频标签超高频电子标签的工作频率远高于低频和高频标签， 工作波长较短，所以超高频电子标签的工作方式多采用电磁反向散射耦合方式。 第三章 射频识别系统总体设计 17第三章 射频识别系统总体设计本章的内容是系统整体方案的选择，以及调制方案和系统工作频率的选取。3.1 总体方案选择方案一：如图3.1所示，在此方案中使用单片机。单片机用来编
35、码和解码，并用数码管来显示电子标签的信息。阅读器的主要组成部分：单片机、接收电路等。电子标签的主要组成部分：单片机、调制电路等。此识别系统的工作过程：电子标签进入阅读器的有效工作区域后被激活，并通过线圈耦合得到工作能量，电子标签中的单片机读取拨码开关的信息并发通过天线送出编码信息，阅读器接收到编码信息后，对编码信息进行解调，然后通过单片机对其解码并显示。图3.1 方案一的电路结构方案二： 如图3.2所示，此系统不采用单片机进行编码和解码，而是采用通用的编码芯片PT2262和解码芯片PT2272,，使用发光二极管来显示电子标签的四位拨码开关的信息。此识别系统的工作过程：电子标签进入阅读器的有效工
36、作区域后，通过线圈耦合得到工作能量，编码芯片PT2262将拨码开关的信息进行编码然后调制发送，阅读器接收到编码信息后，进行解调，然后再解码，最后使用四位发光二极管显示。图 3.2 方案二电路结构因为在此次识别系统的设计中，电子标签采用的是无源电子标签，电子标签的工作能量是通过耦合得到，这样的能量很有限，不足以驱动单片机这样的芯片。但是PT2262和PT2272可以较好的完成四位二进制数据的编码和解码，并且功耗低、价格低，对工作环境要求也比较低，非常适合能量供应有限的场合。3.2 调制方案选择方案一：直接调制直接使用FSK或ASK调制，这样的调制电路复杂，所以电路的功耗就会相对大一点，这对于无源
37、电子标签来说，功耗太大是不行的。方案二：负载调制系统工作在低频段，使用的是电感耦合，耦合部分可以使用变压器模型来进行分析。电子标签的线圈可以等效到阅读器的线圈上。当电子标签线圈的负载大小发生变化时，就会改变阅读器线圈两端的电压。这就是负载调制。负载调制电路简单，功耗小。经上比较，选择方案二的调制方法。3.3系统工作频率此系统的电子标签是无源的，所以功率较小，并且对识别距离也没有特别的要求。如果选取频率较高，电路就会相对复杂，并且功耗就大。并且，如果频率选择较高，那么与之谐振的电容则可能非常小，由于分布电容的存在，调试将十分困难，要实现的话难度较大。所以最终选择系统工作在低频段，低频系统的典型工
38、作频率是125KHZ、225KHZ和13.56MHZ，我们选取工作频率为125KHZ。3.4 天线选择系统工作在低频段，所以使用电感耦合方式，电感耦合的天线是环形的。我们可以使用直径不大于1mm的漆包线或带有绝缘皮的导线密绕10圈制成，天线的直径可以选择6.5CM左右，绕成空心的。阅读器与电子标签的天线之间的介质是空气。3.5 系统的整体结构 阅读器的组成：振荡电路、放大电路、解调电路、解码电路等。电子标签的组成：整流电路、编码电路、调制电路等。电子标签框图如图3.3A所示图 3.3A 电子标签框图阅读器框图如图3.3B所示图 3.3B 阅读器框图 第四章 系统实现 33第四章 系统实现 本章
39、内容是系统的详细实现，包括电子标签和阅读器的具体设计。4.1 主要芯片介绍555芯片简介555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。内部电路如图4.1所示图 4.1 LM555内
40、部结构图 555芯片有8个引脚，双列直插型的。其中6脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Vo)，它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(Vc)，可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。其中工作电压为5v-18v。PT2262/PT2272芯片简介 PT2262/PT2272 是一种CMOS 工艺制造的低功耗低价格的通用编码和解码芯片PT2262/PT2272 最多
41、可有12 位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空，接高电平，接低电平)，任意组合可提供531441 地址码。PT2262最多可有6 位(D0-D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17 脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262 发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272 接收到两次完全相同的码字后才开始解码，VT 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。PT2262/PT2272芯片的特点：功耗低，价格低，外部元器件少，RC 振荡电阻，工作电压的范围较宽，为2.6-15v。管脚功能：PT2262 管脚说明，如表4-1：表 4-1
42、 PT2262 管脚说明名称管脚功能A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”，“1”，“f”(悬空)D0-D57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉Vcc18电源正端（）Vss9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；OSC116振荡电阻输入端，与OSC2 所接电阻决定振荡频率；OSC215振荡电阻振荡器输出端VT17编码输出端在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，PT2272管脚说明，如表4-2：表4-2 PT2272管脚说明名称管脚功能A0-A111-8、10-13地址
43、管脚,用于进行地址编码,可置为“0”，“1”，“f”(悬空)D0-D57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉Vcc18电源正端（）Vss9电源负端（）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端OSC116振荡电阻输入端，与OSC2 所接电阻决定振荡频率；OSC215振荡电阻振荡器输出端VT17解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）使用注意事项：PT2262和PT2272的地址码只有完全相同才能配对使用，要不然就不能完成编码、解码工作。只要将PT2262 和PT2272 的18 脚设置相同即可，例如，将2262的3脚接地，4脚接高电平的话，那么2272
44、的3脚也接地，4脚也接高电平，这样就能完成解码了。4.2 耦合线圈谐振计算电子标签的能量是通过电感耦合从阅读器得到的，电磁场由阅读器的天线线圈产生，这种磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间，因为使用的频率较低，所以电磁波的波长比阅读器和电子标签之间的距离大的多，可以把阅读器和电子标签之间的磁场看作是交变磁场。电子标签的线圈必须要和电容构成谐振回路，如果两个线圈不能谐振，电子标签就不能得到足够的能量来工作。阅读器的发射输出端采用发射线圈和电容并联构成谐振回路。由，其中f为系统的工作频率，由阅读器的振荡电路频率决定，此系统中频率为125KHZ。L为线圈的电感，C为线圈两端并联的电容。用电感表测量两个
45、线圈的电感分别为15.5uh和15.6uh。经计算得电容的大小为0.1uf。同理得到电子标签线圈所并联的电容大小。微调阅读器的发射频频率，通过该回路的谐振，使电子标签的线圈两端电压达到最大。4.3 电子标签设计电子标签由整流电路、调制电路和编码电路组成。4.3.1 电源模块 电子标签采用的是无源的，工作电压是通过电感耦合的方式从阅读器得到。通过线圈耦合过来的是交流电压。而电子标签需要的工作电压是直流的，所以需要一个模块来将交流电压转换为直流的。为了实现此功能我们需要一个对正负极有不同特性的元件，二极管就可以。二极管的典型特征就是单向导通特性。当二极管有正向电流流过时，二极管导通，有反向电流流过
46、是二极管截止。一个简单的方法就是将二极管和电子标签的天线串联，结果就是只有在一个方向上有电流流过二极管，然后再加一个电容来储存这个电流，通过电容的周期性的放电，就可以提供直流电流了。如图4.2所示（电阻R为负载）。但是，图 4.2 简单的整流电流模型上图的整流模型不足以提供稳定的直流电压，并且电压值也不够要求。为了得到更高更稳定的直流电压，一种常见的整流电流就是使用整流桥。如图4.3所示图 4.3 用整流桥进行整流在T1的正半周期内，二极管D1和D3加上了正向电压，此时D1和D3导通，而对于D2和D4相当于加了一个反向的电压，此时D2和D4截止，电路构成了T1、D1 、R1和D3 的导通回路。在T1的负半周期内，D2和D4加上了正向电压，此时它们导通，而D1和D3加反向电压它们截止。电路构成了T1、D2、R1和D4的导通回路。这样在一个周期内电阻R1上就有直流电压产生了。由于T1上的信号是正弦信号，这样的过程会不断的重复出现，R1上就会有持续的直流电压存在。在此射频识别系统
