13.56MHz射频识别系统硬件电路设计毕业论文.doc

本科毕业论文（设计）题目： 13.56MHz射频识别系统硬件电路设计 学生姓名 学 号 指导教师 院 系 专 业 年 级 I摘要射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是一种非接触的自动识别技术。RFID技术以其高度安全保密性、同时识别多个标签和高速运动物体、操作快捷方便等优点，使得在各领域的应用中异军突起，应用前景十分广阔。研究、开发射频识别读写器，对其发展有着重要的实际意义。论文首先介绍了RFID技术的发展历史及国内外应用现状，接着对RFID系统基本工作原理进行了概述；其次描述了射频识别系统的体系结构和基本功能，并着重介绍了国际标准ISO/IEC 15693空中接口协议；然后，按照该协议提出了一种基于TI公司S6700芯片的13.56MHz射频识别读写器的硬件设计和实现方案；详细阐述了S6700应用电路、天线设计、以及基于AT89S52单片机的控制电路、RS232串口通信电路的设计，本设计实现了对Tag_it卡的读写操作，并与上位机进行通信；最后，在硬件设计和软件设计基础上，根据制作的实物和测试结果做出总结论述，并提出了一些尚待解决的问题。关键词：射频识别，RFID，读写器，13.56MHz，电子标签，S6700，ISO15693AbstractRFID (Radio Frequency Identification, RFID) technology is an automatically identifying technology that requires no direct contact. Advantages such as high degree of safety and confidentiality, the ability to identify multi-tag and objects with high speed, and the convenient operation entitles RFID technology with wide application in all fields and great prospects. Therefore, the development of RFID reader has significant practical significance.The thesis will firstly give a general introduction on the history of RFID technology, its application both at home and abroad, and the overview of the basic working principle. Secondly, it focuses on the RFIDs system construction and fundamental functions, with an emphasis on the international standard ISO/IEC 15693 air interface protocol.Thirdly, according to the protocol, the paper proposes a hardware design program based on 13.56MHz RFID reader of S6700 Chip of TI Cooperation, elaborating the applied circuit of S6700, antenna design, and based on the control circuit based on the design of AT89S52 MCU and RS232 serial communication circuit. This design realizes the reading and writing function of Tag_it card, and also realizes the communication with the host computer. At last, based on the design of hardware and software as well as the testing results and the products, the paper will draw a conclusion and made a number of unsolved issues.Key words: RFID, Reader, 13.56MHz, Electronic Tag, S6700, ISO15693II目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 射频识别系统概述11.1.1初识射频识别技术（RFID）11.1.2射频识别技术发展历史及应用现状11.2 射频识别系统工作原理21.3 研究意义及论文结构3第二章 射频识别系统体系结构52.1 阅读器概述52.1.1读写器的基本结构52.1.2 读写器的基本功能62.2电子标签（Tag）概述62.3 ISO/IEC的RFID空中接口标准62.3.1 ISO/IEC 15693系列标准介绍72.3.2 ISO/IEC 15693标准的防冲突机制7第三章 RFID系统读写器设计93.1 系统结构技术指标93.2 设计方案93.2.1 系统设计总体构思93.2.2 TRF7960芯片的功能与特点103.2.3 S6700芯片的功能与特点113.3 读写器硬件电路设计133.3.1 射频电路设计143.3.2 天线设计153.3.3 控制电路设计173.3.4接口电路设计18第四章 总结与展望19致谢21参考文献23第一章 绪论1.1 射频识别系统概述1.1.1初识射频识别技术（RFID）RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)是一种应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动的获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感耦合或者电磁耦合）传输特性，实现非接触性信息传递，达到自动识别的目的1。一个典型的RFID系统由阅读器（Reader）、电子标签（应答器Tag）和数据管理、处理系统组成。RFID系统分为有源和无源两类，有源系统的电子标签是由电源来提供能量，无源的电子标签则没有电源而是由电磁场来提供能量。与传统识别技术比较，射频识别技术具有防水、防磁、耐高温、读取距离大、数据加密、传输速度快、存储数据容量更大、存储信息更改简单等特点，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，操作快捷方便。如今射频识别技术发展迅猛，其应用领域也在不断的扩大。射频识别技术被广泛应用于工商业自动化、军事物流保障、交通运输控制管理等众多领域，随着RFID标准的形成与完善，技术的进一步发展，其新的应用领域还在不断扩展，层出不穷。1.1.2射频识别技术发展历史及应用现状能量是RFID的存在基础，电磁能量是自然界存在的一种能量形式。雷达技术开创了人类利用电磁能量的先河，人们对雷达的应用和改进催生了RFID技术。1948年，哈里·斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”论文奠定了射频识别技术的理论基础。而最早使用这项技术的是美国国防部军需供应局。在随后的几十年，RFID技术得到了迅猛的发展，其应用产品正逐渐成为人们生活不可获取的一部分2。射频识别技术在国外发展迅速，RFID产品种类众多。如TI，Motorola, Philips, EM, iPico, Alien等世界著名厂家都生产RFID产品，并且它们的产品各有特点，自成体系。目前，RFID 还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但随着全球物流行业RFID大规模应用的开始，RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同。我国在RFID技术的研究、应用方面也发展很快。在RFID技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波RFID电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。在RFID技术应用方面，基于我们国家经济发展状况、信息化程度不高、RFID实施成本较高、标准尚未统一、我国产业链供应处于初级阶段等原因，RFID技术在我国尚未广泛应用。但是在国内物流、烟草、医药、门禁系统、身份证等已经得到很好的应用。2010年2月中国移动推出的使用RFID-SIM卡的手机支付业务、上海世博会电子门票、在无锡试点的物联网等堪称我国RFID行业典范。随着中国企业信息化进程的推进、RFID技术将逐渐扩大到更加广泛的领域，而RFID的成本也会随着应用的推广和市场的扩大而逐步降低，RFID的益处也将得到最大程度的发挥。1.2 射频识别系统工作原理最基本的RFID系统由三部分组成：（1）标签(Tag，即射频卡)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。每个标签具有唯一的卡号（UID）。（2）阅读器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。（3）天线：在标签和阅读器间传递射频信号。有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接，进行数据交换。本文所研究的系统使用RS232接口与PC机进行通信。典型的射频识别系统组成如图1.1所示。阅读器接口电路MCU射频模块天线上位机应答器（Tag）图1.1 射频识别系统基本组成所有阅读器均可简化为射频电路和控制单元两个基本模块。射频电路包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动电子标签提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给电子标签；接收并解调来自电子标签的高频信号。阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统执行反碰撞算法，对电子标签与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器的身份验证等附加功能3。本文研究的RFID读写器中心频率工作在13.56MHz，所操作的电子标签属于无源标签。读写器产生的射频信号通过天线辐射到空中，当标签处于天线辐射磁场中的时候，通过电感耦合，标签的天线线圈上产生一个电压，将其整流后作为数据载体的电源。论文中研究的RFID系统属于“阅读器通话优先”系统，即只有在接收到读写器发出的命令以后，标签才给出响应。1.3 研究意义及论文结构在目前主流自动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但是容易磨损，只具备读而不具备写的功能，并且数据量很少；接触式IC卡的成本稍高，数据存储量较大，安全性好，但是也容易磨损，寿命短；而射频卡片实现了免接触操作，应用便利，不易磨损，寿命长，穿透性好，抗污染和防干扰能力强，读取距离远，无需与目标接触就可以获取数据，支持写入数据，可重复使用，并且使用了防冲撞技术，能够识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡。因此，对射频识别技术的研究具有重要的意义。本文所研究的RFID系统为13.56MHz电感耦合射频识别系统。阅读器射频模块采用美国TI公司的S6700非接触式IC卡芯片，可以完成数据调制、解调的功能，并对射频调制信号进行整流和发射。阅读器的控制单元采用ATMEL公司生产的高性能CMOS 8位单片机AT89S52，其主要负责运行读写卡片的程序，提供S6700芯片的控制信号，通过RS232接口芯片完成与上位机进行数据通信。该读写器能完成对基于13.56MHz频段标签所有读写及控制操作，具有响应速度快、读卡距离远、通信稳定等优点。 23第二章 射频识别系统体系结构2.1 阅读器概述阅读器是RFID系统的核心和基础，在射频识别系统中担当着至关重要的角色。阅读器通过天线与RFID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。读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段，同时，读写器的功率直接影响了识别的距离。读写器在数据管理系统的控制下发送一定频率的射频信号，当电子标签进入阅读器天线所产生的磁场时被激发出感应电流从而获得能量，并发送出自身编码等信息，该信息被读写器读取并译码后送至管理系统(一般是电脑主机)进行相关处理，这一系列的发送、获取过程均以无线通讯方式进行4。2.1.1读写器的基本结构各种读写器虽然在耦合方式、通信流程、数据传输，频率范围等方面有着根本的差异，但是在功能原理和结构设计上，各种读写器大同小异，一般是由射频模块、控制单元、天线三部分构成。1.射频模块射频模块由射频振荡电路、射频应用电路以及接口电路组成。射频模块可发射和接收射频载波。射频载波信号由射频振荡器产生并被射频处理器放大，该载波通过天线发射。射频模块将天线接收的从射频识别标签发射或反射。2.控制单元控制单元一般由微处理器、时钟电路、标准接口以及电源组成，它可以接收射频模块传输的信号，译码后获得标签内信息，完成读标签操作；或将要写入标签的信息编码后传递给射频模块，完成写标签操作。还可以通过标准接口将标签内容和其他信息传递给计算机进行后续相关处理。3.天线天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换为电磁波的装置。在RFID系统中，天线在确定的工作频率和带宽条件下，发射由射频模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波并将其进行解调后传递给射频芯片5。2.1.2 读写器的基本功能读写器是射频识别系统的重要组成部分，它主要完成以下功能：1与电子标签的通信功能:在规定的技术条件下读写器可与电子标签进行通信。2与计算机的通信功能:读写器可以通过标准接口如RS232等与计算机连接，将得到的标签信息传输到计算机进行后续处理。3在读写区内同时识别多个标签，具备防冲撞功能。并且能够对高速移动的对象进行识别。4能够校验读写过程中的错误信息，并提示错误的有关信息。在射频识别系统的工作流程中，读写器的基本任务是触发作为数据载体的电子标签，与电子标签建立通信关系，并在后台系统和非接触的数据载体之间传输数据。这种非接触通信的一系列任务包括通信的建立、防止碰撞和身份验证等，均由读写器来处理。2.2电子标签（Tag）概述电子标签是指由耦合元件、IC芯片和天线组成的大小如芝麻粒的超微型集成模块。标签中一般保存有全球唯一的UID及相关数据信息，在实际应用中，电子标签被采用特殊封装形式封装而成各种形状的卡片或者附在待识别物体的表面。存储在芯片中的数据，可以由阅读器以无线电波的形式非接触的读取，并通过阅读器的控制单元，进行信息解读和相关处理6。在射频识别中，电子标签天线直接影响读取效果。在选择电子标签的天线时必须考虑以下因素：天线的类型；天线的阻抗；在应用到电子标签上时的RF性能；有在其他物品围绕贴标签物品时的RF性能。在实际应用中，标签的使用有两种基本形式。一是标签移动，通过固定式阅读器进行识别；一种是标签不动，通过手持式等移动阅读器进行识别。2.3 ISO/IEC的RFID空中接口标准在RFID系统中，电子标签和读写器之间通过相应的空中接口协议才能进行相互通信。空中接口标准直接决定系统传输和识别的可靠性和有效性。空中接口协议定义了读写器与标签之间进行命令和数据双向交换的机制，即读写器发给标签的命令和标签发给读写器的响应。国际标准化组织ISO/IEC制定了一些RFID空中接口标准，目前比较成熟并且应用最多的是载波频率为1356MHz的ISO/IEC 1 4443和ISO/IEC 1 5693系列标准，而最受关注的是ISO/IEC 1 8000系列标准，它涵盖了从1 25kHz到245GHz的频段内的空中接口通信参数。下面将着重介绍本研究方案使用的ISO/IEC 15693空中接口标准。2.3.1 ISO/IEC 15693系列标准介绍ISO/IEC 15693：2001识别卡无触点的集成电路卡邻近式卡系列标准是由ISO/IEC JTC1 SC17负责制定的载波频率为13.56MHz的非接触式IC卡国际标准。该系列标准分为4个部分：物理特性、空中接口和初始化、防冲突和传输协议、扩展命令集和安全特性。它规定了邻近式耦合设备(VCD)和邻近式卡(VICC)之间全部采用ASK 的调制原理进行通信，调制指数为10%和100%，VCD 确定使用哪种调制指数，VICC 应对两种调制指数正确解码。从VCD 向VICC 传送信号时，编码方式为两种：“256取1”和“4取1”，二者皆以固定时间段内以位置编码。这两种编码方式的选择与调制指数无关。当“256取1”编码时，10% 的ASK 调制优先在长距离模式中使用，在这种组合中，与载波信号的场强相比，调制波边带较低的场强允许充分利用许可的磁场强度对IC卡提供能量。与此相反，读写器的“4 取1”编码可和100% 的ASK 调制的组合在作用距离变短或在读写器的附近被屏蔽时使用。从VICC 向VCD 传送信号时，用负载调制副载波。电阻或电容调制阻抗在副载波频率的时钟中接通和断开，而副载波本身在Manchester 编码数据流的时钟中进行调制，使用ASK 或FSK 调制。调制方法的选择是由读写器发送的传输协议中FLAG 字节的标记位来标明，因此，VICC 支持ASK(副载波频率为424kHz)和FSK(副载波频率为424/484kHz) 两种调制方法。数据传输速率分为高速和低速两种，同样是通过FLAG 字节的标记位来选择。这两种速率根据采用的副载波速率不同而略有不同，采用单副载波时低速为6.62kbps，高速为8kbps；采用双副载波时则分别为6.67kbps 和26.69kbps。可见，ISO/IEC 15693标准具有应用灵活，操作距离远等优点7。2.3.2 ISO/IEC 15693标准的防冲突机制如果在同一时间段内有多于一个的射 频标签同时响应，则说明发生冲突。RFID的核心是防冲突技术，防冲突机制使得同时处于读写区内的多个标签的正确操作成为可能，通过算法编程，读写器即可自动选取其中一个标签进行读写操作。这样既方便了操作，也提高了操作的速度。ISO/IEC 15693标准采用基于时隙的轮询机制、分时查询的方式完成防冲突机制，在模式1的防冲突算法中最多有16个时隙，电子标签在每个时隙通过比较读写器指定的UID中某些位来决定是否响应，从而达到防冲突的目的7。三大空中接口标准中，ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693系列标准主要从射频IC卡的角度描述了接近式卡和邻近式卡与相应的耦合设备处于不同距离时的情况，而ISO/IEC 18000系列标准侧重描述了在单品管理中，在不同频率下利用射频识别技术进行自动识别和数据采集。第三章 RFID系统读写器设计3.1 系统结构技术指标本论文中所设计的非接触式射频卡读写器技术指标如下：l 电子标签：Tag-it系列，VICC（符合ISO/IEC15693-1标准）l 工作频率：13.56MHzl 读写距离：0-l5cml 通信速率：6.67Kbp/sl 射频输出：通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级l 供电电压：5V士10（l00mA）l 工作温度：-4085l 存储温度：-55125l 接口：标准RS-232(读写器），8位串行口（读写模块）l 安装方式：读写器方式：采用标准串口与PC机相连模块方式：直接焊接在系统电路板上3.2 设计方案3.2.1 系统设计总体构思本系统原本采用TI公司符合ISO/IEC 15693空中接口标准，工作于HF（13.56MHz）的RFID读写芯片TRF7960为核心设计。但是由于该芯片在封装工艺上的特点，无法手工焊接，以及考虑到时间仓促，难以在规定时间内较好的完成课题设计并制版调试，故在四月底决定换用TI公司具有相同功能的RI-R6C-001A（S6700）芯片。外围电路包括单片机（AT89S52）、耦合天线、串口通信接口电路（MAX232）、程序下载电路等组成。电源稳压模块把整个系统的工作电压稳定在5V。HF频段射频识别一卡通系统如图3.1所示。一卡通系统MAX2325V稳压电源耦合线圈天线AT89S52匹配电路S6700电子标签读写器图3.1系统总体框图RFID一卡通系统的工作过程如下：l 运行于PC机上的一卡通系统软件通过PC机的RS-232串口向读写器内的单片机（AT89S52）不断发送读卡指令l 读写器内单片机收到读卡命令后向读写器芯片（S6700）发出指令l 读写器芯片（S6700）把收到的指令按照空中接口标准（ISO-15693）进行编码，并对读写器芯片产生的载频13.56MHz信号进调制l 经调制的已调信号经过线圈天线发送到空中l 在读写器阅读场区内（典型为10cm以内）的电子标签获得射频激励取得能量并收到读标签信息的命令l 标签经过认，证如果命令正确，则按命令的要求把标签内存信息发送出去，如果认证错误，则返回错误信息l 读写器收到返回信息后，经过解调和解码获得标签内存UID等信息l 读写器芯片（S6700）将内存UID等信息传递给单片机l 单片机将收到的标签信息送给PC机一卡通系统软件l 系统软件收到信息后查找注册人员数据库，从中调出刷卡人的个人信息显示出来或声音提示，并记录刷卡信息（如时间、地点、金额）等。3.2.2 TRF7960芯片的功能与特点TRF7960芯片是2007年初TI公司发布的全球最小的高性能、低功耗、支持多协议的高频RFID射频模拟前端芯片。它具有如下特点：（1）高集成度：l 整个电路只需要一个13.56MHz的晶振；l 芯片可提供13.56MHz、6.78MHz和3.39MHz三种时钟输出来作为单片机的时钟选择；l 内部集成了高的电源抑制比的LDO，可直接驱动单片机来进行工作；l 采用5 x 5毫米32引脚的QFN（IC与电路板)连接封装大大减少了整个电路板的外围器件和电路板空间。（2）多协议支持：支持IS0/IEC 14443A/B、IS0/IEC 15693、IS0/IEC18000-3以及TI的非接触支付商务与Tag-it应答器产品系列；（3）低功耗：具有7种灵活的手动或自动配置设置，它们能关闭未使用的部分读卡器以达到省电的目的，因此可以降低读卡器的整体功耗。TRF7960可工作在27至5.5 V输入电源电压之间。在断电模式下，电流消耗低于1uA，待机电流小于120uA；（4）支持振幅和相位两种调制模式：有AM和PM双接收输入通道，对接收的AM和PM信号利用相对强度检测指示(RSSI)功能，选取较强的一路来进行解调，有效减少通信盲区；（5）支持SPI接口和并行总线接口；（6）宽读写范围：可用于密耦合(proximity)和远耦合(vicinity)系统中，内部有独立的模拟部分、数字部分和电源部分，可降低噪声以保证读写距离和可靠性；（7）输出功率可以调整；有100mW和200mW两种方式8。 在射频电路的具体设计中尽量让滤波电容靠近芯片，特别是10nF的电容,这样可以对高频信号进行有效的滤波；PCB布线时应尽量减少布线地的回路，要求接地的过孔尽量靠近元器件或者IC的接地端；在布线的时候尽量减少辅线的长度，特别是射频前端，让元器件保持紧凑。对于发送和接收接口电路，应进行最佳的阻抗匹配网络设计、天线“Q”值的估计，使天线与射频前端电路的50欧阻抗匹配应用。接收电路中有两路RX1_AM和RX2_PM，这样芯片在接收中对接收的两路进行比较，对信号强的那一路进行解调，有效避免了天线中的盲区9。3.2.3 S6700芯片的功能与特点TI公司的S6700芯片支持多种空中接口标准，本系统采用ISO/IEC15693-2协议。芯片由USB接口的5V直流供电，能提供最大200mW的输出功率10，内部集成了发射调制编码器和接收解调解码器，完成数据的发送调制编码和接收解调解码。其内部原理框图如图3.2所示。S6700与单片机控制器的接口信号共有4个，本系统实际应用SCLOCK、DIN、DOUT三个接口。l SCLOCK:双向串行时钟线。在标签响应S6700命令之前必须进行时钟线的切换，将控制权交由S6700芯片控制。l DIN:数据输入端。控制器通过该口将数据传输到S6700芯片，S6700在时钟的上升沿锁存数据。l DOUT：数据输出端。S6700通过该端口将解码器输出的数据传送到MCU。同时在FIFO管理的时候通过此口监测数据是否溢出，从而通知MCU暂停发送数据。在DOUT为高电平期间，输入数据无效。l M-ERR：用于在同时读多张卡的时候表征数据的冲突情况。M-ERR线也有内部下拉，平时为低电平，冲突时此线会升为高电平。图3.2 S6700内部原理框图S6700可由单片机控制器配置成三种工作模式：直接模式、普通模式和寄存器模式直接模式下，单片机要直接面向射频信号处理，比较复杂，所以此种模式一般不用。普通模式和寄存器模式均为标准的数字信号操作，其区别在于规定芯片操作的一些参数不同（例如规定所采用的射频协议、调制方式及传输速率是在命令序列中规定，还是由寄存器来设定的）。普通模式每条指令均含有该指令使用的参数，而寄存器模式指令序列中并不含这些参数，而是由预先写入的寄存器中的数值来决定。若使S6700芯片正常工作，S6700上电后必须首先初始化时间寄存器11。本系统采用普通模式。表3.1 S6700芯片引脚说明引脚号信号名称说 明1VDD_TX发送端的电源2TX_OUT三极管输出3R_MOD设置10%调制模式的外接电阻4VSS_TX发送端的接地5XTAL1振荡器的管脚16XTAL2振荡器的管脚27VSS_DIG数字部分的接地8XTAL_CLK缓冲过的时钟9未使用正常情况下，接地10未使用正常情况下，接地11DOUT串口线的数据输出12VDD_DLG数字部分的电源13DIN串口线的数据输入14M_ERR曼彻斯特编码错误标志位15SCLOCK串口线时钟16FSK_RSSIFSK或者RSSI信号输出17VDD_RX接收端的电源18未使用正常情况下，空置19VSS_RX接收端的接地20RX_IN接收端的输入3.3 读写器硬件电路设计硬件主要包括S6700芯片、单片机MCU、时钟电路、匹配电路、ISP下载接口及通信接口等外围电路。下面给出硬件实物图及各部分的相关设计。图3.3 硬件实物图3.3.1 射频电路设计射频电路由三大部分组成：S6700应用电路，与单片机相连的接口电路和射频振荡电路。图3.4所示为射频芯片加外围电路的应用原理图。图3.4 射频电路原理图S6700射频电路如图3.4所示，电路中共有输出和输入两路射频信号分别与S6700信号输出TX-OUT、输入RX-IN相连接。S6700产生的射频读写命令信号由第2管脚输出，经滤波匹配网络接入天线。天线接收到的标签响应信号由RX-IN接入S6700的第20管脚。L2、L5、C7、C20组成的网络以及L3、C9组成的LC网络都起滤波作用，使S6700通过天线接收的数据不至于流向发送端TX-OUT，因为此芯片发送数据时频率是13.56 MHz，而接收信号的副载波频率是13.56 MHz/28和13.56 MHz/32(FM)或13.56 MHz/32(AM)。C4为10nF的高频耦合瓷片电容，用于隔离漏极LC回路的直流电压并传递交流能量到下一级电路。R-MOD端的电阻R2决定发送信号的调制深度，其阻值直接影响发送的射频信号的调制深度，本系统采用18,调制深度为20%11。3.3.2 天线设计天线作为RFID系统重要组成部分，在与非接触式标签的通信过程中，它的作用是用于产生磁通量，而磁通量用于向无源标签提供能量并在读写器和标签之间传送时序、能量和信息。因此，阅读器的工作距离由三方面要素决定：阅读器的天线尺寸，天线匹配电路的品质因子Q和阅读器周围环境的影响。因此，设计天线的时候要充分考虑这三方面的因素12。此外，读写器天线构造的基本要求如下：l 使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量；l 功率匹配，以便最大程度地利用产生磁通量的可用能量；l 足够的带宽，以便无失真的传送数据调制的载波信号。阅读器的天线有多种形状，最常见的有两种：环形天线和矩形天线。本次研制的阅读器天线采用边长均为a，由PCB布线而成的矩形天线，这种天线在距其中心垂直距离为X处的磁通量密度可由公式(1)算出： （3.1）公式（1）中B为磁通量密度，其为磁场常数。N为天线线圈的匝数，I为线圈中电流强度。磁通量B与距离x成反比，磁场强度随着距离变远而弱。在天线设计的过程中，谐振电感、电容和匹配阻抗的选择直接影响阅读器的阅读效率，电感值可采用公式估算的方法近似得到。天线电感的估算公式如公式（2）下： （3.2）其中L为天线电感估计值，单位为nH; l1为一圈天线导线环的长度，单位cm；D1为PCB线圈导线的宽度；线圈为矩形，则K=1.47；N为线圈匝数。由以上两个公式可看出，增加线圈的匝数可增大线圈的磁通量密度，增加系统工作距离，但是增加匝数会使线圈的电感增大，线圈的电感不应超过5uH，以便计算出合适的匹配电容，所以必须在线圈能提供足够大的磁通量密度情况下保证线圈匝数N尽可能的小13。S6700的工作频段是13.56MHz,属于短波段，该芯片要求的天线匹配阻抗是50。天线等效原理图如图3.5所示。 图3.5 天线部分原理图其中R2、L4、C6、C5组成串联谐振电路，匹配阻抗为50。L4为天线线圈的等效电感。可调电容C5用来准确调整电路谐振点在13.56MHz，这一设计有利于阅读器正确的接收和发送信息。在本系统PCB矩形天线中，线圈边长a均值为2000mil，线圈宽度为40mil，砸数为6，等效电感为3.55uH。3.3.3 控制电路设计ATMEL公式生产的AT89S52 单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度、非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程的Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案14。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电方式下，RAM内容被保存，振荡器冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止15。图3.6 控制部分原理图AT89S52通过普通I/O口能够很容易地模拟S6700传送数据的时序以及时钟切换的时序。如图3.6所示，S6700芯片SCLOCK、M-ERR 、DIN 、DOUT四个引脚分别连接到单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个引脚上，用来实现数据的串行传输。P1.5、P1.6、P1.7和RST四个管脚组成ISP下载电路。管脚P3.0/RXD、P3.1/TXD分别和串口通信芯片MAX232的R1OUT、T1IN管脚相连接。时钟电路和复位电路采用经典电路。3.3.4接口电路设计RFID读写器系统与PC上位机的通信可通过RS232实现，RS232电平转换功能选择MAX3232芯片。该芯片使用单一电源电压供电，电源电压在3V-5.5V范围内都可以正常工作。整个外围连接电路比较简单，只需要5个1uF的瓷片电容。保证数据传输速率在120kbps下保持RS232输出电平。可以很方便地完成TTL电平与RS232电平之间的转换以供AT89S52使用。硬件上采用3线制（RXD、TXD、GND）软握手的零MODE方式，即将PC机和单片机的发送数据线（TXD）与接收数据（RXD）交叉连接，两者的地线（GND）直接相连，其它信号线如握手信号线均不用，而采用软件握手。这样即可以实现预定的任务又可以简化电路设计，节约了成本16。接口电路如图3.7所示。 图3.7 RS232引脚图和电平转换电路第四章 总结与展望RFID技术是本世纪最有前途的应用技术之一，RFID技术正在日趋完善，其在各领域的应用也越来越广泛。开发射频识别读写器具有现实的应用意义。本课题使用符合ISO/IEC 15693空中接口标准的高性能、低功耗芯片S6700开发了一种非接触式射频识别读写器，经过测试，该阅读器的有效读写距离为10cm左右。最终作品能够顺利配合课题组的“基于射频识别的校园一卡通系统”正常工作。文中主要从阅读器的射频电路、天线、控制电路等几个方面了进行了学习研究，取得以