基于微控制器和讀卡芯片的讀寫器設計

文章出處：http://xianjuhong.com 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(jié)構(gòu)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(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(diào)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； 
　　② 令負載ZL=500W+0.00jW，確定起始點1； 
　　③ 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(diào)各元件參數(shù)。由圓圖的直觀性，該調(diào)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?qū)w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(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(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； 
　　④ 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； 
　?、?nbsp;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(jié)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(jié)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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