2021年03月16日 | 利用51单片机实现简单射频无线识别装置系统

1 引言

射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。射频识别工作无须人工干预，非接触，阅读速度快，无磨损，不受环境影响，寿命长，便于使用。目前，射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多，已广泛用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；仓储管理；车辆防盗等。由于我国射频识别技术起步较晚，除用于中国铁路的车号自动识别系统外，仅限于射频公交卡的应用。

在此，给出一种实现简单射频识别系统的方式。阅读器和应答器均包含在单片机控制系统中，利用2ASK调制与解调电路以及匹配网络电路，使整个系统的可识别有效距离约为10 cm，这已能够符合一般应用的需求。

2 系统设计概述

系统设计主要分阅读器、应答器、线圈3部分。阅读器采用晶振1和晶振2，分别提供应答器的功率驱动信号和数字调制信号。晶振1产生的振荡信号经过带通滤波器处理后，进行功率级放大，并通过匹配网络进行阻抗变换，以最大效率从线圈发射出去，为应答器提供所需的工作能量。晶振2产生的信号经过低通滤波器滤除高频杂波后，送往开关电路；手动设置的信息，南单片机转换为相应的控制信号，控制开关的通断，从而形成2ASK调制信号，与应答器进行通信。此外，阅读器还需将线圈上接收到的应答信号滤波放大并检波，最终获取有效信息，并由串口读取。图1给出阅读器结构。

晶振产生振荡信号后，经低通滤波器去除高频杂波，送往开关电路，作为2ASK的载波信号。控制开关电路通断的信号由操作者通过拨码开关手动设置，并由单片机读取后产生相应的控制信号。同时，应答器通过线圈接收功率驱动信号，待整流滤波后，得到直流电平，然后作DC—DC变换，以获取最终所需的直流电平，供整个应答器部分工作。图2给出了应答器结构。

3 硬件电路

3.1 阅读器与应答器2ASK调制解调电路

2ASK的载波信号是2MHz正弦波，它由有源晶振产生的方波经过低通滤波器得到。数字调制信号从CPU的串口输出，经过模拟开关MX7501控制信号通断，产生了2ASK信号。Ll，L2，C1和C2构成了二阶巴特沃兹低通滤波器，输出为近似正弦波的2 MHz信号。R1与R4使LC滤波器阻抗匹配。当EN为0时，OUT为0；反之为S1通道信号。图3给出阅读器的2ASK调制电路。

图4给出了解调电路。通过匹配网络的2ASK信号幅度低，噪声大，需要经过三级处理才能解调出数字信号。首先通过OP37中高速运算放大器将信号放大5倍，再经过高速比较器MAX910中的比较器A，将毛刺状信号加宽，减小噪声，D/A输出经L1，C1和C2组成的低通滤波器，取直流分量，这相当于包络检波。LC低通滤波器的截止频率为480HZ。最后将该信号进行比较整形，得到数字调制，再经QB输入到单片机串口。

3.2 发射电路

有源晶振产生的8MHZ方波经带通滤波器取出8 MHz的正弦信号，并通过功率放大器后输出到线圈上。图5中，L3，L4，C7和C8构成了二阶8 MHz的巴特沃兹带通滤波器，用以滤除谐波分量。VQ1为集射极跟随器，用以调节R3，使其静态工作电流约为1.5 mA，该级电路起到与信源隔离的作用。VQ2为丙类放大器，调节R7和VQ2的基极偏压使其工作在丙类放大状态。改变C2使其谐振，此时电源电流最小。再调节R4和VQ2的基极偏压，使电源电流更小，输出幅度更大，以处于丙类放大状态。L1为线圈，同时起到谐振电感的作用。C6为线圈的等效电容，经测量，约为34 pF；C3为外接电容，它能使并联回路谐振在8MHz。谐振时，L1上的电压可达45V。阅读器和应答器发射的另一个信号是2ASK信号，它经过运算放大后，通过匹配网络直接连接到线圈上。

3.3 应答器电源电路设计

应答器的整流滤波电路采用单相桥式整流滤波电路。T1为两个线圈，C1并接在应答器线圈两端，在8 MHz并联谐振下，其输入幅度最大。VD1～VD4采用IN5817型整流二极管，要求整流8 MHz的信号。正常时，C2两端电压基本稳定，即整流电流全部通过负载R1，因此RL越大，其电压也越大。这就要求负载尽量少，负载输入阻抗尽量大。C2的电容值不易太大或太小，太大则吸纳的电荷越多，使输出电压就越小;导致滤波效果不佳。因此，这里取C2=47μF。在耦合信号幅度一定时，该电路的功率驱动能力是固定的。实测中发现，当输入频率为8 MHz时，输出电压为5 V;当负载频率为1 kHz时。输出电压为4.25 V。由此可知，其驱动功率P=U2/RL=18 mW，应答器功耗必须小于该值。L1和L2进一步滤波，也能利用感应电势的作用防止电流大幅度突变，其电路如图6所示。

4 系统软件设计

4.1 软件思想

该系统软件设计的基本原理是：首先通过单片机控制阅读器，发送数字基带信号，经过2ASK调制后，再由天线发射出去。应答器经天线收到调制信号后，进行2ASK解调，解调信号通过串行口送到单片机。单片机验证信号进行处理后，将EEPROM中存储的信息读取出来，并送向调制器，调制信号再经天线发送出去。阅读器收到返回的信号后将信号进行解调送回单片机。单片机将信号进行解码等操作，来分析返回的信号，以达到识别物品的目的。

4.2 程序流程图

复位后，阅读器端查寻是否有相应物品。若有，则阅读器端控制调制信号的产生。同时，允许将信号发送出去。应答器对接收到的相应信号进行解调，并检查所接收信息是否错误，并作相应处理。程序流程见图7。

5 系统测试与结论

该系统基于51单片机控制，以无线通信为基础，搭建了一个简单的射频识别系统。经过调试，系统运行良好，工作正常，平均识别距离为5cm。

由系统运行可见，该系统有如下优点：①识别时，无需接触；②识别时间短；③错误识别的概率相对较小；④有良好的扩展性。这种系统进行功能扩展后可用于停车场、交通道路管理、智能物业管理等多种场合。