RFID详细设计

1中国民航大学电子信息工程CDIO初级项目简易的RFID识别系统详细设计报告（总体）总15页第1页编号1、设计方案本系统主要是基于RFID的简单射频识别系统，该系统基于51单片机控制，以无线通信为基础。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。系统设计主要分阅读器、应答器两部分。各部分电路为：阅读器：1、电源2、电源控制器3、本振信号源4、功率放大放大电路5、包络检波电路6、带通滤波电路7、方波整形电路8、电压比较电路9、51单片机控制电路。应答器：1、电源：2、拨码电路3、编码电路：4、加密电路5、调制电路6、功放电路原理概述：电路主要由阅读器与应答器两部分构成。阅读器是可以利用射频技术来完成读取电子标签信息的设备，它通过发射信号唤醒和传送命令给电子标签，并接受标签返回的信号，在经过对信号进行初步过滤和处理之后，将信息传送给中央处理单元处理得到有用的数据（并显示出来）,从而完成对电子标签信息的获取与解析。阅读器的工作频率决定了RFID系统的工作频率，另外阅读器的发射频率又决定了识别距离的远近。应答器主要作为信息的载体储存了不同的信息，应答器接受读写器的命令后开始工作，将存储的信息编码、加密、调制、放大后通过天线耦合到初级线圈，完成信息的传输。项目名称：简易的RFID识别系统2系统结构框图图1系统结构框图射频识别系统结构与组成阅读器：1、电源：给阅读器个各部分电路供电；2、电源控制器：控制发射端的接通与关闭；3、本振信号源：为检波与信号传输提供振荡信号；4、放大电路：增加信号功率便于传输与处理；5、包络检波电路：将调制信号解调得到有用的信号；6、带通滤波电路：滤除噪声和消除载波；7、方波整形电路：将得到的信号方波平滑整形；电压比较电路：使方波更加适合数字处理；8、51单片机发送信号发射命令和对信号进行解码，控制LED显示3应答器：1、电源：给应答器的拨码电路中的拨码开关供电；2、拨码电路：不同拨码的组合形成不同的信息；3、编码电路：将拨码电路产生的输入信号进行编码；4、加密电路：对编码的信号进行加密；5、调制电路：对本振与输入信号进行调制，使用与门或与非门；6、功放电路：放大调制信号，使其符合天线耦合传输的需要；2、各分系统或部件的技术、质量指标要求阅读器部分电路设计：一、本源振荡电路：为信号传输提供振荡信号；本设计采用并联谐振c-b型晶体振荡电路（也称皮尔斯电路）晶体振荡电路中，把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性荣性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以他具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。为信号传输提供振荡信号；本设计采用并联谐振c-b型晶体振荡电路（也称皮尔斯电路）。设计理由：具有很高的稳频能力（或者说具有很高的电感补偿能力），因此可产生更加稳定的频率。主要技术指标：1、振荡频率：ƒ。=13.56MHz2、工作环境温度范围：-40℃~+85℃3、电源电压：+12V4、输出电压：1V主要参数：三极管工作在放大区，因此：反馈系数：F=C3/C1图2皮尔斯电路石英晶体选取：HC_49/U_13.56MHz晶振HLKRKRKR2,110,3013214工作原理：晶体振荡电路中，把晶体置于反馈网络的振荡电路之中作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以他具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。原理图二、功率放大电路：增加信号功率便于传输与处理；本设计采用丙类功率放大电路确定功放的工作状态：丙类高频功率放大器可工作在欠压状态、过压状态和临界状态。因欠压状态效率低，而过压状态严重失真，谐波分量大，为尽可能兼顾输出大功率、高效率，一般选用临界状态。主要设计指标：1、输出功率Po≥125mW2、谐振频率f=13.56MHz3、η65%；4、增益放大倍数≥50主要参数计算：L=41.1nHC=3.3nF三级管工作在临界状态图3丙类功率放大器丙类功放θc=60°—90°，这里为方便计算，设θc=70°。可得集电极电流余弦脉冲直流ICO系数α0(70°)=0.25，集电极电流余弦脉冲基波ICM1系数α1(70°)=0.44。设功放的输出功率为0.5W。（1）集电极参数计算集电极电流脉冲的直流分量：ICO=ICmax*α0(θc)=216*0.25=54mA电源提供的直流功率：PD=VCCICO=12V*54mA=0.65wMHzLCf56.132105集电极的耗散功率：PC=PD-PO=0.65w-0.5w=0.15w集电极的效率：η=PO/PD=0.5/0.65=77%（2）基极参数计算基极基波电流的振幅：IB1m=IBm*α1(70°)=9.5mA基极输入的电压振幅：VBm=2Pi/IB1m=5.3V（3）电源去耦滤波元件选择高频电路的电源去耦滤波网络通常采用π型LC低通滤波器，滤波电感可按经验取50—100uH，滤波电感一般取0.01uf。三、低通滤波器：滤除剩余载波分量，设计采用二阶低通有源滤波器电路。在设计的过程中运用的是滤波器的快速算法设计理由：提高通带的增益放大倍数，避免信号过小导致检测困难，采用有源滤波电路主要设计指标：1、通带增益Av=52、截止频率f=125KHz3、品质因数Q=0.707主要参数计算：通带增益：截止频率：品质因数：图3低通滤波电路同相比例因数：21CCAv212121CCRRfcVFAQ3145RRAAF6四、电压增益放大电路：增大调制信号的电压，便于检波。本设计采用二级甲类功率放大电路。设计理由：甲类功率放大电路，在信号全范围内均导通，非线性失真小，但输出功率和效率低，为弥补输出功率低的缺点设置二级放大，因为输入信号为已调信号，其频率跨度很大使用丙类放大会对信号造成严重失真，因此选用线性的功率放大器作为增益放大电路主要设计指标：1、输出功率Po≥125mW2、η65%；3、增益放大倍数：204、电源供电为12V，晶体管用2N2219主要参数：图5二级甲类功率放大电路原理图五、检波电路：将调制信号解调得到有用的信号。本设计采用二极管检波电路。设计理由：二极管包络检波器具有电路简单，易于实现的优点。主要设计指标：1、输出波形频率：250KHz2、包络波形衰减率10%主要参数计算：=300kHzFC01.01图6二极管检波电路原理图50820,221VVmAImAICECC2101CRw7该电路中一般要求输入信号的幅度在0.5V以上，所以二极管处于大信号工作状态，又称为大信号检波电路。它适用于解调含有较大载波分量的大信号，利用二极管的单向导电特性和检波负载LRC的充放电过程实现检波。所以LRC时间常数的选择很重要。LRC时间常数过大，会产生惰性失真。LRC常数太小，高频分量会滤不干净。综合考虑要求满足其中：ma为调制度f0为载波频率，Ωmax为调制信号角频率的最大值。六、带通滤波电路：滤除信道噪声。本设计采用四阶切比雪夫带通滤波电路.设计理由：本设计采用归一化切比雪夫低通滤波电路转化为带通滤波电路。主要性能指标：1、中心频率为：fo=13.56MHz2、上通带截止频率：f1=13MHz3、下通带截止频率：f2=14MHz4、阻带频率：MHzfMHzfss15,12215、通带增益：Av=1；6、品质因数Q值取1；图6电路原理图7、阻带衰减速率为：-40dB/10倍频。aaLmmCRfmax20118低通通滤波器转换成带通滤波器的设计公式：低通滤波转带通原理：低通衰减特性可通过频率变换)1(1ppS，转换成带通衰减特性，s表示低通原型下，对通带上限的广义频率，p表示低通转换的任意类型滤波器的中心频率w0的归一化广义频率，设，则，由此可得：,0,0,0,0100由此看出：1时为带通的通带中心频率，由1可得：由此便可变换为带通滤波器。七、电压比较电路：使方波更加适合数字处理；本设计采用采用单电源运算放大器LM258做比较；检波以后的信号是模拟信号，需要经过比较器与判决门限比较，才能还原为数字基带信号。它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平.420444443203333322022222120111111,..1,1,..1,CwLCCLwCLLCwLCCLwCLLjpjS,110220111221,,19主要性能指标：1、比较电压：0.35V；2、转换域宽度为为：0.1mv3、增益：Av=2；主要元件：LM258集成芯片图8电压比较电路八、51单片机控制电路：发送信号发射命令和对信号进行解码，控制LED显示51单片机每隔一段时间发送一段指令给电源控制电路，使射频发送端导通，同时方波信号送到A/D转换芯片TLC0831中转换成数字信号，送入51单片机中进行解码与存储处理，最后通过LED显示屏将结果显示出来。图9单片机控制电路10应答器部分电路设计：一、编码电路：图10编码电路图VD5026编码器是一种8位编码发射器，第1到8脚是编码的输入端，VD5026的第10到第13脚为数据输入线，第14脚为发射指令端，当此脚接地时，VD5026输出端则发出一组编码脉冲，第15脚、第16脚是一个内置振荡器，外接几十到几百千欧的电阻即可产生振荡，振荡频率为fosc=1600/R（KHz），式中R为外接电阻，单位为千欧。第17脚是编码输出端，第18脚、第9脚分别是电源的正、负极。电路工作时，拨动拨码开关，产生不同的信息，由八个输入管脚输入到vd5026编码器中，经处理后，由输出端输出一个串行的脉冲信号，由加密、调制电路进行进一步的处理。主要性能指标：1、工作电压：5V；2、输出电压：5V；3、时钟频率：125KHz；主要元件：VD5026、八位拨码开关11二、加密电路：加密电路主要对所产生的编码信息进行一定的加密，我们暂时选定将编码信息经过一个非门电路作为信息的加密。三、调制电路：在RFID系统中，数字ASK调制在系统的信息交互中广泛使用，实现调幅的方法有很多，如平方律调幅、高电平调幅、斩波调幅和负载调制等，我们选用使用率较高的负载调制。当编码电路产生的信息经由非门加密电路处理后，输入到负载调制电路，控制开关三极管的导通与断开。当编码电路输出为高电平时，开关三极管导通，R10中有电流通过，电路负载减小。当编码电路输出低电平时，开关三极管断开，基极与射极间没有电流通过，电路负载增大。在谐振时，并联振荡电路的谐振电阻由计算公式可知阻值数量级为1210，故其在并联负载电阻R11时可忽略不计，负载电阻接通时也可忽略不计。图九调制电路图四、功率放大电路功率放大电路用来增大调制信号的电压，便于信号发送。设计采用二级甲类功率放大电路。甲类功率放大电路，在信号全范围内均导通，