基于MC2833和MC3362的RFID系統設計

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摘要RFID系統主要由閱讀器和應答器組成。閱讀器包含高頻接收模塊、控制單元及與應答器連接的耦合元件。高頻接收模塊以單片集成接收芯片MC3362為核心，結合MC145151構成鎖相回路，接收應答器發送的信息。應答器由耦合元件以及高頻發射模塊組成，其工作所需能量全部由耦合線圈提供，采用自動開關控制應答器與電源的通斷以降低功耗。
關鍵詞MC2833；RFID；閱讀器；應答器；耦合線圈
1 RFID和MC2833簡介
1．1 RFID技術
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)，又稱電子標簽。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，其通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便，也是一種簡單的無線系統，且只有兩個基本器件，該系統用于控制、檢測和跟蹤物體。系統由一個詢問器和多個應答器組成。
1．2 芯片MC2833簡介
Motorola公司生產的MC2833是單片集成FM低功率發射器電路，適用于無繩電話和其他調頻通信設備。圖1是MC2833內部結構和由此組成的調頻發射機電路。MC2833內部由話筒放大器、射頻壓控振蕩器、緩沖器和兩個輔助晶體管放大器等部分組成，另外需要外接晶體、LC選頻網絡及少量電阻、電容和電感。



2 系統方案設計
2．1 總體設計方案
系統主要由閱讀器和應答器組成，閱讀器將振蕩器的振蕩信號放大后經耦合線圈輻射出去；應答器一方面從耦合線圈得到激勵信號，另一方面將所得信號經調頻整流和穩壓后送入發射機和單片機為其提供能量，并采用自動開關控制發射機電源通斷以降低功耗。
采用頻分方式，閱讀器發射與應答器信號不同頻率的大功率高頻信號，作為應答器的能源。應答器收到高頻信號后將其高頻整流作為整個應答器的電源，應答器的發射系統根據單片機提供的編碼完成信號的調制及發射，如圖3所示。

2．2 應答器發射電路
應答器發射電路采用專用的調頻發射芯片MC2833，使用其典型應用電路，實現調頻，原理如圖4所示。

2．3 閱讀器接收電路
采用窄帶調頻接收專用芯片MC3362，結合MC145151，利用鎖相環電路進行頻率合成，形成閉環控制；鑒頻器的靈敏度較高，可得到精度和穩定度較高的頻率信號。其框圖如圖5所示。


3 理論分析與計算
3．1 耦合線圈
設計要求耦合線圈直徑為6．6 cm，漆包線直徑≤1 mm，繞制10圈，得漆包線總長度為
L=6．6 cm×π×10=207 cm=2．07 m (1)
一般取線圈總長度為波長的1／4，則波長為
λ=2．07×4=8．28 m (2)
頻率為
f=c／λ=3×108／8．28=36．2MHz (3)
其中，c是光速；f為無線電波的頻率；λ為該無線電波的波長，所以調制信號的載頻為36．2 MHz。
3．2 閱讀器發射電路
因為調頻信號的頻率為36 MHz，為減小其干擾，同時兼顧能量傳輸效率及減小功放電路制作難度，閱讀器功率發射電路的頻率設定約為3 MHz。設計要求閱讀器電源功率≤2 W，其中大部分被發射機消耗，取發射機效率為50％，則最大輸出功率1 W，考慮實際情況，發射功率取0．8 W較佳。
3．3 閱讀器接收電路
該接收電路采用以窄帶調頻接收專用芯片MC3362核心的調頻接收解調電路，利用二次混頻技術，其中高、低中頻分別取常用的10．7 MHz和455 kHz，岡此第一本振頻率為36～10．7 MHz=25．3 MHz。
為提高接收靈敏度，本振頻率必須穩定，因此采用了鎖相環技術。在鎖相環路中，基準頻率源選用4．194 MHz晶振，以2 048 Hz作為鑒相參考頻率，因此必須對基準頻率進行R分頻，分頻比為R=4．194 MHz／2 048 Hz=2 048。同時，對本振信號進行N分頻，因本振頻率為25．3 MHz，所以N=fo／fR=25．3 MHz／2 048 Hz=12 354。
3．4 應答器電路
由于應答器電路能量來自耦合線圈，存儲在大電容中，所有有源器件必須采用微功耗芯片，因此單片機系統采用C8051芯片，最小工作電流20μA，以MC2833為核心的發射系統也工作在低功耗狀態，工作電壓3～6 V，工作電流5～10 mA，而感應線圈的電流約為0．5 mA，設存儲電荷時間為5 s，則發射系統每次發射時間T=0．5×5／5=0．5 s，電容容量C=0．5×5／6=415μF，實際取330～470μF。
因耦合高頻電源信號的頻率為3．2 MHz，普通的整流二極管無法滿足要求，因此可采用高頻檢波二極管2AP9，實際效果理想。發射時間為0．5 s，而其他時間無法向發射電路提供能量，因此采用了微功耗的自動開關電路，只有存儲足夠的能量后才能自動向發射電路提供能量。
4 單元硬件電路與程序設計
4．1 閱讀器電路設計
閱讀器主要由振蕩器、高功放、接收解調電路及單片機小系統等組成。由振蕩器和功放組成能量發射電路，振蕩器采用普通的LC振蕩器，而功放電路以芯片THR300—1為核心，具體電路如圖6所示。

圖6中12μH的電感就是耦合線圈，并與220 pF的電容組成諧振網絡，提高功放的效率。輸入激勵電壓約600 mV。
接收及解調電路以MC3362和MC145151為核心，通過二次混頻，獲得455 kHz的中頻信號，限幅后，經過鑒頻解調出數據信號，然后送入單片機，其原理框圖如圖7所示。

4．2 應答器電路設計
應答器主要由整流濾波電路、自動開關、發射電路和單片機小系統組成，其原理如圖8所示。

發射電路采用集成專用發射芯片MC2833。為滿足天線發射接收要求，根據之前的分析計算，發射系統使用12 MHz晶振，通過3倍頻使載波頻率調諧到36 MHZ。
4．3 識別裝置工作流程
識別裝置工作流程如圖9所示。

4．4 總體電路
總體電路框圖如圖10所示。


5 軟件設計
系統軟件分為閱讀器軟件和應答器軟件兩部分。閱讀器的軟件主要負責數據的接收、處理和顯示等功能的實現；應答器的軟件功能較為簡單，主要負責預置編碼的讀入和發出，具體流程圖如圖11、圖12所示。


6 系統功能和指標測試
功能測試所用儀器為卷尺和秒表。測試時不斷增大兩線圈間的距離，測量其識別時間及結果，應答器采用電池供電的測試結果如表1所示。


7 結束語
RFID系統主要包括閱讀器和應答器兩大模塊。閱讀器采用單電源10 V供電，應答器工作所需能量由耦合線圈提供，系統實現了RFID系統應答器的有、無以及其預置編碼的識別與顯示。采用電池供電時，識別時間小，識別準確率為100％，而采用耦合線圈供電時，識別時間增大，但均5 s，準確率為87．5％，識別距離固定為5 cm，實現了基于MC2833和MC3362對RFID的設計。