基于MC2833和MC3362的RFID系统设计

摘要 RFID系统主要由阅读器和应答器组成。阅读器包含高频接收模块、控制单元及与应答器连接的耦合元件。高频接收模块以单片集成接收芯片MC3362为核心，结合MC145151构成锁相回路，接收应答器发送的信息。应答器由耦合元件以及高频发射模块组成，其工作所需能量全部由耦合线圈提供，采用自动开关控制应答器与电源的通断以降低功耗。
关键词 MC2833；RFID；阅读器；应答器；耦合线圈

1 RFID和MC2833简介
1．1 RFID技术
    射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)，又称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，其通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，也是一种简单的无线系统，且只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器和多个应答器组成。
1．2 芯片MC2833简介
    Motorola公司生产的MC2833是单片集成FM低功率发射器电路，适用于无绳电话和其他调频通信设备。图1是MC2833内部结构和由此组成的调频发射机电路。MC2833内部由话筒放大器、射频压控振荡器、缓冲器和两个辅助晶体管放大器等部分组成，另外需要外接晶体、LC选频网络及少量电阻、电容和电感。

2 系统方案设计
2．1 总体设计方案
    系统主要由阅读器和应答器组成，阅读器将振荡器的振荡信号放大后经耦合线圈辐射出去；应答器一方面从耦合线圈得到激励信号，另一方面将所得信号经调频整流和稳压后送入发射机和单片机为其提供能量，并采用自动开关控制发射机电源通断以降低功耗。
    采用频分方式，阅读器发射与应答器信号不同频率的大功率高频信号，作为应答器的能源。应答器收到高频信号后将其高频整流作为整个应答器的电源，应答器的发射系统根据单片机提供的编码完成信号的调制及发射，如图3所示。

2．2 应答器发射电路
    应答器发射电路采用专用的调频发射芯片MC2833，使用其典型应用电路，实现调频，原理如图4所示。

2．3 阅读器接收电路
    采用窄带调频接收专用芯片MC3362，结合MC145151，利用锁相环电路进行频率合成，形成闭环控制；鉴频器的灵敏度较高，可得到精度和稳定度较高的频率信号。其框图如图5所示。

 

3 理论分析与计算
3．1 耦合线圈
    设计要求耦合线圈直径为6．6 cm，漆包线直径≤1 mm，绕制10圈，得漆包线总长度为
    L=6．6 cm×π×10=207 cm=2．07 m         (1)
    一般取线圈总长度为波长的1／4，则波长为
    λ=2．07×4=8．28 m                      (2)
    频率为
    f=c／λ=3×108／8．28=36．2MHz           (3)
    其中，c是光速；f为无线电波的频率；λ为该无线电波的波长，所以调制信号的载频为36．2 MHz。
3．2 阅读器发射电路
    因为调频信号的频率为36 MHz，为减小其干扰，同时兼顾能量传输效率及减小功放电路制作难度，阅读器功率发射电路的频率设定约为3 MHz。设计要求阅读器电源功率≤2 W，其中大部分被发射机消耗，取发射机效率为50％，则最大输出功率<1 W，考虑实际情况，发射功率取0．8 W较佳。
3．3 阅读器接收电路
    该接收电路采用以窄带调频接收专用芯片MC3362核心的调频接收解调电路，利用二次混频技术，其中高、低中频分别取常用的10．7 MHz和455 kHz，冈此第一本振频率为36～10．7 MHz=25．3 MHz。
    为提高接收灵敏度，本振频率必须稳定，因此采用了锁相环技术。在锁相环路中，基准频率源选用4．194 MHz晶振，以2 048 Hz作为鉴相参考频率，因此必须对基准频率进行R分频，分频比为R=4．194 MHz／2 048 Hz=2 048。同时，对本振信号进行N分频，因本振频率为25．3 MHz，所以N=fo／fR=25．3 MHz／2 048 Hz=12 354。
3．4 应答器电路
    由于应答器电路能量来自耦合线圈，存储在大电容中，所有有源器件必须采用微功耗芯片，因此单片机系统采用C8051芯片，最小工作电流20μA，以MC2833为核心的发射系统也工作在低功耗状态，工作电压3～6 V，工作电流5～10 mA，而感应线圈的电流约为0．5 mA，设存储电荷时间为5 s，则发射系统每次发射时间T=0．5×5／5=0．5 s，电容容量C=0．5×5／6=415μF，实际取330～470μF。
    因耦合高频电源信号的频率为3．2 MHz，普通的整流二极管无法满足要求，因此可采用高频检波二极管2AP9，实际效果理想。发射时间为0．5 s，而其他时间无法向发射电路提供能量，因此采用了微功耗的自动开关电路，只有存储足够的能量后才能自动向发射电路提供能量。

4 单元硬件电路与程序设计
4．1 阅读器电路设计
    阅读器主要由振荡器、高功放、接收解调电路及单片机小系统等组成。由振荡器和功放组成能量发射电路，振荡器采用普通的LC振荡器，而功放电路以芯片THR300—1为核心，具体电路如图6所示。

    图6中12μH的电感就是耦合线圈，并与220 pF的电容组成谐振网络，提高功放的效率。输入激励电压约600 mV。
    接收及解调电路以MC3362和MC145151为核心，通过二次混频，获得455 kHz的中频信号，限幅后，经过鉴频解调出数据信号，然后送入单片机，其原理框图如图7所示。

4．2 应答器电路设计
    应答器主要由整流滤波电路、自动开关、发射电路和单片机小系统组成，其原理如图8所示。

    发射电路采用集成专用发射芯片MC2833。为满足天线发射接收要求，根据之前的分析计算，发射系统使用12 MHz晶振，通过3倍频使载波频率调谐到36 MHZ。
4．3 识别装置工作流程
    识别装置工作流程如图9所示。

 
4．4 总体电路
    总体电路框图如图10所示。

5 软件设计
    系统软件分为阅读器软件和应答器软件两部分。阅读器的软件主要负责数据的接收、处理和显示等功能的实现；应答器的软件功能较为简单，主要负责预置编码的读入和发出，具体流程图如图11、图12所示。

6 系统功能和指标测试
    功能测试所用仪器为卷尺和秒表。测试时不断增大两线圈间的距离，测量其识别时间及结果，应答器采用电池供电的测试结果如表1所示。

7 结束语
    RFID系统主要包括阅读器和应答器两大模块。阅读器采用单电源10 V供电，应答器工作所需能量由耦合线圈提供，系统实现了RFID系统应答器的有、无以及其预置编码的识别与显示。采用电池供电时，识别时间小，识别准确率为100％，而采用耦合线圈供电时，识别时间增大，但均<5 s，准确率为87．5％，识别距离固定为5 cm，实现了基于MC2833和MC3362对RFID的设计。