RFID实验课件

1、RFID实验实验1 RFID实验系统实验系统高频振荡器高频振荡器功率放大器功率放大器解 调 （ 检 波解 调 （ 检 波比较）比较）解码电路解码电路（单片机）（单片机）数码数码显示显示天线线圈天线线圈整流电路整流电路稳压电路稳压电路编码电路编码电路（单片机）（单片机）调制电路调制电路天线线圈天线线圈阅读器阅读器应答器应答器 高频高频振荡器振荡器 功率功率放大器放大器天线线圈天线线圈天线线圈天线线圈 整流整流 电路电路 稳压稳压 滤波滤波 编码电路编码电路（单片机）（单片机） 调制调制 电路电路 解调解调 （检波比（检波比较）电路较）电路 解码电路解码电路（单片机）（单片机） 显示显示 电路电路

2、能量传送能量传送信息传送信息传送阅读器阅读器应答器应答器 RFID实验系统的工作过程是：接通阅读器电源后，实验系统的工作过程是：接通阅读器电源后，高频振荡器高频振荡器产生产生13.56MHz方波信号，经方波信号，经功率放功率放大器大器放大后输送到天线线圈，在阅读器的天线线放大后输送到天线线圈，在阅读器的天线线圈周围会产生高频强电磁场。当应答器线圈靠近圈周围会产生高频强电磁场。当应答器线圈靠近阅读器线圈时，一部分磁力线穿过应答器的天线阅读器线圈时，一部分磁力线穿过应答器的天线线圈，通过线圈，通过电磁感应电磁感应，在应答器的天线线圈上产，在应答器的天线线圈上产生一个高频交流电压，该电压经过应答器的

3、整流生一个高频交流电压，该电压经过应答器的整流电路整流后再由稳压电路进行稳压输出直流电压电路整流后再由稳压电路进行稳压输出直流电压作为应答器单片机的工作电源，实现作为应答器单片机的工作电源，实现能量传送。能量传送。应答器单片机应答器单片机在通电之后进入正常工作状态，会在通电之后进入正常工作状态，会不停的通过输出端口向外发送数字不停的通过输出端口向外发送数字编码信号编码信号。单。单片机发送的有高低电平变化的数字编码信号到达片机发送的有高低电平变化的数字编码信号到达开关电路后，开关电路由于输入信号高低电平的开关电路后，开关电路由于输入信号高低电平的变化就会相应的在接通和关断两个状态进行改变。变化就

4、会相应的在接通和关断两个状态进行改变。开关电路高低电平的变化会影响应答器电路的品开关电路高低电平的变化会影响应答器电路的品质因素和复变阻抗的大小。通过这些应答器电路质因素和复变阻抗的大小。通过这些应答器电路参数的改变，会反作用于阅读器天线的电压变化，参数的改变，会反作用于阅读器天线的电压变化，实现实现ASK调制（调制（负载调制负载调制）。）。在阅读器中，由检波电路将经过在阅读器中，由检波电路将经过ASK调制的高频调制的高频载波进行载波进行包络捡波包络捡波，并将高频成分滤掉后将包络，并将高频成分滤掉后将包络还原为应答器单片机所发送的数字编码信号送给还原为应答器单片机所发送的数字编码信号送给阅读器

5、上的阅读器上的解码单片机解码单片机。解码单片机收到信号后。解码单片机收到信号后控制与之相连的数码管显示电路将该应答器所传控制与之相连的数码管显示电路将该应答器所传送的信息通过数码管显示出来，实现送的信息通过数码管显示出来，实现信息传送信息传送。RFID实验实验2 通信电子线路实验部分通信电子线路实验部分 2.1 振荡器振荡器 振荡器是用于产生周期性振荡信号的电路。振荡器是用于产生周期性振荡信号的电路。对于振荡器的输出信号，应该由以下指标来衡量：对于振荡器的输出信号，应该由以下指标来衡量：一是一是频率频率，即频率的准确度与稳定度；二是，即频率的准确度与稳定度；二是振幅振幅，即振幅的大小与稳定性；

6、三是即振幅的大小与稳定性；三是波形波形及波形的失真；及波形的失真；四是输出四是输出功率功率，要求该振荡器能带动一定的负载。，要求该振荡器能带动一定的负载。按照选频网络性质分为按照选频网络性质分为LC振荡器和振荡器和RC振荡器。振荡器。2.1.1 电感三点式振荡器电感三点式振荡器 这种电路的这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，其交流通路分别与放大电路的间抽头和尾端三个端点，其交流通路分别与放大电路的集电极、发射极集电极、发射极(地地)和基极相连，反馈信号取自电感和基极相连，反馈信号取自电感L2上的电压，称为电感反馈式振荡电路。上的电压，

7、称为电感反馈式振荡电路。 （1） 电感三点式振荡器电路振荡频率：电感三点式振荡器电路振荡频率：考虑考虑L1、L2间的互感，电路的振荡频率可近似表间的互感，电路的振荡频率可近似表示为示为: (2-1)（2） 电感三点式振荡器电路特点：电感三点式振荡器电路特点： 工作频率范围为几百工作频率范围为几百KHz几几MHz； 反馈信号取自于反馈信号取自于L2， 其对其对f0的高次谐波的阻的高次谐波的阻抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使输出波形不理想。输出波形不理想。2.1.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器电容三点式振荡电路，又称考毕兹振荡电路。如图电容

8、三点式振荡电路，又称考毕兹振荡电路。如图2-2所所示。示。Q是三极管，其结构与电感三点式振荡电路相似是三极管，其结构与电感三点式振荡电路相似,只只是将电感、电容互换了位置。是将电感、电容互换了位置。 电容电容 C1、C2 和电感和电感 L 构成正反馈选频网络，反馈信号构成正反馈选频网络，反馈信号取自电容取自电容 C2 两端，故称为电容三点式振荡电路，也称两端，故称为电容三点式振荡电路，也称电容反馈式振荡电路。反馈信号与输入端电压同相，满电容反馈式振荡电路。反馈信号与输入端电压同相，满足振荡的相位平衡条件，足振荡的相位平衡条件，LC谐振回路谐振回路Q值足够高的条件值足够高的条件下，电路的振荡频率

9、近似等于回路的谐振频率。下，电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率。 计算计算公式如下：公式如下：其中其中: 电容三点式振荡器电路的特点是振荡频率可电容三点式振荡器电路的特点是振荡频率可做得较高做得较高,一般可达到一般可达到100MHz以上以上,由于由于C2对高对高次谐波阻抗小次谐波阻抗小,使反馈电压中的高次谐波成分较使反馈电压中的高次谐波成分较小小,因而振荡波形较好。因而振荡波形较好。 另外当振荡频率较高时，另外当振荡频率较高时，C1,C2的值很小，的值很小，三极管的级间电容就会对频率的产生影响。三极管的级间电容就会对频率的产生影响。2.1.3 晶体振荡器晶体振荡器n晶体振荡器是振荡频率受石英

10、晶体控制的振荡器。晶体振荡器是振荡频率受石英晶体控制的振荡器。晶体振荡器的特点是：晶体振荡器的特点是： n（1） 物理、化学性能非常稳定；物理、化学性能非常稳定；n（2） 具有正压电效应和逆压电效应。具有正压电效应和逆压电效应。n石英晶体振荡器的选频特性非常好，它有一个极石英晶体振荡器的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率，而且等效品质因数很高。为稳定的串联谐振频率，而且等效品质因数很高。只有频率等于晶体谐振频率的信号最容易通过，只有频率等于晶体谐振频率的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。而其他频率的信号均会被晶体所衰减。 n本实验系统采用的本实验系统采用的石英晶体石

11、英晶体与与门电路门电路构成的构成的多谐振荡器多谐振荡器。多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路接通电源后无多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路接通电源后无需外触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲和方需外触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲和方波。由于多谐振荡器的在工作过程中不存在稳定状态，波。由于多谐振荡器的在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。与非门作为一个开关倒向器件，故又称为无稳态电路。与非门作为一个开关倒向器件，可用于构成各种脉冲波形的的产生电路。电路的基本工可用于构成各种脉冲波形的的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容的充放电，当输入电压达到与非门的作原理是利用电容

12、的充放电，当输入电压达到与非门的阀值电压阀值电压VT时，门的输出状态即发生变化。因此，电时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。值。 13.56MHz载波信号产生模块载波信号产生模块R2 1M12UIAG1 13.56MHzC522PC6100P131214+5V7UIBU1 74HC04电路中选用了电路中选用了13.56MHz无源晶振无源晶振,门电路采用门电路采用74HC04六六反相器反相器,也可采用也可采用74H00四二输入与非门四二输入与非门. 74HC04的电的电源电压为源电压为5V,图所示

13、为图所示为74HC04的芯片引脚图。的芯片引脚图。1A 11Y 22A 32Y 43A 53Y 6GND 714 VCC13 6A 12 6Y11 5A10 5Y9 4A8 4Y 不带负载时振荡电路输出的电压峰峰值可达不带负载时振荡电路输出的电压峰峰值可达410V，在不添加任何中间电路的情况下很容易驱动末级功放。在不添加任何中间电路的情况下很容易驱动末级功放。如果电路没有振荡，可以在如果电路没有振荡，可以在C5上并联一个可调电容上并联一个可调电容,调调节可调电容使其振荡，用示波器可以看到稳定的方波信节可调电容使其振荡，用示波器可以看到稳定的方波信号。波形虽然不是标准的正弦波，但经过末级功放的选

14、号。波形虽然不是标准的正弦波，但经过末级功放的选频网络可将波形还原成正弦波。频网络可将波形还原成正弦波。2.2 高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器是为应答器提供能量的电路，因高频功率放大器是为应答器提供能量的电路，因此是整个此是整个RFID系统最重要的部分。衡量功率放系统最重要的部分。衡量功率放大器的指标有两个：一个是要求输出功率大；一大器的指标有两个：一个是要求输出功率大；一个是要求集电极的耗散功率低，效率高。个是要求集电极的耗散功率低，效率高。功率放大器按照电流导通角功率放大器按照电流导通角的范围可分为甲类、的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。功率放大器电流乙类、丙类及丁

15、类等不同类型。功率放大器电流导通角越小，放大器的效率越高。导通角越小，放大器的效率越高。甲类功率放大器的，效率最高只能达到甲类功率放大器的，效率最高只能达到50%，适，适用于小信号低功率放大，一般作为中间级或输出用于小信号低功率放大，一般作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。功率较小的末级功率放大器。非线性丙类功率放大器的电流导通角，效率可达非线性丙类功率放大器的电流导通角，效率可达到到80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。非线性丙类功率放大器输出功率和较高的效率。非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号通常用来放大窄带高频

16、信号(信号的通带宽度只信号的通带宽度只有其中心频率的有其中心频率的1或更小或更小)，为了不失真地放大，为了不失真地放大信号，它的负载必须是信号，它的负载必须是LC谐振回路。谐振回路。本实验系统采用由高频晶体管本实验系统采用由高频晶体管C2655组成的丙类功组成的丙类功率放大器率放大器 。 高频功率放大电路高频功率放大电路+12VT12N2655L1200HC70.1FFC9 530PC10 12PC80.1 F FL23.2H6cm 4TR3 75RP2 100(1) 基本关系式基本关系式:当放大器的输入信号为正弦波时，集电极的输出电流当放大器的输入信号为正弦波时，集电极的输出电流iC为为余弦

17、脉冲波。利用谐振回路余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波的选频作用可输出基波谐振电压谐振电压vc1,电流电流ic1。式中，式中，VC1m为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；IC1m为集电极基波电流振幅；为集电极基波电流振幅；R0为集电极回路的谐振阻为集电极回路的谐振阻抗。抗。011RIVmcmc02102111212121RVRIIVPmcmcmcmcC集电极输出功率为：集电极输出功率为： 电源电源VCC供给的直流功率为：供给的直流功率为： 式中，式中， ICO为集电极电流脉冲为集电极电流脉冲iC的直流分量。的直流分量。放大器的效率为：放

18、大器的效率为：COCCDIVPCOmcCCmcIIVV112102102111212121RVRIIVPmcmcmcmcC（2）负载特性）负载特性：谐振功率放大器的交流负载特性谐振功率放大器的交流负载特性当放大器的电源电压当放大器的电源电压VCC，基极偏压，基极偏压Vb，输入电压，输入电压(或称或称激励电压激励电压)Vsm确定后，如果电流导通角选定，则放大确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rq。谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性

19、转移点由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性转移点A时，时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降VCES，集电，集电极电流脉冲接近最大值极电流脉冲接近最大值Icm。此时，集电极输出的功率此时，集电极输出的功率PC和效率都较高，此时放大器和效率都较高，此时放大器处于临界工作状态。处于临界工作状态。Rq所对应的值称为最佳负载电阻，所对应的值称为最佳负载电阻，用用R0表示，即表示，即0202)(PVVRCESCC当当RqR0时，放大器处于欠压状态，如时，放大器处于欠压状态，如C点所示，集电极点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率输出电流

20、虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当和效率都较小。当RqR0时，放大器处于过压状态，时，放大器处于过压状态，如如B点所示，集电极电压虽然比较大，但集电极电流波点所示，集电极电压虽然比较大，但集电极电流波形有凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾形有凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是：界工作状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是：CEScmCCVVV（3）自给偏压电路）自给偏压电路：丙类功率放大器的基极偏置电压丙类

21、功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的是利用发射极电流的直流分量直流分量IEO（ICO）在射极电阻上产生的压降来提供）在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。图中由的，故称为自给偏压电路。图中由R3和和C8组成自给偏组成自给偏压电路压电路,其中其中C8滤除交流信号滤除交流信号, 直流分量直流分量IEO在在R3上产生上产生一个上正下负的电压降一个上正下负的电压降,从而给功率放大管基极提供一从而给功率放大管基极提供一个负偏压。减小个负偏压。减小R3的阻值可以减小负偏压的阻值可以减小负偏压,从而提高功从而提高功率放大管发射极工作电流和输出信号幅度率放大管发射极工作电流和输出信号

22、幅度,但发射极工但发射极工作电流过大会使三极管被击穿作电流过大会使三极管被击穿,应注意适当调整，使其应注意适当调整，使其工作在临界工作状态。工作在临界工作状态。 （4）高频扼流圈：）高频扼流圈：图中的高频扼流圈图中的高频扼流圈L1作为丙类功率放大器的集电极负载作为丙类功率放大器的集电极负载和电源接入电路，必须具有较大的高频阻抗和很小的直和电源接入电路，必须具有较大的高频阻抗和很小的直流电阻，才能保证丙类功率放大器有较高的有效直流电流电阻，才能保证丙类功率放大器有较高的有效直流电源电压和高频输出信号幅度。本实验系统中采用导磁率源电压和高频输出信号幅度。本实验系统中采用导磁率较高的较高的NX-50

23、0镍锌铁氧体用线径镍锌铁氧体用线径0.4mm的漆包线绕制的漆包线绕制3040圈，电感量为圈，电感量为150200H。 （5）输出谐振回路：）输出谐振回路：为了不失真地放大信号，非线性丙类功率放大器的负载必为了不失真地放大信号，非线性丙类功率放大器的负载必须是须是LC谐振回路。图中的谐振回路。图中的 C9、C10与与L2组成输出谐振组成输出谐振回路，即选频回路。这里采用的是回路，即选频回路。这里采用的是LC串联谐振回路。串联谐振回路。因为因为LC串联谐振回路谐振元件上的电压是输入电压的串联谐振回路谐振元件上的电压是输入电压的Q倍，采用倍，采用LC串联谐振回路的目的，是为了在输出天线串联谐振回路的

24、目的，是为了在输出天线L2上得到较高的高频信号电压，以取得好的能量传输上得到较高的高频信号电压，以取得好的能量传输效果。效果。在在RFID系统中天线是传输能量和信息的一个关键环节。系统中天线是传输能量和信息的一个关键环节。天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。率接收或辐射出去的装置。RFID系统包括两类天线：系统包括两类天线：阅读器天线和应答器天线。阅读器天线用于发射高频电阅读器天线和应答器天线。阅读器天线用于发射高频电磁波和接收应答器返回的数据信息，应答器天线用于接磁波和接收应答器返回的数据信息，应答器天线用于

25、接收阅读器天线发射的高频电磁波，并将磁场能转换为电收阅读器天线发射的高频电磁波，并将磁场能转换为电能，为应答器芯片供电。能，为应答器芯片供电。RFID天线主要有线圈天线、微带贴片天线、偶极子天线天线主要有线圈天线、微带贴片天线、偶极子天线3种基本形式。作用距离小于种基本形式。作用距离小于1m的近距离的近距离RFID天线一般天线一般采用工艺简单、成本低的线圈天线。采用工艺简单、成本低的线圈天线。 n本实验系统中阅读器天线本实验系统中阅读器天线L2采用线径采用线径0.4mm的漆包线的漆包线绕成直径绕成直径6cm的环形空芯线圈，线圈圈数为的环形空芯线圈，线圈圈数为4圈，电感圈，电感量为量为3.2H。

26、n根据谐振公式，由谐振频率根据谐振公式，由谐振频率f为为13.56MHz和线圈电感值和线圈电感值L2约为约为3.2H，可计算出，可计算出C9C10约为约为43pf。实验中可。实验中可以通过调整半可调电容以通过调整半可调电容C9使输出回路达到谐振状态，使输出回路达到谐振状态，使使L2上的高频输出信号达到最大值。上的高频输出信号达到最大值。2.3 信号耦合与应答器供电信号耦合与应答器供电 (1) 信号耦合：信号耦合： 根据射频耦合方式的不同，根据射频耦合方式的不同，RFID系统的信号耦合系统的信号耦合方式分为电感耦合（磁耦合）方式和反向散射耦合（电方式分为电感耦合（磁耦合）方式和反向散射耦合（电磁

27、场耦合）方式两大类。磁场耦合）方式两大类。具有很小作用距离具有很小作用距离(典型值在典型值在lcm之内之内)的射频识别系统称的射频识别系统称之为紧耦合系统。为了正常工作，必须把这种系统的应之为紧耦合系统。为了正常工作，必须把这种系统的应答器插入阅读器中，或者是放置在一种事先规定的表面答器插入阅读器中，或者是放置在一种事先规定的表面上。紧耦合系统不仅可采用电感式耦合，也可采用磁场上。紧耦合系统不仅可采用电感式耦合，也可采用磁场式耦合。从理论上讲，它可以工作在从直流到式耦合。从理论上讲，它可以工作在从直流到30 MHz范围内的任意频率上，这是因为应答器工作时不必发射范围内的任意频率上，这是因为应答

28、器工作时不必发射电磁波。这种耦合方式能够提供较大的能量，甚至可以电磁波。这种耦合方式能够提供较大的能量，甚至可以为耗电流较大的微处理器供电。紧耦合系统应用于安全为耗电流较大的微处理器供电。紧耦合系统应用于安全性要求较高、但对作用距离要求不大的应用场合中，例性要求较高、但对作用距离要求不大的应用场合中，例如电子门锁系统或非接触式计数用的如电子门锁系统或非接触式计数用的IC卡系统。卡系统。 具有写读功能的、作用距离可达具有写读功能的、作用距离可达1 m的系统称为遥控耦的系统称为遥控耦合系统。几乎所有的这种系统都是采用电感合系统。几乎所有的这种系统都是采用电感(磁磁)式耦合，式耦合，目前，在市场上所

29、提供的射频识别系统中至少有目前，在市场上所提供的射频识别系统中至少有90都都属于电感属于电感(磁磁)耦合系统。耦合系统。作用距离大于作用距离大于l m的射频识别系统称之为远距离系统。所的射频识别系统称之为远距离系统。所有远距离系统都是采用电磁波方式工作在超高频和微波有远距离系统都是采用电磁波方式工作在超高频和微波范围内。这类系统根据其物理功能原理被称之为反向散范围内。这类系统根据其物理功能原理被称之为反向散射射频系统。还有一些工作在微波范围的远距离系统采射射频系统。还有一些工作在微波范围的远距离系统采用的是表面波应答器。用的是表面波应答器。 在应答器和阅读器之间传输数据所需要的能量，是由阅读在

30、应答器和阅读器之间传输数据所需要的能量，是由阅读器所接收的电磁场来提供能量。当应答器进入阅读器产器所接收的电磁场来提供能量。当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，阅读器的电感线圈上会产生感应电压。生的交变磁场时，阅读器的电感线圈上会产生感应电压。当距离够近，应答器天线电路所获得的能量可以供应答当距离够近，应答器天线电路所获得的能量可以供应答器芯片正常工作时，应答器和阅读器才能进入信息交互器芯片正常工作时，应答器和阅读器才能进入信息交互阶段。阶段。电感耦合方式的射频载波频率（称为工作频率）为电感耦合方式的射频载波频率（称为工作频率）为13.56MHz（波长（波长为为22.1m）和小于）和小于135

31、KHz(波长波长为为2400m)的频段。本实验系统采用的频段。本实验系统采用13.56MHz电感耦合方电感耦合方式。因为使用频率范围内的波长比阅读器天线和应答器式。因为使用频率范围内的波长比阅读器天线和应答器之间的距离大很多倍，所以应答器到天线的电磁场可以之间的距离大很多倍，所以应答器到天线的电磁场可以作为简单的交变磁场来对待，如图作为简单的交变磁场来对待，如图211所示。所示。本实验系统的信号耦合电路由阅读器天线本实验系统的信号耦合电路由阅读器天线L2和应答器天和应答器天线线L4组成。阅读器和应答器之间的天线线圈的耦合也组成。阅读器和应答器之间的天线线圈的耦合也可以看作为变压器耦合，可以看作

32、为变压器耦合，L2和和L4可以看作为变压器初、可以看作为变压器初、次级线圈，只是这两个线圈之间只存在很弱的耦合。阅次级线圈，只是这两个线圈之间只存在很弱的耦合。阅读器的天线线圈和应答器之间的功率传输效率与线圈包读器的天线线圈和应答器之间的功率传输效率与线圈包围的面积、两个线圈的相对角度以及它们之间的距离有围的面积、两个线圈的相对角度以及它们之间的距离有关。这里关。这里L2和和L4的圈数比为的圈数比为1：1。因此，。因此，L4的结构和的结构和参数与参数与L2完全相同。不同的是，在阅读器中，完全相同。不同的是，在阅读器中，L2与与C9、C1组成组成LC串联谐振回路，以求在串联谐振回路，以求在L2上

33、得到较高的高频上得到较高的高频输出信号电压；在应答器中，输出信号电压；在应答器中，L4与与C18组成组成LC并联谐并联谐振回路（见图振回路（见图212，图，图213所示），以求在所示），以求在L4上得上得到较大的高频输出信号电流，以便为应答器芯片提供足到较大的高频输出信号电流，以便为应答器芯片提供足够的电能够的电能。 （2）应答器供电：）应答器供电：电感耦合方式电感耦合方式RFID系统的应答器基本都是无源的，能量系统的应答器基本都是无源的，能量（电源）从阅读器获得。当应答器天线线圈（电源）从阅读器获得。当应答器天线线圈L4靠近阅靠近阅读器天线线圈读器天线线圈L2时，在时，在L4上产生感应电压，

34、将这个感上产生感应电压，将这个感应电压整流后，即可产生应答器所需要的直流电压。应电压整流后，即可产生应答器所需要的直流电压。1 3 21 2034510 11L43.2H6cm 4T1N40074ZD1ZD2ZD3ZD4C1910FC2047FC22100FC210.01R141KC23 22FT49014R15 10KC2422PC25 22PG34MHzU5AT89C2051LS7805C1812P整流电路为标准的桥式整流电路，由整流电路为标准的桥式整流电路，由4个二极管构成，为个二极管构成，为了减小功率损耗，二极管最好选择导通压降为了减小功率损耗，二极管最好选择导通压降为0.3V的锗的锗

35、二极管。此处二极管。此处C19的作用有两个，一是滤除整流后电流的作用有两个，一是滤除整流后电流中可能含有的高频成分；二是有一定的稳压作用。整流中可能含有的高频成分；二是有一定的稳压作用。整流得到的直流电压通过得到的直流电压通过78L05产生产生3.55V的稳定直流电的稳定直流电源为应答器芯片供电。源为应答器芯片供电。C20、C21、C22的作用是进一的作用是进一步滤除高频成分和稳压。选择步滤除高频成分和稳压。选择78L05作为电压调整和稳作为电压调整和稳压元件，也是为了减小功率损耗、得到较高的稳定直流压元件，也是为了减小功率损耗、得到较高的稳定直流电压，保证应答器芯片能够正常工作。电压，保证应

36、答器芯片能够正常工作。RFID实验实验3 通信原理实验部分通信原理实验部分 3.1 RFID系统的调制与解调系统的调制与解调3.1.1 RFID系统的调制方式系统的调制方式 RFID系统通常采用数字调制方式传送信息，用数系统通常采用数字调制方式传送信息，用数字调制信号（包括数字基带信号和已调脉冲）对高频载字调制信号（包括数字基带信号和已调脉冲）对高频载波进行调制。已调脉冲包括波进行调制。已调脉冲包括NRZ码的码的FSK、PSK 调制调制波和副载波调制信号，数字基带信号包括曼彻斯特码、波和副载波调制信号，数字基带信号包括曼彻斯特码、密勒码、修正密勒码信号等，这些信号包含了要传送的密勒码、修正密勒

37、码信号等，这些信号包含了要传送的信息。信息。 数字调制方式有幅移键控（数字调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控）、频移键控（FSK）和相移键控（）和相移键控（PSK）。）。RFID系统中采用较多系统中采用较多的是的是ASK调制方式调制方式。 ASK调制的时域波形参见图调制的时域波形参见图31，但不同的是，图中的，但不同的是，图中的包络是周期脉冲波，而包络是周期脉冲波，而ASK调制的包络波形是数字基带调制的包络波形是数字基带信号和已调脉冲。信号和已调脉冲。3.1.2 ASK调制方式的实现调制方式的实现（1）副载波负载调制：）副载波负载调制： 首先用基带编码的数据信号调制低频率的副载波，首先用基

38、带编码的数据信号调制低频率的副载波，可以选择振幅键控（可以选择振幅键控（ASK）、频移键控（）、频移键控（FSK）、或相）、或相移键控（移键控（PSK）调制作为副载波调制的方法。副载波的）调制作为副载波调制的方法。副载波的频率是通过对高频载波频率进行二进制分频产生的。然频率是通过对高频载波频率进行二进制分频产生的。然后用经过编码调制的副载波信号控制应答器线圈并接负后用经过编码调制的副载波信号控制应答器线圈并接负载电阻的接通和断开，即采用经过编码调制的副载波进载电阻的接通和断开，即采用经过编码调制的副载波进行负载调制，以行负载调制，以双重调制双重调制方式传送编码信息。方式传送编码信息。（2）负载

39、调制：）负载调制：电感耦合系统，本质上来说是一种互感耦合，即作为初级电感耦合系统，本质上来说是一种互感耦合，即作为初级线圈的阅读器和作为次级线圈的应答器之间的耦合。如线圈的阅读器和作为次级线圈的应答器之间的耦合。如果应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合，果应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合，则处于阅读器天线的交变磁场中的应答器就能从磁场获则处于阅读器天线的交变磁场中的应答器就能从磁场获得最大能量。得最大能量。同时，与应答器线圈并接的阻抗变化能通过互感作用对阅同时，与应答器线圈并接的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成读器线圈造成反作用反作用，从而引起阅读器线圈回路变换阻，从

40、而引起阅读器线圈回路变换阻抗抗ZT的变化，即接通或关断应答器天线线圈处的负载的变化，即接通或关断应答器天线线圈处的负载电阻会引起阻抗电阻会引起阻抗ZT的变化，从而造成阅读器天线的电的变化，从而造成阅读器天线的电压变化。压变化。 负载调制原理示意图负载调制原理示意图 我们在应答器中以二进制编码信号控制开关我们在应答器中以二进制编码信号控制开关S,即通过编码即通过编码数据控制应答器线圈并接负载电阻的接通和断开数据控制应答器线圈并接负载电阻的接通和断开,使这使这些数据以调幅的方式从应答器传输到阅读器，这就是些数据以调幅的方式从应答器传输到阅读器，这就是负负载调制。载调制。在阅读器端，对阅读器天线上的

41、电压信号进行包络检波，在阅读器端，对阅读器天线上的电压信号进行包络检波，并放大整形得到所需的逻辑电平，实现数据的解调回收。并放大整形得到所需的逻辑电平，实现数据的解调回收。电感耦合式射频识别系统的负载调制有着与阅读器天线电感耦合式射频识别系统的负载调制有着与阅读器天线高频电压的振幅键控（高频电压的振幅键控（ASK）调制相似的效果。（见图）调制相似的效果。（见图33） 负载调制实现数据传输的过程负载调制实现数据传输的过程 本实验系统中由开关管本实验系统中由开关管T4完成负载调制。完成负载调制。T4的基极通过的基极通过R15电阻与单片机电阻与单片机U5的编码信号输出端口的编码信号输出端口P3.1相

42、连。相连。在单片机输出的编码信号的控制下，在单片机输出的编码信号的控制下，T4在高电平到来在高电平到来时导通，在低电平时截止，造成应答器线圈并接的负载时导通，在低电平时截止，造成应答器线圈并接的负载电路的阻抗发生变化，应答器线圈负载阻抗的变化通过电路的阻抗发生变化，应答器线圈负载阻抗的变化通过互感作用对阅读器线圈造成反作用，从而引起阅读器线互感作用对阅读器线圈造成反作用，从而引起阅读器线圈回路变换阻抗圈回路变换阻抗ZT的变化，以此实现数据的变化与阅的变化，以此实现数据的变化与阅读器线圈回路变换阻抗读器线圈回路变换阻抗ZT变化的同步，从而造成阅读变化的同步，从而造成阅读器天线的电压变化。因此数据

43、便以器天线的电压变化。因此数据便以ASK的方式由应答器的方式由应答器传到了阅读器。传到了阅读器。需要注意的是：由于此处是高电平导通，低电平截止，所需要注意的是：由于此处是高电平导通，低电平截止，所以载波电压的高低与数据是相反的，阅读器检波出来的以载波电压的高低与数据是相反的，阅读器检波出来的信号并不是应答器发送的码字，而是其反码。信号并不是应答器发送的码字，而是其反码。3.1.3 ASK调制信号的解调调制信号的解调（1）包络检波：）包络检波： 大信号的检波过程，主要是利用二极管的单向导大信号的检波过程，主要是利用二极管的单向导电特性和检波负载电特性和检波负载RC的充放电过程。利用电容两端电的充

44、放电过程。利用电容两端电压不能突变只能充放电的特性来达到平滑脉冲电压的目压不能突变只能充放电的特性来达到平滑脉冲电压的目的，如图的，如图34所示。所示。实验电路如图实验电路如图35所示所示,在高频信号正半周在高频信号正半周D1导通时，检导通时，检波电流分三个流向：一是流向负载波电流分三个流向：一是流向负载R7（4.7K），产生），产生的直流电压是二极管的反相偏压，对二极管相当于负反的直流电压是二极管的反相偏压，对二极管相当于负反馈电压，可以改变检波特性的非线性；二是流向负载电馈电压，可以改变检波特性的非线性；二是流向负载电容容C14(103)充电；三是流向负载充电；三是流向负载R8（10K）作

45、为输出）作为输出信号。信号。 C11R61K0.01F1N60L3200HC140.01FR74.7K13.56MHzD1检波输出检波输出因为包络检波电路会改变耦合线圈因为包络检波电路会改变耦合线圈L2的的Q值，使谐振回路值，使谐振回路谐振状态发生变化，为了减小检波电路对谐振状态的影谐振状态发生变化，为了减小检波电路对谐振状态的影响，采用松耦合方式，即在耦合线圈和检波电路之间串响，采用松耦合方式，即在耦合线圈和检波电路之间串联一个小电容联一个小电容C11,在电容之后用一个电阻在电容之后用一个电阻R6使幅值得使幅值得到一定的衰减，使检波电路输出电压的最大值不超过后到一定的衰减，使检波电路输出电压

46、的最大值不超过后面的电压跟随器正常工作输出的最大电平。面的电压跟随器正常工作输出的最大电平。（2）比较电路：）比较电路： 经过包络检波以及放大后的的信号存在少量的杂波经过包络检波以及放大后的的信号存在少量的杂波干扰，而且电压太小，如果直接将检波后的信号送给单干扰，而且电压太小，如果直接将检波后的信号送给单片机片机2051进行解码，单片机会因为无法识别而不能解进行解码，单片机会因为无法识别而不能解码或解码错误。比较器主要是用来对输入波形进行整形，码或解码错误。比较器主要是用来对输入波形进行整形，可以将正弦波或任意不规则的输入波形整形为方波输出。可以将正弦波或任意不规则的输入波形整形为方波输出。比

47、较电路由比较电路由LM358组成，如图组成，如图36所示。所示。R4 1KR5 10KC1210FC130.01FRP120K+5V832756U2 LM358R8 10KR910MR10 10K+12V检波信号检波信号比较输出比较输出41图图3-6 比较电路比较电路LM358类似于增益不可调的运算放大器，其电路结构如类似于增益不可调的运算放大器，其电路结构如图图3-7所示。所示。OUT1 1IN1(-) 2IN1(+) 3GND 48 VCC7 OUT2 6 IN2(-)5 IN2(+)+-+-图图3-7 LM3583-7 LM358电路结构和引脚功能图电路结构和引脚功能图 每个比较器有两个

48、输入端和一个输出端。两个输入每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用端一个称为同相输入端，用“”表示，另一个称为反表示，另一个称为反相输入端，用相输入端，用“”表示。用作比较两个电压时，任意表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择平，它可选择LM358输入共模范围的任何一点），另一输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当端加一个待比较的信号电压。当“”端电压高于端电压高于“”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“

49、”端电端电压高于压高于“”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。位。 信号送到信号送到LM358后先由电压跟随器进行阻抗匹配，后先由电压跟随器进行阻抗匹配，电压跟随器的特点是输入阻抗小输出阻抗大，经过变换电压跟随器的特点是输入阻抗小输出阻抗大，经过变换后使电压比较器输入阻抗匹配，完成包络的整形输出。后使电压比较器输入阻抗匹配，完成包络的整形输出。然后进行电压比较，通过调整比较电平的电压值来得到然后进行电压比较，通过调整比较电平的电压值来得到二进制信号，比比较电平值大的电压判为高电平，用二进制信号，比比较电平值大的电压判为高电平，用1表示；比比较电平的值小的

50、电压判为低电平，用表示；比比较电平的值小的电压判为低电平，用0表示。表示。 R5（10K）和）和20K可变电阻可变电阻RP1给给LM358的的2脚比脚比较端设定一个偏置电压，通过调整较端设定一个偏置电压，通过调整20K的可变电阻来控的可变电阻来控制比较电平的高低，使制比较电平的高低，使2脚的比较电平比脚的比较电平比3脚的电平值低脚的电平值低0.5V左右即可。经过比较后的信号由左右即可。经过比较后的信号由1脚输出到解码单脚输出到解码单片机片机U3。3.2 RFID系统的编码与解码系统的编码与解码3.2.4 RFID实验系统的编码和解码实验系统的编码和解码 RFID实验系统的编码由应答器单片机实验

51、系统的编码由应答器单片机U5通过软件通过软件编码方式完成，解码由阅读器单片机编码方式完成，解码由阅读器单片机U4通过软件解码通过软件解码方式完成。方式完成。U4和和U5均采用美国均采用美国ATMEL公司生产的低电公司生产的低电压，高性能的压，高性能的CMOS8位单片机位单片机AT89C2051芯片。芯片。 图图318 AT89C2051引脚排列图引脚排列图 nP1口：口：P1口是一组口是一组8位双向位双向I/O口，口，P1.2P1.7提供提供内部上拉电阻，内部上拉电阻，P1.0和和P1.1内部无上拉电阻，主要是考内部无上拉电阻，主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端（虑它们分别是内部精

52、密比较器的同相输入端（AINO）和反相输入端（和反相输入端（AINI），如果需要应在外部接上上拉电），如果需要应在外部接上上拉电阻。阻。P1口输出缓冲器可吸收口输出缓冲器可吸收20mA电流并可直接驱动电流并可直接驱动LED。当。当P1口引脚写入口引脚写入“1”时可作输入端，当引脚时可作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流。的上拉电阻而输出电流。nP1口还在口还在Flash闪速编程及程序校验时接收代码数据。闪速编程及程序校验时接收代码数据。nP3口：口：P3口的口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电是带

53、有内部上拉电阻的阻的7个双向个双向I/O口。口。P3.6没有引出，它作为一个通用没有引出，它作为一个通用I/O口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，出信号，P3口缓冲器可吸收口缓冲器可吸收20mA电流。当电流。当P3口写入口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电口将用上拉电阻输出电流。流。nP3口还接收一些用于口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验闪速存储器编程和程序校验的控制信号。的控制信号。

54、nRST：复位输入。：复位输入。RST引脚一旦编程两个机器周期以上引脚一旦编程两个机器周期以上高电平，所有的高电平，所有的I/O口都将复位到口都将复位到“1”（高电平）状态，（高电平）状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平便可以完成复位，每个机器周期为便可以完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。个振荡时钟周期。nXTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。端。nXTAL2：振荡器反相放大器的输出端。：振荡器反相放大器的输出端。 该系统软件设计的基本原理是：首先通过单片机控

55、该系统软件设计的基本原理是：首先通过单片机控制应答器，发送数字基带信号，经过制应答器，发送数字基带信号，经过ASK调制后，再由调制后，再由天线发射出去。阅读器经天线耦合收到调制信号后，进天线发射出去。阅读器经天线耦合收到调制信号后，进行行ASK解调，解调后的信号通过串行口送到单片机。单解调，解调后的信号通过串行口送到单片机。单片机验证信号后，再经过解码芯片对信号进行解码放大片机验证信号后，再经过解码芯片对信号进行解码放大处理，最后由单片机控制显示模块处理，最后由单片机控制显示模块LED管显示出来。管显示出来。3.2.5 应答器程序设计应答器程序设计开始开始设置工作状态设置工作状态读取发送数据读

56、取发送数据将所得数据和将所得数据和奇偶校验标志奇偶校验标志位进行编码位进行编码按位传输该编码按位传输该编码判断数据传完否？判断数据传完否？延时延时NY图图3-19 应答器程序设计流程图应答器程序设计流程图参考程序：参考程序：nMOV SCON ,#80H ;设置工作方式设置工作方式2n MOV PCON ,#00H ;SMOD=0 波特率不加倍波特率不加倍n MOV R0,#86HnLOOP: MOV A,R0 ;取发送数据取发送数据n MOV C,P ;奇偶位送奇偶位送TB8n MOV TB8,Cn MOV SBUF,A ;读取数据读取数据nWAIT: JBC TI,NEXT ;判断发送是否

57、结束，判断发送是否结束，TI=1时跳转时跳转n SJMP WAIT ; TI=0时时,在次此循环在次此循环nNEXT: ACALL DELAY ;延时延时n SJMP LOOPnDELAY: MOV R7,#0AH ;延时延时n DEL: MOV R6,#0FFHn DJNZ R6,$n DJNZ R7,DELn RETn END3.2.6 阅读器程序设计阅读器程序设计开始初始化开始初始化串口中断入口串口中断入口开启串口中断开启串口中断读数据读数据接收数据奇偶校验为接收数据奇偶校验为P判断数据接判断数据接收位收位RB8中断返回中断返回判断数据接判断数据接收位收位RB8LED显示显示返回返回为为

58、1为为0为为0为为1为为0为为1阅读器程序设计流程图阅读器程序设计流程图 3.2.7 解码显示模块解码显示模块 在解码显示部分，选择用在解码显示部分，选择用2051的的P1口作为译码的口作为译码的动态显示输出，动态显示的特点是将所有位数码管的段动态显示输出，动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留

59、作用，使人的感觉好像各位数码的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。管同时都在显示。 18171216891910181011121315162012比较信号比较信号R11 1KC16 22PG24MHzC17 22PC15 22FU3 AT89C2051T29014R121KR131KT39014+5VU4 CD4511LED LG5621AH45图图3-21 解码显示模块解码显示模块 当当2051接收到应答器发送的编码信息后，接收到应答器发送的编码信息后，2051中中存储有该应答器所对应的一卡通余额，并将其译码和显存储有该应答器所对应的一卡通余额，并将其译码和显示输

60、出。示输出。P1.3、P1.4分别作为分别作为2位八段数码管的片选输位八段数码管的片选输出，出，P1.0、P1.1、P1.5、P1.6分别连接分别连接CD4511的四个的四个数据输入端。四位的二进制数据输入端。四位的二进制BCD码输入码输入4511后，经过后，经过解码转换为解码转换为1位的十进制数，并控制一个共阴极的数码位的十进制数，并控制一个共阴极的数码管显示数字。管显示数字。P1.3控制个位数的输出，控制个位数的输出，P1.4控制十位的控制十位的输出。当输出。当2051有译码输出时，两个数码管所显示的数有译码输出时，两个数码管所显示的数字就会由初始化的字就会由初始化的“00”变为相应的数值