RFID打卡器和射频卡设计

PAGEPAGE7RFID打卡器和射频卡设计摘要：本系统采用Philips公司的MFRC500和ATmega16作为主控制器，设计出一台具有身份识别、信息读取与更新，并能与上位机相连的射频打卡器及其配套射频卡。系统集成了mega16处理器、MFRC500射频芯片、LCD显示模块、键盘模块、人机交互模块等硬件电路。整个系统结构清晰，经测试，完成了题目要求的各项指标且运行可靠。关键词：RFID射频卡天线串口通讯1、系统方案射频技术是一种利用无源射频卡和射频打卡器实现短距离（<10cm）信息交互的新手段。它的原理是射频卡通过流束供电技术获得能量，与打卡器交换信息，并以数字量的形式在液晶或上位机上显示。本系统要求打卡器能应答射频卡的数据，并能实现上位机与打卡器的通讯，且具有显示打卡时间、查询历史记录等功能，是一个多功能的射频打卡器。1.1设计思路本系统采用ATMega16为控制核心，利用MFRC500芯片制作打卡器。MFRC500芯片产生的信号经过功放电路放大后以电磁波形式由天线发射，射频卡通过耦合线圈获得能量后向打卡器返回数据，此数据经处理后转化为身份信息，通过液晶或上位机显示。如何提高信号强度和提高信噪比是系统设计的关键。设计思路如图1。1.2方案论证与比较选择1.2.1基准源设计基准电压源的温度系数、电压稳定性及抗噪声能力是基准源的重要指标，其性能好坏将直接影响到电路和系统的稳定性及多项性能指标。方案一：采用三端可调式稳压器LM系列制作稳压部分制作普通的正压稳压直流电源，对电路的数字部分和模拟部分共同供电。方案二：采用三端集成稳压器78XX系列作电路设计稳压器件组成稳压电路。三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。其内部基准电压不受输入电压波动的影响，并且内部设计了减流式保护电路和过热保护电路，能很好地保证稳压值的稳定。通过比较，我们认为方案二更满足系统要求，所以我们选择方案二。1.2.2调制器设计由于系统工作在13.56MHz波段，易受环境杂波的干扰，所以调制电路对元器件的高频特性和稳定程度有较高要求。方案一：采用FSK方式，抗噪声和抗干扰能力强，但信号占用带宽大。方案二：采用普通ASK方式，占用带宽小，调制解调电路简单，且打卡器能持续供应电量。比较方案一和方案二，方案二较符合题目要求，故采用ASK调制方式。因此可以利用RC500内置的ASK调制电路，1.2.3耦合类型选择方案一：电磁反向散射耦合雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，适用于远距离系统，传输距离在1m~10m。方案二：电感耦合变压器模型，依据电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合，电感耦合适用于密耦合系统和遥耦合系统，传输距离在1m以内。由于题目中要求最大感应距离为5厘米以上，故选择方案2。1.2.4发射天线设计该系统工作在13.56MHz的高频段，系统工作在天线的近场。方案一：采用圆形天线方案。根据圆形线圈的近场天线公式H=INR2/[2(R2+x2)3]（1）其中H为磁场强度，N为线圈匝数，R为天线半径，x为作用距离，再由麦克斯韦方程即可推导得电场强度E的大小。方案二：采用跑道型矩形天线。边长分别为m,n的矩形导体回路，有（2）比较方案一和方案二，方案二更加设符合题目的要求。故采用该方案。另外，为减少信号线的干扰，天线引脚先经过EMC高频滤波电路，然后接天线。（见图2、图3）图2发射天线PCB图图2发射天线PCB图图3发射天线原理图图3发射天线原理图1.2.5接收天线设计作为接收天线，必须有较高的波源频率，而且结构应呈开放型。由于非接触射频卡要求的频率精度、稳定度高，以至于保护外壳的加入也会对其造成较大的影响。因此我们选择了由三层线圈绕制的圆弧形折角天线，以减少信号在天线中的损耗。天线效果图见图4、图5。图4射频卡线实物图图5射频卡效果图图4射频卡线实物图图5射频卡效果图1.2.7功率放大电路设计在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大，在获取足够的射频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够的输出功率，必须采用射频功率放大器。方案一：采用集成功放芯片。集成功放芯片具有体积小，稳定性强等优点，但市面上常用的符合题目频率要求（13.56MHz）的功放芯片只有有限的几款，它们的工作电压都在20V上下，且功率在30W左右，超出了供电电源的范围。方案二：采用三极管分离元件构建功放电路。用分离元件构建的功放电路手段稍显复杂，但能根据电路的实际需要选择通频频率和功放倍数，且电路经过长期实践验证，理论参数可靠性强。综合考虑，我们选择方案二，利用能消除交越失真的经典电路，构建功率放大电路。1.3系统总体方案经过上述的分析和论证，决定了系统各模块最终的采用方案如下：（1）主控模块：Atmel公司的Atmega16L单片机（2）基准源电路：78XX系列（3）调制器：MFRC500芯片内置数字调试电路（4）发射天线：EMC滤波电路+跑道型矩形天线图6系统详细框图（5）接收天线：圆弧折角矩形天线图6系统详细框图（6）功率放大器：三极管功放电路（7）显示模块：HS12864液晶显示屏（8）键盘模块：4×4键盘+CH451系统的详细框图如图5所示2、理论分析与计算2.1天线制作原理根据天线设计的基本公式（3）（4）（6）（7）以上公式联立可得（8）其中r为从场源到观察点的距离；r0为自场源到观测点的单位矢量；e0为电场强度矢量方向的单位矢量；B0取决于场源的激励强度。由于电路发射接收天线均由矩形线圈围成，故对该公式在矩形环路里积分，得：（9）再带入麦克斯韦方程组，得H.2.2功率放大计算该设计采用无输出变压器的三极管功率放大电路（OTL电路）。当输入信号合适，电路不产生饱和失真的情况下，，（10）其中，电路的输出功率由输入信号的大小决定。当输入信号足够大，晶体管接近饱和失真时，可得到最大的不失真输出电压，此时，电路的输出功率达到最大：（11）2.3调制电路计算ASK调制1对应的载波幅度为A，0对应的幅度为A0,根据调试度Ma可求得A和A0的关系：A（12）平均能量为：（13）3电路设计3.1单元电路设计3.1.1天线电路设计（见附录图1、图2）发射和接收天线均采用矩形折角或圆弧角设计，以减少信号在电路中的振荡损耗。布线间距在1mm左右，以提高耦合系数。3.1.2功放电路设计（见附录2图3）功放采用三极管分离元件搭建，设置功率为1.8W左右，通频频率为13.56MHz。3.2总体布线设计（总体电路连接图见附录3图1，PCB图见附录3图2）1、为了消除数字电路噪声对模拟部分的干扰，模拟和数字地分别接地，中间以小型电感相连。2、对前级信号输入部分采用网格状铺地，进一步减少辐射噪声。3、整个PCB板采用模块化设计，各单元电路既紧密联系又相对独立。这一方面减少了PCB板的面积，降低了成本；另一方面，相对独立的设计可减小各级之间的相互串扰，而且便于测试并逐级校准。4、程序设计4.1软件组成本系统主要有信息发射模块、接收模块、键盘模块、液晶显示模块、时间模块、上位机连接模块等组成。4.2软件流程根据题意，软件流程分为MCU流程图与上位机软件流程图（见图7，图8）图7MCU流程图图7MCU流程图图8上位机软件流程图图8上位机软件流程图5、系统测试与结果分析5.1基础部分测试5.1.1测试仪器RIGOLDSA1030频谱分析仪、TTS1002示波器、MASTECHMY—65数字万用电表、自制稳压电源。5.1.2测试方法用示波器测试打卡器输出频率；把射频卡放在打卡器上方，逐渐挪开距离，检测打卡器是否能够识别卡的存在，测量能够识别的最大距离；测量打卡器的输出电压和输出电流，计算出它的输出功率；用RIGOLDSA1030频谱分析仪测量识别信号的输出功率和信号的信噪比。5.1.3测试数据（1）打卡器工作频率测试（射频卡阻抗—频率）(见图9)图9射频卡阻抗随频率变化曲线图9射频卡阻抗随频率变化曲线（2）打卡距离测试（见表1）表1：不同交流信号电压下，射频卡与打卡器之间的距离与阻抗的变化关系交流信号电平交流信号电平射频卡阻抗（Z）射频卡距离0V0.1V0.2V0.3V0.4V0.5V起始工作点78.32Ω72.43Ω21.05Ω18.54Ω17.03Ω16.63Ω0cm78.32Ω72.43Ω21.05Ω18.54Ω17.03Ω16.63Ω1cm49.81Ω49.80Ω30.24Ω30.22Ω30.27Ω30.35Ω2cm42.43Ω42.43Ω42.43Ω42.42Ω38.03Ω38.07Ω5cm40.05Ω40.08Ω40.06Ω40.06Ω40.07Ω40.06Ω（3）打卡器信号功率测试（见表2）表2：打卡器电压、电流与功率检测值次数12345678输出电压（V）2.982.912.932.882.923.012.982.97输出电流（A）0.620.610.620.600.710.640.700.64输出功率（W）1.851.761.821.732.071.932.081.90（4）识别信号输出功率（见表3）表3：识别信号输出功率检测次数123456功率（mW）1.221.201.171.221.211.19功率（dBm）0.860.790.680.860.830.76（5）信噪比测试（见表4）表4：信噪比检测数据次数123456信噪比（dB）58.259.058.659.858.559.2（6）输出阻抗