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1、一种电子标签识读终端的研究与设计1引言射频识别(RFID)是利用无线方式对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种新兴技术。与接触式Ic卡和条形码识别等系统比较，它有着巨大的优势。利用射频识别技术，能有效实现对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理，达到高效快捷运作的目的，特别是在物流、交通航运、自动收费、服务领域等方面有着广泛的应用前景。针对工作频率为100kHz一150kHz的电子标签EM4100.本文提出了其识读终端的设计。2无源射频芯片EM4100工作基理EM4100系列为微型低功耗电子标签芯片，工作频率范围为100kHz150kHz，主时钟及工作电源取自识读器发射的信号。作为接收天线的
2、线圈和微芯片已连好并封装在一起。内部电路分模拟模块和数字模块2大部分。模拟模块包括：全波整流电路，时钟提电路，调制电路;数字模块包括：序列发生器，只读存贮器.数据编码器。无源电子标签与识读器之间的作用距离满足关系r<<λ(工作波长)，根据天线理论，属于天线近区场(即感应场)。因此，电子标签天线与识读终端天线之间的作用是基于电磁感应原理，等效电路见图1。其中，Ll为识读器发射天线电感，L2为电子标签线圈电感，R2为电子标签线圈的内阻，RL为电子标签谐振回路的等效负载。620)this.style.width=620;border=0alt=一种电子标签识读终端的研究与设计s
3、rc=技术2021/azrdebcdo3t2021.jpg图1信号耦合等效电路互感M在L2上产生的电压作为L2回路的信号源，由等效电路可推得回路的输出电压表达式：620)this.style.width=620;border=0alt=一种电子标签识读终端的研究与设计src=技术2021/lrmtht5elsa2021.jpg在其他因素不变时，若识读终端发射的信号频率与该谐振电路的谐振频率(620)this.style.width=620;border=0src=技术2021/x1hy1cbg3xq2021.jpg)相等，则输出电压最大;偏离谐振频率时，电压将快速减小。谐振信号经整流滤波后作为
4、片工作电源，当该电压值达到EM4100的要求时，芯片启动工作。该谐振电路的输出电压值取决于Q值、交变磁场强度及频率。显然，电子标签与识读终端之间的距离直接影响该电压值。在时钟提取电路从线圈感应信号提取的主时钟作用下，序列发生器发出存储器寻址、数据串行输出控制、数据编码控制等信号。芯片内存贮有唯一的64bit代码：9bit起始位、40bit信息位、14bit校验位、lbit停止位。代码经编码后控制调制器中的电流开关.实现对f0=125kHz载波进行调幅。每bit数据的时间宽度与载波周期的比率有3种选择：64、32、16。数据信号控制应答器天线负载的接通和断开.识读器天线上电压将跟随变化，实际是应
5、答器(电子标签)数据对识读器天线电压进行振幅调制，实现了应答器数据向识读器的传输。这就是所谓的负载调制。在识读终端有效作用范围内，电子标签循环发送64bit代码数据，实现数据向识读终端的传送。3识读终端硬件系统设计3.1功能分析根据上述识读终端与无源电子标签作用过程.识读终端应实现以下功能：1.发射射频信号。信号频率应等于电子标签接收回路的谐振频率，信号有足够的强度.以启动电子标签工作并满足对作用距离的要求。2.接收电子标签发射的射频信号，并解调出其中的数据。3.数据解码及后续处理。终端硬件系统实现前2项功能，第3项功能由识读终端软件系统实现。3.2射频接口电路设计与实现射频接口电路实现启动电
6、子标签和信号解调。系统采用RFID专用无线基站芯片EM4095设计了电子标签与识读终端主控模块之间的射频接口电路。EM4095功能原理见图2。620)this.style.width=620;border=0alt=一种电子标签识读终端的研究与设计src=技术2021/fvszej0i12m2021.jpg图2射频接口芯片EM4095原理EM4095兼容多种传输协议(如EM4OOX、EM4150等)，利用内部锁相环PLL就可得到与天线适合的谐振频率，而不需外接晶振，工作频率100kHz一150kHz，具有睡眠模式，与微控制器的接口简单，采用调幅同步解调技术，工作电压5V。芯片T作受输入信号SH
7、D和MOD控制。MOD=0时。芯片工作于只读模式。SHD=I时，为睡眠模式。芯片供电之后，SHD应先为高电平，以对芯片进行初始化，然后再接低电平，芯片即发射射频信号;同时。解调模块将天线上AM信号中携带的数字信号取出，并由DEMOD0UT端输出。RDY/CLK端向微控制器提供芯片内部的状态以及与发射信号同步的参考时钟。SHD=I时，RDY/CLK端输出低电平;SHD由高电平变为低电平后，经过约35ms，RDY/CLK端输出同步时钟信号，该参考时钟信号的出现表示发射模块和接收模块已经启动。通过查询RDY/CLK端信号状态，微控制器即可确定从DEMODOUT端接收数据的时刻。锁相环PLL、天线驱动
8、器、调制器组成射频信号发送模块。其中PLL由环路滤波器、相位比较器、压控制振荡器组成。天线线圈接收的信号通过耦合电容输入DEMODIN端，该信号与天线驱动器的输入信号由相位比较器进行相位比较，形成与相位差对应的电压，作为压控振荡器的控制信号，最终实现对天线发射信号频率的锁定。接收模块由采样保持器、滤波器、比较器组成。DEMODIN端输入的AM信号在VCO输出信号的同步控制下被采样，采样输出信号由端脚CDEC外接的电容隔离直和带通滤波采样(消除输出中的载频成分、高频和低频噪声)后，经异步比较得到对应的数字信号。620)this.style.width=620;border=0alt=一种电子标签
9、识读终端的研究与设计src=技术2021/h4x1ygtrvjo2021.jpg组成LC串联谐振电路，谐振频率为：620)this.style.width=620;border=0alt=一种电子标签识读终端的研究与设计src=技术2021/nq5h2ryhktz2021.jpg天线工作电流与谐振电路Q有关，天线线圈串联一个电阻可调节Q值。3.3主控模块微控制器负责启动EM4095并接收由EM4095解调的编码数据。采用AT89C52作为微控制器，其内部集成了8KB的Flash程序存贮器，256B的RAM，具有低功耗工作模式。EM4095的DEMODOUT端接P1.0，EM4095的SHD接P
10、1.1EM4095输出的参考时钟信号RDY/CLK端接TO，用作解码的同步时钟。AT89C52从电子标签读取来的编码数据存贮在EEPROM芯片AT24C64中。可司通过MAX232进行电平转换，实现与上位机的通信。识读终端硬件原理见图3。620)this.style.width=620;border=0alt=一种电子标签识读终端的研究与设计src=技术2021/i4g0r0k35u52021.jpg图3识读终端硬件原理图AT89C52通过P1.1发出控制信号启动EM4095工作，若有效作用范围内有电子标签。电子标签接收EM4095发射的射频信号能量后发送经过调制的编码信号，AT89C52通过
11、监测P1.0的状态，判断是否收到射频接口解调输出的数据，由软件完成数据的接收及后续的处理任务。4软件设计分析终端软件要解决的关键问题是如何正确接收数据，并解码。本系统选用的电子标签为Manchester码型，电子标签编码器输出信号、EM4095解调输出信号的波形见图4。620)this.style.width=620;border=0alt=一种电子标签识读终端的研究与设计src=技术2021/pkjxfkfg00j2021.jpg4.1解调输出波特点电子标签中的64bit数据以NRZ形式的波形串行送人编码器，经编码后输出Manchester码波形。其编码规则为：在一个编码时钟周期的中间以一个
12、上跳变的波形表示二进制数据“1：在一个编码时钟周期的中间以一个下跳变的波形表示二进制数据“0。编码输出信号作负载调制的控制信号，编码输出波形中的低电平使标签发射天线线圈工作于高电流，编码输出波形中的高电平则使标签发射天线线圈工作于低电流。因此，标签发给EM4095的已调信号，经解调输出的波形与标签编码输出的波形为反相关系，即：时钟周期中间的下跳变表示二进制数据“1，时钟周期中间的上跳变波形表示二进制数据“0。根据图4的波形，连续“0和连续“1对应的波形是相似的，只是它们之间为反相关系。因此，如果简单地把上升沿或下降沿作为数据采样时刻，会出现“0译为“1或“1译为“0的错误。4.2解码软件设计思
13、路解码程序要解决的主要问题是如何防止“0与“1之间的倒译。根据DEMODOUT端输出波形。若DEMODOUT端连续输出一个下跳变和一个上跳变，则肯定是解调输出的数据。只在以下2种情况会出现上跳变：数据“0编码周期的中间：相邻数据都是“1时，它们波形中间也出现上跳变。但这2种情况存在如下差别：上跳沿与前一个下跳沿之间的低电平持续时间不同。若该低电平维持时间大于32个载波周期，则是数据“o编码周期中间时刻的上跳沿。因此，用指令查询P1.o的电平，先找一个下跳变，找到后立刻启动T0对RDY/CLK参考时钟计时，接着找到紧随其后的上跳变，若此时的计时时间大于32个载波周期，该上跳变位于数据“0编码周期
14、中间时刻，该上跳变是接收数据的时间起点。由于每位数据对应波形中的高、低电平均为32个射频载波周期，以上跳时刻为起点延40个载频周期后接收第1个数据。然后重新启动计数器TO，RDY/CLK端输出的参考时钟周期等于射频载波周期，数据编码时钟周期又固定为该参考时钟周期的64倍，将Tn设置为每隔64个载波周期中断1次，在Tn中断服务程序中读P1.0上的数据。根据电子标签中数据的结构，按上述接收方式首先找作为起始位的9个存在如下差别：上跳沿与前一个下跳沿之间的低电平持续时间不同。若该低电平维持时间大于32个载波周期，则是数据“o编码周期中间时刻的上跳沿。因此，用指令查询P1.o的电平，先找一个下跳变，找
15、到后立刻启动T0对RDY/CLK参考时钟计时，接着找到紧随其后的上跳变，若此时的计时时间大于32个载波周期，该上跳变位于数据“0编码周期中间时刻，该上跳变是接收数据的时间起点。由于每位数据对应波形中的高、低电平均为32个射频载波周期，以上跳时刻为起点延40个载频周期后接收第1个数据。然后重新启动计数器TO，RDY/CLK端输出的参考时钟周期等于射频载波周期，数据编码时钟周期又固定为该参考时钟周期的64倍，将Tn设置为每隔64个载波周期中断1次，在Tn中断服务程序中读P1.0上的数据。根据电子标签中数据的结构，按上述接收方式首先找作为起始位的9个“1，找到后，按顺序接收其余55bit数据，并按标
16、签中数据结构重新组织数据。然后通过奇校验程序计算各段数据的奇校验，再与接收到的奇校验位进行比较，判断数据是否正确性。5结束语无线射频识别具有信息量大、高效便捷、安全的特点，是自动识别的主流技术。低成本、高可靠的便携式电子标签识读终端的研究开发.有很大的实际意义。本文在研究分析系统作用原理及解调输出波特征的基础上，设计了硬件实现方案，并以射频参考时钟为参照，提出了一种解决Manchester码倒译问题的软件解码方法。系统结构和成本合理，可靠性已得到试验验证.有较好的应用价值。本文作者创新点：充分利用工业通用单片机的丰富资源设计主控模块，解决了系统便携化和低成本难题;以射频参考时钟为参照的Manchester码软件解码方法，提高了解码的准确性.也使系统具有良好的功能扩充和升级能力。1