基于微控制器和读卡芯片的读写器设计
文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：张石 齐晓龙 鲍喜荣 (东北大学信息科学与工程学院) 人气： 发表时间：2011年10月16日
概述
RFID(无线射频识别技术)作为一种新兴的非接触自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可识别高速运动物体，可同时识别多个标签，可工作于恶劣环境，操作快捷方便，在物流、交通、收费、身份识别等众多领域有广泛应用。RFID技术在国外发展的很快，RFID产品种类很多，像TI, MOTOROLA,PHILIPS等世界著名厂商都生产RFID产品，并且它们的产品各有特点，自成系列。目前，中国射频识别技术及应用处于初级发展阶段。RFID技术作为一种新兴的自动识别技术，也已开始在国内应用,并且应用领域越来越广。
本文把RFID技术应用到物流系统中，实现了基于RFID技术的物流系统的软硬件原型。
系统硬件设计
为了增强读写模块的通用性和扩展性，在硬件设计时遵循模块化的设计思想。整个读写模块由三大部分组成：
主控MCU，主要提供对射频读写芯片的控制操作。
射频读写芯片，负责接收主控MCU的控制信息并完成与RFID卡的通信操作。为了正常工作，射频读写芯片须选用合适的并行接口与MCU连接。而为了发送、接收稳定的高频信号，射频读写芯片要通过高频滤波电路与天线部分连接。
天线部分，包括线圈及匹配电路。
在所设计的TRH031M评估板中，主控MCU主要由微控制器ATMEGA64L和电源电路、复位电路、晶振电路、JTAG接口、RS-232串口接口组成；同时增加了人机接口显示电路，采用EDM12864液晶显示控制器；射频读写芯片采用TRH031M多协议读卡器芯片。微控制器ATMEGA64L和TRH031M之间通过锁存器SN74HC373N连接。TRH031M评估板总体设计见图1。
图1 TRH031M评估板总体设计框图
RFID接口电路
TRH031M是一款三合一的芯片，兼容ISO14443 Type A&B以及ISO15693协议。TRH031M工作电压范围在2.7V-3.6V，最大特点是功耗极低，芯片的封装方式也特别适合用在手持机方面的产品上。MCU对TRH031M的控制是通过对其内部寄存器的读写来实现的。TRH031M内部共有64个寄存器，分成8页，每页8个寄存器。
ATmega64L是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega64 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega64L通过TRH031M并行接口实现对TRH031M芯片的控制和数据传输。Atmega64L对TRH031M的并行接口采用独立的读、写信号线连接，用两个I/0引脚分别控制TRH031M的读、写信号线。为了节省I/O口，这里采用了地址/数据线复用的方式，这样就不需要专门的I/O口来控制地址线。ATmega64L与TRH031M连接示意图参见图2。
图2 ATmega64L与TRH031M连接示意图
ATmega64L的PTA0～PTA7连接TRH031M的DATA0～DATA7，作为数据/地址线，传输数据及地址信息。由于采用数据/地址复用的连接方式，Atmega64L 的PTA0～PTA7通过锁存器SN74HC373DBLE与TRH031M的地址线引脚A0，Al，A2连接。
天线电路
TRH031M的天线部分组成,主要分为发射和接收部分，发射部分又分为EMC低通滤波器，天线匹配部分和天线线圈。天线直接连接到TRH031M.，图3为天线的结构原理图。
图3 天线结构原理图
由RTH031M的数据手册可知，芯片模拟部分(不含接收机部分)作为负载时,负载阻抗最高为15W。这是因为优化设置输出阻抗为15W时，这时可以达到最低噪音,最大增益和最大输出功率。
天线的阻抗我们按500W进行匹配。
EMC低通滤波器
TRH031M系统工作于13.56MHz频率下，这一频率是由石英晶体振荡器产生。但是除了13.56MHz以外，还会有可能以高次谐波的方式向外发射。为了符合国际EMC 规定，13.56MHz 中的三次五次和高次谐波要被良好地抑制，因此，必须要有一个合适的滤波器滤波输出信号以满足此规定。为了减少信号线上的干扰，使用了EMC高频滤波电路。EMC滤波电路和接收电路的原理图见图4。低通滤波器由L0和C0组成，它们的值见表1。
图4 EMC滤波电路和接收电路的原理图
根据f=，当我们选取=1mH时，则TRH031M的内部接收电路利用卡的回应信号在副载波的双边带上都有调制这一概念来进行工作。采用芯片内部产生的VMID作为RX引脚输入。为了稳定VMID的输出，必须在VMID和GND之间连接一个电容C4。接收电路需要在RX和VMID之间连接一个分压电路。另外，建议在天线线圈和反压器之间串连一个电容。这个接收电路由R1，R2，C3和C4组成，数值示于表1。
EMC滤波电路仿真针对500W天线阻抗进行EMC滤波电路的仿真：
① 设定特性阻抗Z。=500W，输入信号频率为13.56MHz；
② 令负载ZL=500W+0.00jW，确定起始点1；
③ 在ZL上并联电容C0，得到点2；
④ 再在C0上串联电感L0，得到点3；
应使点3位于15W匹配点，若点3不能精确位于该点，则应微调各元件参数。由圆图的直观性，该调整不难实现。由此，得到如图5(a)所示的阻抗圆图。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH时，可以推算出1、3点间的等效阻抗为15.24+j 0.00W，接近于负载阻抗15Ω，这表明了我们所设计的元件参数是正确的。其误差源于元件不可能无限精确。
由此，得到如图5(b)所示的阻抗圆图。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH时，可以推算出1、3点间的等效阻抗为500.42+j 50.47欧姆，接近于天线阻抗500欧姆，这表明了前面我们所设计的元件参数是正确的。
天线匹配电路设计
天线本身是一个低电阻的器件，将天线连接到TRH031M需要一个匹配电路。设计天线的匹配电路有两种方法：50W匹配天线和使用直接匹配的天线配置。在本设计中采用直接匹配的天线配置。
计算天线线圈的电感
精确计算天线线圈的电感值在实践上非常困难的，通常用下面的公式估算：
L[nH]=2×L[cm]×(ln(L[mm] / D[mm]-k)) (1)
其中L为天线线圈一圈的长度，N为天线线圈圈数，一般为3圈，D为天线线圈直径或导体的宽度，P为由天线线圈的技术而定的N的指数因子(见表2)。
线圈电阻的估算
没有阻抗分析仪的首次天线调谐的估算可以用下面的公式：
RANT=5RDC (2)
为了给RFID卡提供足够的能量，天线与卡片间必须实现紧耦合，耦合系数最少为0.3(耦合系数为0时，即由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦，耦合系数为1即全耦合)。因此天线线圈采用直径为1mm的导线，设计为三圈的76mm×49mm长方形天线。此时，天线线圈产生的电感，由公式1可计算出天线线圈的电感值约为L=1.7mH。天线电阻R=1.4W。
由于每块不同的天线电路板实际的天线线圈电感值总是会稍有差异，在实际的PCB设计时，天线匹配网络的元件的设计过程按照图6进行调整。谐振电容由固定电容=150pF和可调电容CV2代替。通过调整可调电容CV2来使得天线的振荡频率为13.35MHz，通过调节C1使得天线的阻抗为500W，通过调整可调电容将每块天线板的读写距离调整到最佳。
图6天线匹配电路调整过程
天线匹配网络仿真步骤如下:
① 设定特性阻抗Z。=500 W，输入信号频率为13.56MHz；
② 令负载ZL=0.00W+0.00jW，确定起始点1；
③ 在ZL上串联电阻Rcoil=0.7W，得到点2；
④ 再在Rcoil上串联电感L=0.85mH，得到点3；
⑤ 再并联电容C2，得到点4；
⑥ 最后再串联电容C1，得到点5。
图7 天线匹配网络电路的Smith圆图
由此，得到如图7所示的阻抗圆图。图中设Rcoil为0.7W，L为0.85微亨,这样天线就由Rcoil和L来等效代替。由Smith Chart得到C2=163pF , C1 =15pF，由此可以推算出1、5点间的等效阻抗为247.79+j11W，接近于对称天线的一半阻抗250W。
通过仿真得到的结果与笔者设计的元件参数基本一致，这说明了所设计的天线电路是正确的。
结语
基于ISO/IEC 15693标准，设计了基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M读卡芯片工作频率为13.56MHZ的RFID读写器系统。设计并实现了基于RFID技术的物流系统的软硬件原型，经过实际使用证明，系统的总体方案设计可行，其主要功能基本得以实现,达到了系统的性能指标：设计的读卡器系统对无源的15693协议的卡片的识别作用距离可达7.5cm。同时该系统能对ISO15693协议的卡片进行读写操作。系统运行正确，显示准确，使用方便，具有较强的抗干扰性能。
参考文献：
1. 游战清、李苏剑，无线封频识别技术(RFID)理论与应用，电子工业出版社2004
2. Klaus Finkenzeller著，陈大才译，射频识别(RFID)技术，电子工业出版社，2001
3. 刘培国、毛钧杰，电波与天线，国防科技大学出版社，2004
4. Foster P.R, Burberry R.A，Antenna problems in RFID systems, RFID Technology, 2001
