基于RFID的瓦斯鋼瓶信息讀寫(xiě)器的設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：曾寶國 曾 妍   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月14日

    1 引言

    城市出租車(chē)和無(wú)三通地區家庭使用液化氣時(shí)，一般采用可重復利用的瓦斯鋼瓶罐裝形式，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低且維護方便，但長(cháng)期使用而致使鋼瓶老化卻是安全隱患之一。對于鋼瓶是否超期使用， 目前一般采用在鋼瓶上打刻出廠(chǎng)時(shí)間的方式來(lái)計算，但檢測時(shí)效率低， 同時(shí)也不方便在瓶體上登記或修改其儲運信息。本文研究討論的基于射頻識別技術(shù)(RFID)的瓦斯鋼瓶信息讀寫(xiě)系統，可先將鋼瓶信息寫(xiě)入電子標簽并附著(zhù)在鋼瓶?jì)?，在使用過(guò)程中能通過(guò)鋼瓶信息讀寫(xiě)器快速檢測和修改電子標簽的使用及儲運信息，可籍此判斷鋼瓶是否超期使用。

    2 讀寫(xiě)器的基本組成

    由于電子標簽需加裝在瓦斯鋼瓶上， 可選用13．56MHz頻段 RFID系統以滿(mǎn)足金屬環(huán)境下的應用要求。信息讀寫(xiě)系統的結構框圖如圖1所示，主要由控制中心(上位機)、通信接口電路、單片機控制模塊、終端I／O設備、射頻收發(fā)模塊及天線(xiàn)、電子標簽等六部分構成，其中后五部分構成了讀寫(xiě)器。主控中心通過(guò)通信接口電路與單片機控制控制模塊連接， 向控制模塊發(fā)送讀／寫(xiě)標簽命令并接收來(lái)自控制模塊的數據與操作報告；終端I／O設備用于終端顯示讀取信息和維護人員控制操作；單片機控制模塊與射頻模塊相連，在控制模塊上運行的主程序根據具體情況控制射頻模塊操作。射頻模塊對數據進(jìn)行調制后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送至電子標簽，接收來(lái)自電子標簽的返回信號并進(jìn)行解調，反向送回控制模塊進(jìn)行后續處理。 

圖1 基于RFID的瓦斯鋼瓶信息檢測系統的組成

    讀寫(xiě)器的射頻收發(fā)模塊用于實(shí)現數據調制、解調及收發(fā)信號，本系統采用 RFID 專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)基站芯片 MLX90121 作為電子標簽與讀寫(xiě)器之間的接口?？刂颇K采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機，實(shí)現過(guò)程控制、數據處理、終端I／O設備控制以及通過(guò) RS232 接口完成與控制中心的數據通信。電子標簽采用復旦大學(xué)研制的 FM11RF08 無(wú)源可讀寫(xiě)標簽，使用時(shí)可根據用戶(hù)要求通過(guò)讀寫(xiě)器將相關(guān)信息寫(xiě)入標簽。當進(jìn)入讀寫(xiě)器的工作范圍內時(shí)，標簽將被激活，讀寫(xiě)器發(fā)送讀數據給標簽，標簽根據接收到的讀數據信號將存儲單元中指定的數據通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送至讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器再將處理后的數據通過(guò) RS232 接口送回控制中心；若需要修改標簽的數據，可由讀寫(xiě)器發(fā)送寫(xiě)數據信號給標簽，標簽收到數據后自動(dòng)修改內存數據。

    3 硬件設計

    3．1射頻收發(fā)模塊電路設計

    MLX90121 兼容多種傳輸協(xié)議(如IS014443、IS015693等)，工作頻率為13．56MHz。MLX90121的內部結構如圖2所示，其主要特性包括發(fā)射模式下用戶(hù)可調整射頻信號的調制度(通過(guò)調節RMOD實(shí)現)，接收模式下可解調單載波 ASK、FSK 或PSK 射頻已調信號。 

圖2 MLX90121內部結構圖

    接收部分由二極管包絡(luò )檢波器、IF濾波器、功率放大器PA和數字解調四部分組成。發(fā)射部分的數據由 DIN 引腳輸入，經(jīng)數據編碼后在 PA中與晶體振蕩器輸入的單載波實(shí)現相應調制放大，由Tx引腳發(fā)射出去。發(fā)射器可采用外置功放，在5V32作電壓下能為5歐姆負載提供高達250mW 的輸出功率，能適用于絕大多數中短距離場(chǎng)合。簡(jiǎn)化天線(xiàn)和匹配網(wǎng)絡(luò )后，可用于手持式應用場(chǎng)合，但需要付出減少閱讀距離的代價(jià)。 

圖3發(fā)射模塊電路原理圖

    以 MLX90121 為核心構成的發(fā)射模塊電路如圖3所示。發(fā)射時(shí)，射頻信號由 TX 引腳輸出，經(jīng) L3C3 選頻濾波后， 由C2耦合到L1、L2、CV1組成的T型天線(xiàn)濾波匹配網(wǎng)絡(luò )，由天線(xiàn)發(fā)射出去。接收時(shí)，天線(xiàn)感生的射頻已調信號直接經(jīng)限流電阻R1(也可用相應阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )代替)送到RX引腳，由芯片內部電路進(jìn)行后續處理。 

    發(fā)射電路中的L3、C3組成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò )，諧振頻率為13．56MHz，對MLX90121產(chǎn)生的射頻讀寫(xiě)命令信號起到選頻濾波的作用。L3為高頻扼流圈，C3為47pF的高頻耦合瓷片電容，用于隔離漏極Lc回路的直流電壓并傳遞交流能量到下一級電路。C3的選擇應足夠大以保護芯片，但需保證L3C3諧振丁13．56MHz。R2為調制度調節電阻，其阻值直接影響到發(fā)射輸出射頻信號的調制深度，這里選用10Q電阻。C7、C8、13．5BMHz晶體諧振器和芯片內部電路構成晶體振蕩器。XBUF引腳輸出13．56MHz或其2分頻后的信號，可供單片機作時(shí)鐘信號。

    為了與電子標簽 FM11RF08 進(jìn)行通信，必須為讀寫(xiě)器設計射頻收發(fā)天線(xiàn)。同時(shí)為了為 FM11RF08 提供足夠工作能量，所設計的讀寫(xiě)器天線(xiàn)必須考慮到是否能產(chǎn)生足夠大的磁通量，是否能提供足夠的帶寬以無(wú)失真地傳送數據調制的載波信號，是否能做到功率匹配以最大程度地利用磁通量的可用能量等三個(gè)問(wèn)題。本文采用在PCB板上用導線(xiàn)繞制成矩形線(xiàn)圈的方式制作天線(xiàn)，其結構如圖4所示。環(huán)繞的導線(xiàn)線(xiàn)寬為45mil(1．143mm)，矩形長(cháng)寬分別為60mm。PCB 板設計成4層結構，頂層和底層布有不閉合的屏蔽環(huán)，天線(xiàn)線(xiàn)圈布在 PCB 板的第二層，同時(shí)在天線(xiàn)線(xiàn)圈中設置一個(gè)連接至地的中心抽頭并布在第三層。該設計能較好地吸收天線(xiàn)線(xiàn)圈PCB本身產(chǎn)生的電場(chǎng)， 改良天線(xiàn)的 EMC 性能。 

圖4矩形天線(xiàn)結構圖

    3．2控制模塊及通信接口電路設計

    微控制器 AT89S52 負責啟動(dòng) MLX90121 并接收其解調出的編碼數據。MLX90121的DSYNC端接P2．0，輸出收發(fā)同步時(shí)鐘信號；DOUTD 接P2．2，用于將所讀數據送回單片機處理模塊；RTB接P2．2，若此引腳為高電平，則表明MLX90121處于接收數據模式，否則為發(fā)射數據模式。

    AT89S52 單片機除了控制MLX90121芯片工作外，還擔負著(zhù)與控制中心通信的任務(wù)，可采用RS232通信標準來(lái)實(shí)現讀寫(xiě)器和控制中心上位機問(wèn)的通信。通信芯片選用MAXIM公司的MAX232芯片，硬件上采用三線(xiàn)制(RXD，TXD，GND)軟握手的零MODEM方式i將上位機和AT89S52單片機的發(fā)送數據線(xiàn)(TXD)和接收數據線(xiàn)(RXD)交叉連接，并共地線(xiàn)。這樣的設計可以簡(jiǎn)化電路設計，節約成本。MAX232與AT89S52的電路連接如圖5所示。AT89S52的其它電路(如時(shí)鐘電路、復位電路)可選經(jīng)典電路。 

圖5 AT89S52與MLX90121電路連接圖

    為了拓展信息讀寫(xiě)器的應用領(lǐng)域，可為其設計相應的LCD顯示電路和按鍵輸入接口。

    4 軟件設計

    系統工作的軟件流程如圖6所示。首先需要對控制模塊、終端I／O設備及射頻模塊進(jìn)行初始化，預置參數和顯示初始信息。然后發(fā)送讀標簽命令，建立讀寫(xiě)器和電子標簽的通信。電子標簽FM11RF08的通訊協(xié)議和通訊波特率是預定義好的，通過(guò)這兩項內容，讀寫(xiě)器和標簽相互驗證。當某張標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的操作范圍時(shí)，讀寫(xiě)器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該標簽是否為FM1IRF08。當有多張FM11RF08標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器操作范圍時(shí)，防沖突閉合電路首先從眾多標簽中選擇一張作為下一步處理的對象，而未選中的標簽則處于空閑模式以等待下一步被選擇，該過(guò)程將返回一個(gè)被選中標簽的序列號。選定要處理的標簽之后，讀寫(xiě)器就確定要訪(fǎng)問(wèn)的扇區號，并對該扇區密碼進(jìn)行校驗，在三次互相認證之后就可以通過(guò)加密流進(jìn)行讀／寫(xiě)標簽操作。 

圖6系統軟件流程圖

    基于MLX90121的電子標簽讀寫(xiě)器支持IS0／IEC15693協(xié)議的全部命令，具有成本低廉、穩定性好等特點(diǎn)。具有可行的防碰撞機制，有效讀寫(xiě)距離約為10cm，可滿(mǎn)足人工掃描式單個(gè)讀寫(xiě)瓦斯鋼瓶的要求。若對讀寫(xiě)器加裝發(fā)射功率放大器，讀寫(xiě)距離可以延長(cháng)到1m左右，能實(shí)現對鋼瓶的高速、傳送帶式讀寫(xiě)操作。同時(shí)，該終端也可加以適當的軟件升級，滿(mǎn)足門(mén)禁、校園一卡通等非高速識別應用場(chǎng)合的需要。

    (四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，曾寶國 曾 妍)