基于RFID的瓦斯鋼瓶信息讀寫器的設(shè)計

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

    1 引言

    城市出租車和無三通地區(qū)家庭使用液化氣時，一般采用可重復(fù)利用的瓦斯鋼瓶罐裝形式，其優(yōu)點是成本較低且維護方便，但長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時間的方式來計算，但檢測時效率低， 同時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系統(tǒng)，可先將鋼瓶信息寫入電子標(biāo)簽并附著在鋼瓶內(nèi)，在使用過程中能通過鋼瓶信息讀寫器快速檢測和修改電子標(biāo)簽的使用及儲運信息，可籍此判斷鋼瓶是否超期使用。

    2 讀寫器的基本組成

    由于電子標(biāo)簽需加裝在瓦斯鋼瓶上， 可選用13．56MHz頻段 RFID系統(tǒng)以滿足金屬環(huán)境下的應(yīng)用要求。信息讀寫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shè)備、射頻收發(fā)模塊及天線、電子標(biāo)簽等六部分構(gòu)成，其中后五部分構(gòu)成了讀寫器。主控中心通過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／寫標(biāo)簽命令并接收來自控制模塊的數(shù)據(jù)與操作報告；終端I／O設(shè)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(jù)具體情況控制射頻模塊操作。射頻模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后通過天線發(fā)送至電子標(biāo)簽，接收來自電子標(biāo)簽的返回信號并進(jìn)行解調(diào)，反向送回控制模塊進(jìn)行后續(xù)處理。 

圖1 基于RFID的瓦斯鋼瓶信息檢測系統(tǒng)的組成

    讀寫器的射頻收發(fā)模塊用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)制、解調(diào)及收發(fā)信號，本系統(tǒng)采用 RFID 專用無線基站芯片 MLX90121 作為電子標(biāo)簽與讀寫器之間的接口。控制模塊采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機，實現(xiàn)過程控制、數(shù)據(jù)處理、終端I／O設(shè)備控制以及通過 RS232 接口完成與控制中心的數(shù)據(jù)通信。電子標(biāo)簽采用復(fù)旦大學(xué)研制的 FM11RF08 無源可讀寫標(biāo)簽，使用時可根據(jù)用戶要求通過讀寫器將相關(guān)信息寫入標(biāo)簽。當(dāng)進(jìn)入讀寫器的工作范圍內(nèi)時，標(biāo)簽將被激活，讀寫器發(fā)送讀數(shù)據(jù)給標(biāo)簽，標(biāo)簽根據(jù)接收到的讀數(shù)據(jù)信號將存儲單元中指定的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送至讀寫器，讀寫器再將處理后的數(shù)據(jù)通過 RS232 接口送回控制中心；若需要修改標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，可由讀寫器發(fā)送寫數(shù)據(jù)信號給標(biāo)簽，標(biāo)簽收到數(shù)據(jù)后自動修改內(nèi)存數(shù)據(jù)。

    3 硬件設(shè)計

    3．1射頻收發(fā)模塊電路設(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要特性包括發(fā)射模式下用戶可調(diào)整射頻信號的調(diào)制度(通過調(diào)節(jié)RMOD實現(xiàn))，接收模式下可解調(diào)單載波 ASK、FSK 或PSK 射頻已調(diào)信號。 

圖2 MLX90121內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)字解調(diào)四部分組成。發(fā)射部分的數(shù)據(jù)由 DIN 引腳輸入，經(jīng)數(shù)據(jù)編碼后在 PA中與晶體振蕩器輸入的單載波實現(xiàn)相應(yīng)調(diào)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(fù)載提供高達(dá)250mW 的輸出功率，能適用于絕大多數(shù)中短距離場合。簡化天線和匹配網(wǎng)絡(luò)后，可用于手持式應(yīng)用場合，但需要付出減少閱讀距離的代價。 

圖3發(fā)射模塊電路原理圖

    以 MLX90121 為核心構(gòu)成的發(fā)射模塊電路如圖3所示。發(fā)射時，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型天線濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，由天線發(fā)射出去。接收時，天線感生的射頻已調(diào)信號直接經(jīng)限流電阻R1(也可用相應(yīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)代替)送到RX引腳，由芯片內(nèi)部電路進(jìn)行后續(xù)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(yīng)足夠大以保護芯片，但需保證L3C3諧振丁13．56MHz。R2為調(diào)制度調(diào)節(jié)電阻，其阻值直接影響到發(fā)射輸出射頻信號的調(diào)制深度，這里選用10Q電阻。C7、C8、13．5BMHz晶體諧振器和芯片內(nèi)部電路構(gòu)成晶體振蕩器。XBUF引腳輸出13．56MHz或其2分頻后的信號，可供單片機作時鐘信號。

    為了與電子標(biāo)簽 FM11RF08 進(jìn)行通信，必須為讀寫器設(shè)計射頻收發(fā)天線。同時為了為 FM11RF08 提供足夠工作能量，所設(shè)計的讀寫器天線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失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)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問題。本文采用在PCB板上用導(dǎo)線繞制成矩形線圈的方式制作天線，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。環(huán)繞的導(dǎo)線線寬為45mil(1．143mm)，矩形長寬分別為60mm。PCB 板設(shè)計成4層結(jié)構(gòu)，頂層和底層布有不閉合的屏蔽環(huán)，天線線圈布在 PCB 板的第二層，同時在天線線圈中設(shè)置一個連接至地的中心抽頭并布在第三層。該設(shè)計能較好地吸收天線線圈PCB本身產(chǎn)生的電場， 改良天線的 EMC 性能。 

圖4矩形天線結(jié)構(gòu)圖

    3．2控制模塊及通信接口電路設(shè)計

    微控制器 AT89S52 負(fù)責(zé)啟動 MLX90121 并接收其解調(diào)出的編碼數(shù)據(jù)。MLX90121的DSYNC端接P2．0，輸出收發(fā)同步時鐘信號；DOUTD 接P2．2，用于將所讀數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)模式，否則為發(fā)射數(shù)據(jù)模式。

    AT89S52 單片機除了控制MLX90121芯片工作外，還擔(dān)負(fù)著與控制中心通信的任務(wù)，可采用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)讀寫器和控制中心上位機問的通信。通信芯片選用MAXIM公司的MAX232芯片，硬件上采用三線制(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(shù)據(jù)線(TXD)和接收數(shù)據(jù)線(RXD)交叉連接，并共地線。這樣的設(shè)計可以簡化電路設(shè)計，節(jié)約成本。MAX232與AT89S52的電路連接如圖5所示。AT89S52的其它電路(如時鐘電路、復(fù)位電路)可選經(jīng)典電路。 

圖5 AT89S52與MLX90121電路連接圖

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

    4 軟件設(shè)計

    系統(tǒng)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(shè)備及射頻模塊進(jìn)行初始化，預(yù)置參數(shù)和顯示初始信息。然后發(fā)送讀標(biāo)簽命令，建立讀寫器和電子標(biāo)簽的通信。電子標(biāo)簽FM11RF08的通訊協(xié)議和通訊波特率是預(yù)定義好的，通過這兩項內(nèi)容，讀寫器和標(biāo)簽相互驗證。當(dāng)某張標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的操作范圍時，讀寫器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該標(biāo)簽是否為FM1IRF08。當(dāng)有多張FM11RF08標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器操作范圍時，防沖突閉合電路首先從眾多標(biāo)簽中選擇一張作為下一步處理的對象，而未選中的標(biāo)簽則處于空閑模式以等待下一步被選擇，該過程將返回一個被選中標(biāo)簽的序列號。選定要處理的標(biāo)簽之后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進(jìn)行校驗，在三次互相認(rèn)證之后就可以通過加密流進(jìn)行讀／寫標(biāo)簽操作。 

圖6系統(tǒng)軟件流程圖

    基于MLX90121的電子標(biāo)簽讀寫器支持IS0／IEC15693協(xié)議的全部命令，具有成本低廉、穩(wěn)定性好等特點。具有可行的防碰撞機制，有效讀寫距離約為10cm，可滿足人工掃描式單個讀寫瓦斯鋼瓶的要求。若對讀寫器加裝發(fā)射功率放大器，讀寫距離可以延長到1m左右，能實現(xiàn)對鋼瓶的高速、傳送帶式讀寫操作。同時，該終端也可加以適當(dāng)?shù)能浖墸瑵M足門禁、校園一卡通等非高速識別應(yīng)用場合的需要。

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