基于RFID的瓦斯鋼瓶信息讀寫器的設計
文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：曾寶國 曾 妍 人氣： 發表時間：2011年10月14日
1 引言
城市出租車和無三通地區家庭使用液化氣時，一般采用可重復利用的瓦斯鋼瓶罐裝形式，其優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(RFID)的瓦斯鋼瓶信息讀寫系統，可先將鋼瓶信息寫入電子標簽并附著在鋼瓶內，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
由于電子標簽需加裝在瓦斯鋼瓶上， 可選用13．56MHz頻段 RFID系統以滿足金屬環境下的應用要求。信息讀寫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、射頻收發模塊及天線、電子標簽等六部分構成，其中后五部分構成了讀寫器。主控中心通過通信接口電路與單片機控制控制模塊連接， 向控制模塊發送讀／寫標簽命令并接收來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。射頻模塊對數據進行調制后通過天線發送至電子標簽，接收來自電子標簽的返回信號并進行解調，反向送回控制模塊進行后續處理。
圖1 基于RFID的瓦斯鋼瓶信息檢測系統的組成
讀寫器的射頻收發模塊用于實現數據調制、解調及收發信號，本系統采用 RFID 專用無線基站芯片 MLX90121 作為電子標簽與讀寫器之間的接口。控制模塊采用 ATMEL 公司生產的 AT89S52 單片機，實現過程控制、數據處理、終端I／O設備控制以及通過 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研制的 FM11RF08 無源可讀寫標簽，使用時可根據用戶要求通過讀寫器將相關信息寫入標簽。當進入讀寫器的工作范圍內時，標簽將被激活，讀寫器發送讀數據給標簽，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天線發送至讀寫器，讀寫器再將處理后的數據通過 RS232 接口送回控制中心；若需要修改標簽的數據，可由讀寫器發送寫數據信號給標簽，標簽收到數據后自動修改內存數據。
3 硬件設計
3．1射頻收發模塊電路設計
MLX90121 兼容多種傳輸協議(如IS014443、IS015693等)，工作頻率為13．56MHz。MLX90121的內部結構如圖2所示，其主要特性包括發射模式下用戶可調整射頻信號的調制度(通過調節RMOD實現)，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檢波器、IF濾波器、功率放大器PA和數字解調四部分組成。發射部分的數據由 DIN 引腳輸入，經數據編碼后在 PA中與晶體振蕩器輸入的單載波實現相應調制放大，由Tx引腳發射出去。發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合。簡化天線和匹配網絡后，可用于手持式應用場合，但需要付出減少閱讀距離的代價。
圖3發射模塊電路原理圖
以 MLX90121 為核心構成的發射模塊電路如圖3所示。發射時，射頻信號由 TX 引腳輸出，經 L3C3 選頻濾波后， 由C2耦合到L1、L2、CV1組成的T型天線濾波匹配網絡，由天線發射出去。接收時，天線感生的射頻已調信號直接經限流電阻R1(也可用相應阻抗匹配網絡代替)送到RX引腳，由芯片內部電路進行后續處理。
發射電路中的L3、C3組成并聯諧振網絡，諧振頻率為13．56MHz，對MLX90121產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，可供單片機作時鐘信號。
為了與電子標簽 FM11RF08 進行通信，必須為讀寫器設計射頻收發天線。同時為了為 FM11RF08 提供足夠工作能量，所設計的讀寫器天線必須考慮到是否能產生足夠大的磁通量，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問題。本文采用在PCB板上用導線繞制成矩形線圈的方式制作天線，其結構如圖4所示。環繞的導線線寬為45mil(1．143mm)，矩形長寬分別為60mm。PCB 板設計成4層結構，頂層和底層布有不閉合的屏蔽環，天線線圈布在 PCB 板的第二層，同時在天線線圈中設置一個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線圈PCB本身產生的電場， 改良天線的 EMC 性能。
圖4矩形天線結構圖
3．2控制模塊及通信接口電路設計
微控制器 AT89S52 負責啟動 MLX90121 并接收其解調出的編碼數據。MLX90121的DSYNC端接P2．0，輸出收發同步時鐘信號；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，否則為發射數據模式。
AT89S52 單片機除了控制MLX90121芯片工作外，還擔負著與控制中心通信的任務，可采用RS232通信標準來實現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單片機的發送數據線(TXD)和接收數據線(RXD)交叉連接，并共地線。這樣的設計可以簡化電路設計，節約成本。MAX232與AT89S52的電路連接如圖5所示。AT89S52的其它電路(如時鐘電路、復位電路)可選經典電路。
圖5 AT89S52與MLX90121電路連接圖
為了拓展信息讀寫器的應用領域，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設備及射頻模塊進行初始化，預置參數和顯示初始信息。然后發送讀標簽命令，建立讀寫器和電子標簽的通信。電子標簽FM11RF08的通訊協議和通訊波特率是預定義好的，通過這兩項內容，讀寫器和標簽相互驗證。當某張標簽進入讀寫器的操作范圍時，讀寫器以特定的協議與它通訊，從而確定該標簽是否為FM1IRF08。當有多張FM11RF08標簽進入讀寫器操作范圍時，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，該過程將返回一個被選中標簽的序列號。選定要處理的標簽之后，讀寫器就確定要訪問的扇區號，并對該扇區密碼進行校驗，在三次互相認證之后就可以通過加密流進行讀／寫標簽操作。
圖6系統軟件流程圖
基于MLX90121的電子標簽讀寫器支持IS0／IEC15693協議的全部命令，具有成本低廉、穩定性好等特點。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。若對讀寫器加裝發射功率放大器，讀寫距離可以延長到1m左右，能實現對鋼瓶的高速、傳送帶式讀寫操作。同時，該終端也可加以適當的軟件升級，滿足門禁、校園一卡通等非高速識別應用場合的需要。
(四川信息職業技術學院，曾寶國 曾 妍)
