基于ATMEGA64L和TRH031M的RFID读卡器设计

(b)
图5 EMC滤波电路Smith圆图
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