CN204390258U - 一种lf频段rs232接口中远距离rfid读写器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LF频段RS232接口中远距离RFID读写器，RFID读写器工作在LF频段，工作频率为125KHz；读写器组成包括天线线圈部分、射频前端电路部分、包络检波部分、信号调理电路部分、功放部分、单片机控制器部分、功能接口输入输出部分；读写器无源标签读卡距离在70至100cm的中远距离，使用直流电源供电，使用RS232接口通信，具备电子标签读写和相关功能。

Description

一种LF频段RS232接口中远距离RFID读写器

技术领域

本实用新型涉及读写器，具体涉及一种LF频段RS232接口中远距离RFID读写器。

背景技术

RFID（Radio Frequency Identification），即射频识别技术是自动识别技术中的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对电子标签加以识别并获取其中数据，一般的RFID应用体系结构包含读写器、相应频段和协议的电子标签、输入输出功能接口等。通过相距几厘米到几米距离内读写器产生相应频率天线场或者发射相应频段无线电波，可以读取电子标签内存储的数据信息，从而识别电子标签代表的物品或者器具的“身份”，不需要人工干预，不需要直接接触，不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可以工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体或多个电子标签，操作方便快捷，实现了无源和免接触的操作。技术具有应用便利，无机械磨损，寿命长，安全性好等特点。RFID以其独特的优势广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。

中华人民共和国科学技术部等十五部委于2006年6月9日联合发布了RFID技术在国内发展和规划的文件，标题为《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》，共分为五章，分别阐述了RFID技术发展现状与趋势、中国发展RFID技术战略、中国RFID技术发展及优先应用领域、推进产业化战略和宏观环境建设等方面，文件规划了我国RFID产业发展和技术推广应用的细则，RFID广泛应用和普及化发展已成趋势，RFID技术通过与互联网、通讯等技术的结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。随着相关技术的不断完善和成熟，RFID产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种LF频段RS232接口中远距离RFID读写器，基于电感耦合原理读取LF频段125kHz有源或者无源电子标签卡号信息，通过单片机控制核心解码得到卡号数据后由RS232接口传送至数据接收方，作为各种基于LF频段电子标签中远距离射频识别的计算机数据采集或者管理信息系统使用。

本实用新型的技术解决方案是：由读写器基于电感耦合原理通过读写器端天线发射125kHz特定频率的射频信号，当LF频段电子标签进入发射天线所产生的磁场工作区域时在电子标签内部线圈中产生感应电流，经过电子标签处理电路使得标签内部获得能量被激活，电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去，读写器的接收天线接收到从电子标签发送来的调制信号后，经天线调制电路传送到读写器信号采集电路，经解调和解码后将有效信息送至数据处理模块进行相关处理，数据处理模块根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成不同的读写操作或通过RS232串行接口输出。

本实用新型的特点及组成是：RFID读写器工作在LF频段，工作频率为125KHz；读写器组成包括天线线圈部分、射频前端电路部分、包络检波部分、信号调理电路部分、功放部分、单片机控制器部分、功能接口输入输出部分；读写器无源标签读卡距离在70至100cm的中远距离，使用直流电源供电，使用RS232接口通信，具备电子标签读写和相关功能。

本实用新型具有以下优点和有益效果：1、自主设计了天线线圈外形和天线的参数结构，使得读写器的体积小，产生的磁场强度和稳定性高；2、设计了高品质因素的射频前端电路结构，使得读写器射频识别远（可达70至100cm）；3、自主设计后级包络检波电路和基频滤除电路，信号提取精确，信号干扰较小。4、采用飞利浦半导体单片机P87LPC767微控制器将采集到的脉冲信号进行解码，优化了微控制器内的曼彻斯特编码解码算法，读写器芯片价格便宜，控制单片机芯片引脚少，读写速度快，电路简化。5、解码后得到的电子标签数据采用RS232通用接口输出，方便系统扩展和嵌入式应用，读写器成本低，功耗低，实现多个无源标签的非接触式读写与存储及输出，且抗干扰能力强，保密性能好。

附图说明

图1为本实用新型系统电源供电电路原理图。

图2为本实用新型系统射频前端电路原理图。

图3为本实用新型系统包络检波电路原理图。

图4为本实用新型系统包络检波信号放大电路原理图。

图5为本实用新型系统单片机控制及功放电路原理图。

图6为本实用新型系统蜂鸣器报警电路原理图。

图7为本实用新型系统RS232接口电路原理图。

具体实施方式

 本实用新型共由7大部分功能单元共同组成，分别是电源电路单元（附图1）、射频前端单元（附图2）、包络检波单元（附图3）、包络检波信号放大单元（附图4）、数字信号处理和功放单元（附图5）、蜂鸣器报警单元（附图6）、RS232接口单元组成（附图7）。下面结合说明书附图进一步说明本实用新型的技术解决方案和具体实施方式。

图1为本实用新型系统电源供电电路原理图，输入电压为12VDC，通过该单元电路输出得到12VDC和5VDC为后续电路供电。P1为外置2Pin引线端子，P1的第1引脚连接GND地网络，第2引脚连接P2的第1引脚。P2为外置电源输入插座，第1引脚连接到P1的第2脚和S1开关的连接引脚，P2的第2引脚和第3引脚连接GND地网络。S1开关的触点引脚连接到D3二极管SS12的正极和D5二极管LV33的负极，D5二极管的负极连接GND地网络，这样可以防止外界电源反接造成后续电路的损坏。D3二极管的负极连接到C7电解电容正极和独石电容C8一端还连接到U1稳压芯片20WZ11J的第1引脚和第2引脚， C7电解电容的负极连接GND地网络，独石电容C8的另一端连接GND地网络。U1稳压芯片20WZ11J的第3引脚连接第6引脚，第4引脚连接到R3电阻和R6电阻的一端，R6电阻的另一端连接GND地网络，R3电阻的另一端连接U1稳压芯片20WZ11J的第6引脚，U1稳压芯片的第5引脚连接GND地网络，U1稳压芯片20WZ11J的第6引脚是12V供电电压的电气网络，连接R3电阻的一端、C9电解电容的正极、C10独石电容的一端、C11电解电容的正极、C12独石电容的一端最后连接到U2稳压芯片78M05的第1引脚，C9电解电容的负极、C10独石电容的另一端、C11电解电容的负极、C12独石电容的另一端连接GND地网络。U2稳压芯片78M05的第2引脚连接GND地网络，U2稳压芯片78M05的第3引脚是5V供电电压的电气网络，连接C13电解电容的正极、C14独石电容的一端、D4发光二极管的正极，C13电解电容的负极连接GND地网络，C14独石电容的另一端连接GND地网络，D4发光二极管的负极连接R4的一端，通过R4的另一端连接GND地网络。在外部供电正常的情况下，在U1稳压芯片20WZ11J的第6引脚应产生12VDC的电压信号，在U2稳压芯片78M05的第3引脚应产生5VDC的电压信号，发光二极管D4亮起。

图2为本实用新型系统射频前端电路原理图。射频前端电路中包含天线线圈接入部分、电容阵列部分、天线线圈信号功率放大部分和基频滤除部分以及谐振信号单向整流电路部分。原理图中多圈图形即为天线线圈，线圈尺寸为25cm*25cm正方形天线，采用0.1mm*600股利兹线绕合5周制成，天线线圈的一端连接C4聚丙烯电容、C5聚丙烯电容、C6聚丙烯电容、C15聚丙烯电容、C16聚丙烯电容的一端，C4聚丙烯电容、C5聚丙烯电容、C6聚丙烯电容的另一端连接GND地网络，天线的另一端连接C23聚丙烯电容、C24聚丙烯电容、C25聚丙烯电容的一端和C15聚丙烯电容、C16聚丙烯电容的另一端。C23聚丙烯电容、C24聚丙烯电容、C25聚丙烯电容的另一端连接GND地网络。C6聚丙烯电容的非接地端接出信号分为两路，第一路是将自举放大后的谐振信号Net_A送至原理图4的包络检波电路，第二路是经过LC滤波电路去除基频后再单向整流送至原理图5中。C6聚丙烯电容的非接地端接出信号的第一路连接C17聚丙烯电容的一端然后C17聚丙烯电容的另一端再连接C28聚丙烯电容的一端，C28聚丙烯电容的另一端接GND地网络；还连接C18聚丙烯电容的一端然后C18聚丙烯电容的另一端再连接C29聚丙烯电容的一端，C29聚丙烯电容的另一端连接GND地网络；又连接C19聚丙烯电容的一端然后C19聚丙烯电容的另一端再连接C30聚丙烯电容的一端，C30聚丙烯电容的另一端连接GND地网络；再连接C20聚丙烯电容的一端然后C20聚丙烯电容的另一端再连接C31聚丙烯电容的一端，C31聚丙烯电容的另一端连接GND地网络。C17聚丙烯电容与C28聚丙烯电容连接的中心抽头连接U3场效应管的第2引脚，C18聚丙烯电容与C29聚丙烯电容连接的中心抽头连接U4场效应管的第2引脚，C19聚丙烯电容与C30聚丙烯电容连接的中心抽头连接U5场效应管的第2引脚，C20聚丙烯电容与C31聚丙烯电容连接的中心抽头连接U6场效应管的第2引脚。U3场效应管的第1引脚连接GND地网络，第3引脚连接C21瓷片电容连接到R5电阻的一端，R5电阻的另一端连接P20电气网络，P20电气网络与原理图5中的单片机控制部分P20电气网络对应。C21瓷片电容的另一端接GND地网络；U4场效应管的第1引脚连接GND地网络，第3引脚连接C22瓷片电容连接到R7电阻的一端，R7电阻的另一端连接P18电气网络，P18电气网络与原理图5中的单片机控制部分P18电气网络对应。C22瓷片电容的另一端接GND地网络；U5场效应管的第1引脚连接GND地网络，第3引脚连接C26瓷片电容连接到R8电阻的一端，R8电阻的另一端连接P19电气网络传送至原理图5中的单片机控制部分，C26瓷片电容的另一端接GND地网络；U6场效应管的第1引脚连接GND地网络，第3引脚连接C27瓷片电容连接到R9电阻的一端，R9电阻的另一端连接P1电气网络，P1电气网络与原理图5中的单片机控制部分P1电气网络对应。C27瓷片电容的另一端接GND地网络。C6聚丙烯电容的非接地端接出信号的第二路连接L1工字电感的一端，L1的另一端连接C1聚丙烯电容和L2工字电感的一端，C1聚丙烯电容的另一端连接GND地网络，L2工字电感的另一端连接X1X电气网络、D1开关二极管的正极以及D2开关二极管的负极，D2开关二极管的正极连接GND地网络，D1开关二极管的负极连接C2电解电容的正极，然后连接C3电解电容的正极，后端连接到X2X电气网络，C2、C3的负极连接到GND地网络，X2X网络连接R1电阻和R2电阻的一端，R1、R2电阻的另一端接12VDC电源电压。

图3为本实用新型系统包络检波电路原理图。包络检波是利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程来完成调制信号的提取。还原所得的信号，与高频调幅信号的包络变化规律一致，即为包络检波器。如原理图3所示若将射频前端的调幅信号通过二极管构成的包络检波电路单元，由于检波二极管的单向导电特性，调幅信号的负向部分被截去，仅留下其正向部分，此时如在每个信号周期取平均值（低通滤波），所得为调幅信号的波包即为基带低频信号，实现了解调、检波功能，在原理图中Net_A电气网络为原理图2的射频前端网络输出信号，分为两路连接，第一路Net_A电气网络连接R15电阻的一端和D7开关二极管的正极，R15电阻的另一端连接D10开关二极管的正极，D10开关二极管的负极连接到D11开关二极管的正极，D11开关二极管的负极连接到C40聚丙烯电容的一端、R17电阻的一端然后连接到R16电阻的一端，C40聚丙烯电容和R17电阻的另一端是接GND地网络，R16电阻的另一端连接C41电容的一端，然后连接到P14电气网络，C41电容的另一端接地。第二路Net_A电气网络连接D7开关二极管的正极，D7的负极连接到D6开关二极管的正极，D6开关二极管的负极连接到R13电阻的一端，R13电阻的另一端连接到GND地网络，D6开关二极管和R13电阻连接抽头连接到C37聚丙烯电容的一端，C37聚丙烯电容的另一端连接GND地网络，然后通过C36电容耦合信号连接到D8开关二极管的负极、D9开关二极管的正极、R12电阻的一端，D8开关二极管的正极和D9开关二极管的负极还有R12电阻的另一端连接GND地网络，接着通过C35电容耦合信号连接到C38电容的一端，C38电容的另一端连接GND网络。信号连接R10电阻的一端，R10电阻的另一端连接Net_B电气网络，Net_B电气网络为原理图3包络检波后的信号输出。

图4为本实用新型系统包络检波信号放大电路原理图，由原理图3输出的包络检波后的信号Net_B电气网络信号幅度较小，需要通过本原理图中单元电路对信号进行放大和整形，在原理图中Net_B电气网络连接到U10运算放大器芯片MCP6002的第1引脚，U10运算放大器芯片MCP6002的第1引脚和第2引脚之间并联R23电阻和C45电容，U10运算放大器芯片MCP6002的第1引脚连接C42电容和C44电容的公共一端，C42电容和C44电容并联结构的另一端连接R21电阻的一端，R21电阻的另一端连接U10运算放大器芯片MCP6002的第6引脚。U10运算放大器芯片MCP6002的第3引脚连接C48电容的一端、R26电阻的一端然后通过R25连接到5V电源电压，R26电阻和C48电容的另一端连接GND地网络，U10运算放大器芯片MCP6002的第3引脚和第5引脚连接，U10运算放大器芯片MCP6002的第4引脚连接GND地网络，U10运算放大器芯片MCP6002的第6引脚连接C43电容的一端，C43电容的另一端连接P17电气网络，U10运算放大器芯片MCP6002的第6引脚还连接R24电阻的一端，另一端连接U10运算放大器芯片MCP6002的第7引脚，U10运算放大器芯片MCP6002的第8引脚连接C46电容的一端、C47电容的一端和5V电源电压，C46电容和C47电容的另一端连接GND地网络，目的在于对U10运算放大器芯片MCP6002的供电起到去高频干扰和滤除脉动电压的作用，保证供电的稳定性和可靠性。

图5为本实用新型系统单片机控制及功放电路原理图，原理图中有基本的信号放大电路调制电路和单片机控制器核心电路，U11为单片机芯片P87LPC767，U11单片机芯片的第1引脚连接P1电气网络，与原理图2中的P1电气网络连接。U11单片机芯片的第2引脚暂未启用，留空处理，U11单片机芯片的第3引脚连接P3电气网络，与原理图6中的P3电气网络连接。U11单片机芯片的第4引脚连接P4电气网络，与本原理图5中的P4电气网络连接。U11单片机芯片的第5引脚连接GND地网络，U11单片机芯片的第6引脚和第7引脚为单片机芯片工作时钟信号输入和输出引脚，U11单片机芯片的第6引脚连接R27电阻的一端、Y1石英晶体振荡器的第2脚然后通过C49电容连接到GND地网络，U11单片机芯片的第7引脚连接R27电阻的另一端、Y1石英晶体振荡器的第1脚然后通过C52电容连接到GND地网络。U11单片机芯片的第8引脚暂未启用，留空处理。U11单片机芯片的第9引脚连接U11单片机芯片的第10引脚后连接U11单片机芯片的第13引脚，U11单片机芯片的第11引脚连接RXD电气网络，是用来串行数据接收的，该网络为5.0V TTL/COMS电平信号，与原理图7中的RXD电气网络连接。U11单片机芯片的第12引脚连接TXD电气网络，是用来串行数据发送的，该网络为5.0V TTL/COMS电平信号，与原理图7中的TXD电气网络连接。U11单片机芯片的第14引脚连接P14电气网络，与原理图3中的P14电气网络连接。U11单片机芯片的第15引脚连接C50电容的一端和C51电容的一端然后连接到5V电源电压，C50电容和C51电容的另一端连接GND地网络。U11单片机芯片的第16引脚暂未启用，留空处理。U11单片机芯片的第17引脚连接P17电气网络，与原理图4中的P17电气网络连接。U11单片机芯片的第18引脚连接P18电气网络，与原理图2中的P18电气网络连接。U11单片机芯片的第19引脚连接P19电气网络，与原理图2中的P19电气网络连接。U11单片机芯片的第20引脚连接P20电气网络，与原理图2中的P20电气网络连接。P3为连接排针，P3排针的第1脚连接GND地网络，P3排针的第2脚连接TXD电气网络，P3排针的第3脚连接RXD电气网络，P3排针的第4脚连接GND地网络。电气网络P4为U11单片机芯片的复位信号输出网络，在复位电路中R28电阻的一端连接5V电源电压，R28电阻另一端连接C53电容的一端，C53电容的另一端连接GND地网络，R28和C53电容连接线路的中间抽头连接P4电气网络和D12开关二极管的正极，D12开关二极管的负极连接到5V电源电压。P4网络连接R29电阻的一端，R29电阻的另一端连接S2轻触按键的一端，S2轻触按键的另一端连接到GND地网络。S2轻触按键的作用是方便用户手动复位，该复位电路既能上电自动为U11单片机芯片P87LPC767提供复位操作，又可以根据用户的实际情况手动对U11单片机芯片P87LPC767进行复位操作。

图6为本实用新型系统蜂鸣器报警电路原理图，原理图6的主要作用是提供蜂鸣器报警信号给用户，可以指示刷卡成功或者是自检结果。在读写器连接好电源线、数据线后，接通电源位于原理图1中的D4发光二极管会亮起，系统开始自检，蜂鸣器LS1发出长短不一的4声，代表4位二进制数，将其转换为十进制数，如：“短长短长”即“0101”，此为蜂鸣器的第一个作用。正常上电工作后，在有效读卡距离内，将电子标签放入天线场内，若刷卡识别成功，蜂鸣器会响一声，用于指示刷卡操作是否成功，此为蜂鸣器的另一个作用。在原理图中LS1蜂鸣器的正极连接12V电源电压，LS1蜂鸣器的负极连接U8三极管的第3引脚，U8三极管的第2引脚连接GND地网络，U8三极管的第1引脚连接R22电阻的一端和R19电阻的一端，R22电阻的另一端连接GND地网络，R19电阻的另一端连接U9三极管的第3引脚，U9三极管的第2引脚连接5V电源电压，U9三极管的第1引脚连接R18电阻的一端然后通过R20电阻连接到P3电气网络，R18电阻的另一端连接到5V电源电压。P3电气网络与原理图5中的P3电气网络连接，目的是通过原理图5中的U11单片机芯片P87LPC767对蜂鸣器的状态进行逻辑控制。

图7为本实用新型系统RS232接口电路原理图，该部分原理图主要实现5.0V TTL/COMS电平转换为计算机能识别的RS232电平，原理图中采用了电平转换芯片MAX3232，该芯片采用专用低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS232性能，器件仅需四个0.1uF的外部电荷泵电容即可工作。MAX3232芯片可以确保120kbps数据速率，同时保持RS232输出电平。原理图中U7为电平转换芯片MAX3232，U7电平转换芯片的第1引脚连接C33电容的一端，C33电容另一端连接U7电平转换芯片的第3引脚，U7电平转换芯片的第4引脚连接C34电容的一端，C34电容另一端连接U7电平转换芯片的第5引脚。U7电平转换芯片的第11引脚通过R11电阻连接到TXD电气网络，该电气网络于原理图5中的TXD电气网络对应。U7电平转换芯片的第10引脚暂未启用，故而留空处理。U7电平转换芯片的第12引脚通过R14电阻连接到RXD电气网络，该电气网络于原理图5中的RXD电气网络对应。U7电平转换芯片的第9引脚暂未启用，故而留空处理。U7电平转换芯片的第15引脚连接到GND地网络，U7电平转换芯片的第6引脚连接C39电容，C39电容的另一端连接GND网络。U7电平转换芯片的第8引脚暂未启用，故而留空处理。U7电平转换芯片的第13引脚连接电气网络COMB，COMB电气网络连接到J1标准DB9接口的第3引脚，即DB9串口接口的发送数据引脚。U7电平转换芯片的第7引脚暂未启用，故而留空处理。U7电平转换芯片的第14引脚连接电气网络COMA，COMA电气网络连接到J1标准DB9接口的第2引脚，即DB9串口接口的接收数据引脚。U7电平转换芯片的第16引脚连接5V电源电压，U7电平转换芯片的第2引脚连接C32电容的一端，C32电容的另一端连接5V电源电压。J1标准DB9接口的第1引脚、第4引脚、第6引脚、第7引脚、第8引脚、第9引脚暂未启用，故而留空处理。J1标准DB9接口的第5引脚连接GND地网络。J1标准DB9接口的第10引脚和第11引脚是接口的金属信号线屏蔽引脚连接GND地网络。

 产品运行环境及技术指标说明

供电电压：DC 12V 500mA线性稳压（注：允许输入区间11.5至12.5V）

输出接口：RS232串口接口（注：DB9标准9针连接头），蜂鸣器报警接口

传输格式：9600bps，N，8，1

 工作频率：125KHz

射频卡片：TK4100系列卡片、EM4100系列卡片ID卡，64bit Manchester编码

解码时延：小于100ms

工作温度：-30至70摄氏度

工作湿度：0至85%

读卡有效距离：无源标签70-100cm（注：视乎ID卡类型而定）。

Claims (1)

1.一种LF频段RS232接口中远距离RFID读写器，其特征在于，RFID读写器工作在LF频段，工作频率为125KHz；读写器组成包括天线线圈部分、射频前端电路部分、包络检波部分、信号调理电路部分、功放部分、单片机控制器部分、功能接口输入输出部分；读写器无源标签读卡距离在70至100cm的中远距离，使用直流电源供电，使用RS232接口通信，具备电子标签读写和相关功能。