基于射频识别技术的防盗报警器研制

杨 瑞      冯 凯  

射频识别(RFID)技术相对于传统的磁卡及IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点，在最近几年里得到快速发展。本文介绍了基于RFID技术的防盗报警器的产品构成、工作原理及天线设计。

  一、前言

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，射频识别技术作为快速、实时、准确采集与信息处理的高新技术和信息标准化的基础，已被世界公认为21世纪十大重要技术之一。RFID是通过无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。本文主要通过RFID实现对身份的识别，从而达到控制发动机工作与停止的防盗功能。

   二、产品的主要性能要求

  （一）产品主要参数指标

a)系统工作电压：DC7～16V，测试电压DC12V。

b) 绝缘电阻：>5MΩ。

c)天线阻抗：<5Ω

d)天线电感量：850μH±50μH

   （二）基本性能

在整车上实现通过对钥匙内的无源转发器进行电子身份识别来抑制或允许发动机工作。

   三、产品研制过程

  （一）射频卡分类：  

a)按供电方式分为有源卡和无源卡。

b)按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。

c)按调制方式的不同可分为主动式和被动式。

  （二）系统组成和工作原理

   1.系统组成

最基本的RFID系统由三部分组成：

a) 标签(Tag，即射频卡)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。

b) 阅读器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。

c) 天线：在标签和读取器间传递射频信号。

   2.工作原理

阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，

   （三）硬件设计

综合考虑系统功耗来源与低功耗设计策略，硬件设计选择具有低功耗特性的单片机及射频收发芯片，并尽量简化电路减少功耗开支。本产品结构型式采用无源低频被动式数码电子防盗。

   1.主要芯片的选择

射频芯片是整个RFID卡最核心的部分，直接关系到标签的读写距离和可靠性，同时也直接影响到整个系统的功耗。TMS3705A是TI公司推出的单片LF无线发射芯片，体积小，功耗低，支持两线多功能串行接口，其工作电压范围为DC4.5～5.5V，可以工作在129～140KHz波段，它具有两种低功耗工作模式：睡眠模式和空闲模式，在睡眠模式下工作电流小于15μA。本文中TMS3705A工作在134.2KHz的频率上，采用FSK调制方式。

L9637D具有LI或K输入开路时可以定义LO或RX为输出打开状态，TX输入开路时可定义K为输出关闭状态，TX，RX和LO集成上拉电阻，较好的EMI优化等优点。同时，L9637D可以在符合“诊断系统ISO9141”规范的自动诊断（检测、识别）应用中提供双向串行通信的单片总线驱动器。

本文中采用PIC16F628A单片机进行设计编程。PIC16F系列单片机的结构完全以系统低功耗运行为核心，电源采用2.0～5.5V宽电压范围，待机电流为100nA，工作电流为120μA，加上有独特的双速内部振荡器设计，有4MHz和48kHz 两种频率可供选择，从休眠状态唤醒只需要4μs，通过合理编程，既可以降低系统功耗，又可以对外部请求做出快速响应。

    2.电路设计

为简化系统结构，本系统仅由必须的射频收发单元（见图1）、通信单元（见图2）、单片机（见图3）及稳压电路单元组成。

图 1 射频收发单元

图2 通信单元

图3  单片机单元

其中，为了保证射频收发与单片机时钟的同步，在两个模块中配置了相同的外部晶振，从而保证整个系统的时钟保持一致。

   （四）系统调试

a)在硬件PCB及元器件安装完成之后，首先进行+5V的调试；

b)单片机采用外部晶振和采用外部复位，有利于系统的稳定工作；系统上电时要监测复位信号和晶振信号是否正常。

c) 外部接感应线圈测试：ANT1、ANT2，系统上电时，检测TXCT、SCIO、ANT2的波形，当TXCT输出高时，ANT2输出正弦波，当TXCT由高变为低之后在SCIO上有系列脉冲串。

d) 接第c)步，检测K-LINE的波形：在TXCT下降沿后，K-LINE应有脉冲串输出。

e)系统学习与报警流程（见图4、图5）：

图4 身份识别流程图

图5  KEY的学习流程

   （五）天线设计

实际RFID天线设计主要考虑物理参量：磁场强度、最佳天线直径、近场耦合、调谐、电感的估算、天线的品质因数。

RFID天线的设计需要考虑很多因素，上述几个是实际的调试过程中的重要物理参量。明确了上述物理参量之后，在给定期望距离以及工作频率等RFID系统要求之后，在条件有限的情况下，就可以根据需要进行简单的RFID天线设计了。本文根据客户要求，设计一个期望最大作用距离为3.4cm, 工作频率在134.2kHz的绕线天线。

   具体步骤如下：首先确定天线的最佳半径，不宜太大也不宜太小，理想的最佳天线半径应当为期望作用距离的2倍，在实际设计的时候，应当根据设计需求在设计中进行折衷的考虑，在保证系统要求的前提下，尽可能地接近最佳值。但是考虑到系统对于天线半径尺寸的要求以及实际的测试结果，实际中取半径为4cm。其次，再根据工作频率以及系统本身的要求确定电感量的大致范围，本文中取电感量在800～900μH。再者，用电感量与匝数关系的经验公式大致估计绕线的匝数。本文中取电感量在850μH，用直径为0．27 mm的铜导线匝数大概在266圈左右，进行绕制天线。

   四、试制中遇到的问题

通过对样品的调试以及实验，发现产品在实车实验时，经常出现错误的报警，导致整车无法启动，经分析及大量的实验，发现是由于读卡器的天线经常受到整车的其它器件工作是产生的干扰，造成防盗器的误判断导致发动机被锁死。为了解决干扰问题，我们增加了天线的抗干扰能力，将原来的两芯天线插头改为带屏蔽层的三芯天线插头，从根本上解决整车对天线的干扰。具体如下所示（见图6）：

图6 插件端口引线图

   五、结论

车用防盗报警器是根据客户需求研制的新型RFID防盗报警器，该产品技术优势显著，结构设计新颖、合理，经用户检测和试验，各项功能指标均达到客户使用要求，现已形成批量订单。（作者单位：杨 瑞： 陕西华凌电器有限公司，冯 凯：陕西省交通医院）