生态环境监测系统中的RFID 阅读器发射电路设计

王高举，毛子羡

（四川大学电子信息学院，成都610065）

0 引言

近年来，随着RFID 技术不断创新发展，其应用领域也日益广泛，使用RFID 技术的行业包括零售、制造、卫生保健、体育赛事和农业等，随着5G 时代的到来，RFID 技术继续会应用于许多不同的行业，以提高可跟踪性、准确性、安全性[1]。由于低频应答器对无线电波的干扰和水不是很敏感，目前应用于动物识别的RFID技术也主要是低频频段，因此低频RFID 技术是生态环境监测系统的良好选择。在生态环境监测系统中，利用射频标记法对鱼类进行标记[2]，RFID 阅读器通过布置在水中的天线采集鱼类标记信息，并将信息保存在存储卡中，然后传输给上位机，通过采集鱼类游动的方向和距离、种群行为、鱼道效率、返回率等数据，分析研究鱼类群落的活动规律和机制，以及相应鱼类群落变化与河流环境的关系，以达到监测河流生态环境的目的。

1 硬件电路设计与实现

1.1 发射模块硬件架构

由于半双工系统的阅读器的识别距离、抗干扰能力、功耗等方面都优于全双工系统，因此本文的阅读器设计采用半双工方案，所设计的阅读器的发射电路包括发射模块、天线模块，其中发射模块主要有脉宽调制电路、驱动电路、功率级电路；电容调谐网络、线圈天线构成阅读器最前端的收发模块，框图如图1 所示。

发射模块的工作来自控制模块的控制电平（高电平有效），当接收到控制模块的控制电平后，由晶振组成的振荡电路产生134.2±2KHz 的方波信号，进入脉宽调制器，调制发射信号，改变发射信号的占空比，通过驱动电路提高PWM 控制信号的驱动能力，作为功率级电路的输入信号，功率级电路将电源的直流功率转换为交流功率，通过天线辐射出去，建立工作区域，为标签提供能量。

图1 发射模块整体框图

发射模块的原理图如图2 所示，其中发射振荡器采用ADI 公司的LTC6906 硅振荡器，该振荡器具有价格低，精度高的特点，通过简单的外围器件就可以产生134.2±2KHz 的发射信号。脉宽调制器选用德州仪器（TI）的稳压脉宽调制器UC1526，该芯片具有产生占空比相同，相位差为180°的双通道PWM 波、欠压锁定、软启动、数字限流、双脉冲抑制逻辑和死区可调等功能。芯片所输出的PWM 波的频率即可以由芯片内部高精度的晶振和外围RC 振荡电路来共同决定，也可以通过外部振荡器来控制，用户一旦使用了外部振荡器，则内部晶振将被隔离，芯片输出的PWM 波频率将与外部晶振信号保持同步。如果使用芯片内部晶振和外围RC 振荡电路来产生所需的PWM 波频率，但是电阻阻值受温度影响变化较大，输出的PWM 波频率很容易受环境温度影响，导致系统工作不稳定，而且为了降低发射电路的成本，本文不使用外部晶振电路，而发射振荡器使用UC1526 内部的晶振，通过单片机产生所需的振荡频率输入到12 引脚作为UC1526 外部振荡器的输入，此时，需要将11 引脚接地，而且单片机所输出振荡的频率为芯片所需输出PWM 波频率的2 倍。为了实现所输出的PWM 波占空比可调，搭建分压电路，通过调节分压电路的可调电阻R1 来改变3 脚的输入电压值，芯片内部的比较器把3 脚的输入电压值与基准值进行比较，将差值比例放大，调节输出PWM 波的占空比，继而调节功率级电路的输出功率。

驱动电路选用3A 双通道高速功率MOSFET 驱动芯片TC4424，作为MOSFET 驱动器，TC4424 可以在35ns 内轻松为1800 pF 的栅极电容充电，同时在导通和截止状态下都提供足够低的阻抗，以确保MOSFET的预期状态即使受到大的瞬变也不会受到影响。该芯片具有3.5Ω的低输出阻抗，快速的上升、下降时间，两路与输入保持同相的输出。

图2 发射模块前级电路原理图

在生态环境监测系统中，设备一般需要工作在野外环境中，供电方式大多是采用太阳能和蓄电池，为了提高电源利用率和系统续航时间，需要尽可能地提升系统的效率。经过对比分析和实验，本文的功率级电路采用变压器耦合D 类功率放大器的拓扑结构[3]，如图3 所示，对于功放管的选择，从两方面考虑，首先MOS管要损耗小，既漏-源级导通的电阻足够小，这样就可以最小化功放电路的损耗，其次需要考虑漏-源级的耐压值，耐压必须要有足够的裕量，防止MOS 管被击穿，理论上其耐压值要大于供电电压的3 倍，因此经过综合考虑，选用IRF530N 作为功率放大器的功放管，该MOS 管耐压值为100V，导通内阻为0.09Ω，完全符合系统的要求。良好D 类功率放大器的设计，在追求完美的输出波形的同时，也要保证损耗小、效率高，图中第一部分为吸收电路，该部分电路的目的是吸收变压器原边线圈的漏感，降低变压器的漏感和励磁电感对输出波形的影响，优化功放的输出波形，第二部分是中心抽头变压器，目的起到了阻抗变换和隔离功能，阻抗匹配是为了保证最大功率输出，隔离功能主要是为了防止后级天线模块对前级电路的影响。

在变压器设计方面，考虑变压器的功率容量和所承受电流，本文选用骨架为上下绕组的RM12 变压器，初级选用直径为0.6mm 的漆包线绕制，次级选用单芯直径为0.1mm 的26 芯的多股线绕制，初级采用双线并绕的方式，并引出中心抽头，初级与次级的匝数比为20:20:17。

图3 功率级电路原理图

1.2 天线模块设计

天线是阅读器与应答器之间能量和信息交流的重要媒介，其性能设计的好坏直接决定了低频RFID 阅读器工作性能。在设计天线线圈时，除了需要考虑线圈的磁场强度，天线线圈的电感值L 和品质因数Q，也需要考虑天线的合适尺寸和应用场合，为了使设备可以工作在野外生态环境中，综合考虑各方面的因素，本文设计的天线尺寸为1m×0.5m，采用3 匝单芯直径为0.1mm 的300 芯的多股线制成，并包裹在横截面积为314mm2的聚氯乙烯（PVC）管中，PVC 管内填装防水材料，将一根双绞屏蔽线电缆焊接到天线的两个自由端，并穿过防水接头，然后将天线组件粘紧，以防止水与任何天线导线接触。

在野外甚至水中的实际应用中，阅读器天线的电特性参数会发生改变，导致阻抗不匹配和发射频率大幅下降，对阅读器的识别距离和效率产生影响，因此需要设计调谐模块来解决这个问题，调谐模块一般分为手动调谐和自动调谐，自动调谐的优点是精度高，方便快捷，缺点是成本高，在雷击恶劣天气时，容易损坏，而且自动调谐会带来额外的功率损耗[4]。因此考虑系统的稳定性、功耗成本等方面，本文选用手动调谐方案，电路图如图4 所示，包括电容矩阵、功率指示灯，通过配置电容矩阵，使天线模块的谐振在134.2±2KHz 的范围内，功率指示灯用来观测天线端的谐振电压是否达到最大值，可根据指示灯的亮度来调谐电容矩阵，电容矩阵的调谐范围为4.7nF-239nF，因此设计的天线线圈的电感值的范围需在5.89uH-0.3mH，否则将需重新配置电容矩阵的电容值。

图4 调谐模块电路原理图

2 功能测试

为了验证阅读器发射电路的性能，我们需要对阅读器进行实际测试，由于天线模块的状态对整个系统有很大影响，故使用Agilent E5061B 矢量网络分析仪对天线模块进行调试，图5 为天线模块在100KHz 到300KHz 范围内的阻抗圆图，为了保证天线可以获得足够大的功率，通过调谐模块将134.2KHz 的阻抗点调整至阻抗圆图的短路点处，当处于接收状态时，134.2KHz的阻抗点位于阻抗圆图的开路点处，此时系统有最好表现。调谐完成后的天线端工作电压的峰峰值约为500V（示波器打开×10 档位），输出功率约为47W，如图6 所示。

图5

图6

3 结语

本文设计的应用于生态环境监测中的低频RFID阅读器发射电路，实现了发射模块的占空比可调，输出功率可控，功率级电路采用变压器耦合D 类功率放大器，结合良好的吸收电路，减少了功耗，优化了输出波形。经过调试和测试，阅读器的输出功率约为47W，稳定驱动2A 电流，识别距离约为60cm，特殊的天线设计和良好的EMC 设计，可以使系统安全稳定的工作在野外生态环境中，注意板级电路的防水防潮。