搜索
RFID射频识别原理研究CONTENTSIIIIIIIV简述原理仿真总结I简述一．背景用非接触方法进行身份识别的技术称为射频识别技术（RFID-RadioFrequencyIdentification），广泛用于电子门禁、身份识别、货物识别、动物识别、电子车票等场合。RFID系统由计算机、读写器和应答器以及耦合器组成。应答器存放被识别物体的有关信息，放置在要识别的移动物体上。耦合器可以是天线或线圈。近距离的射频识别系统采用耦合线圈。一套完整的RFID系统，是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用程序系统三个部分所组成,其工作原理是Reader发射一个特定频率的无线电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。当装有无源RFID电子标签的物体接近读写器时，读写器受控发出查询信号RFID电子标签收到此查询信号后，将此信号与标签中的数据信息结合后反射回读写器。反射回来的合成信号，已携带有RFID电子标签数据信息。读写器接收到RFID电子标签反射回的合成信号后，经读写器内部微处理器处理后即可将RFID电子标签储存的信息读取出来。应答过程II原理图1所示为近距离互感耦合RFID系统电路接口的等效电路。互感的初级部分位于信息的读写器或阅读器一端，它发出高频信号，在初级电感L1（发送线圈）上产生感应电压。次级电路是应答器的接收等效电路，L2是应答器的接收线圈。当应答器靠近读写器时，线圈之间发生互感，应答器从接收线圈上获得微弱能量（这部分电路没有画出）来控制电子开关S动作发出特定的ID信息。电路初级线圈谐振于vs的频率=125kHz。当开关S断开时，次级回路谐振，获得的高电压整流后给应答器控制芯片供电。由于初级、次级回路均谐振，反映到初级阻抗近似为个纯电阻,其值为,初级电容C1上电压比较高。当开关S闭合时，次级阻抗为电感，反映到初级阻抗为电容，其值为，使得初级电容C1上电压幅度显著升高。因此，次级负载变化引起初级电容电压降低，称为负载调制，由此实现信号从次级到初级的传递。读写器检测电容C1上电压幅度变化得到应答器传来的二进制ID信息（即开关S的控制信号），如图2给定电路参数L1=L2=1.35mH,C1=C2=1.2nF,耦合系数k=0.3,R1=40Ohm,R2=5kOhm，vs最大值为5V，频率为125kHz的正弦波。用相量法分析当S断开和闭合时，电容C1上的电压vc1。当开关闭合时III仿真在EWB仿真时，需要用线性变压器模型来代替互感模型，其中参数的设定利用下面的关系来确定：其中，L1,L2和k分别是互感模型的初级电感、次级电感和耦合系数。LM,LE和n分别是EWB中变压器模型中的激磁电感LM，初级漏电感LE，初级对次级匝比N。设置耦合线圈的参数:N=0.3,LE=0.0012285H,LM=0.0001215H。1、给定电路参数L1=L2=1.35mH,C1=C2=1.2nF,耦合系数k=0.3,R1=40Ohm,R2=5kOhm，vs最大值为5V，频率为125kHz的正弦波。求电容C1上的电压vc1。节点2节点1在作理论分析时，为简化分析，可以只进行开关断开和闭合两种情况下的正弦稳态分析。但是由于电路包含动态元件，开关的动作会引起过渡过程，在进行EWB仿真时可以很清楚观察到这个过程。S断开S闭合EWB节点1下面用Multisim进行仿真S断开S闭合Multisim12Multisim14由上述结果可知Multisim14、与Multisim12仿真结果相同，但不大符合实际情况，分析原因可能是Multisim对变压器的模型设置与ewb不同原题中采用的是耦合线圈，在ewb中没有耦合线圈，因此题目让我们用变压器进行模拟，但在multisim中提供给我们了耦合线圈，下面分别在Multisim12与Multisim14中用耦合线圈进行仿真S断开S闭合multisim12S断开S闭合multisim14由以上结果可知multisim14与multisim12仿真结果都与实际计算结果有所出入，并且用multisim12时产生的误差较小，但仍有大约2-4V的误差，原因可能是电路仿真与理论计算有一定的差异2．用EWB频率扫描分析，频率从10kHz到1MHz变化时，C1和C2上电压幅度的变化情况。仿真时对C1与C2进行交流扫描分析，但出现了一系列问题。下面根据开关是否断开，次级线圈是否接地进行讨论EWB不接地断开EWB不接地断开EWB接地断开首先Multisim用耦合线圈进行仿真Multisim12Multisim14接地断开Multisim12Multisim14接地闭合Multisim12Multisim14不接地闭合可能的原因会很复杂，比如写的不好的器件模型，仿真器的收敛条件设置，还有器件尺寸的选取超出模型范围，等等都会造成奇异矩阵的问题。常用的解决办法是1)调整收敛设置和精度设置2）检查电路中不合理的数字，沟道长度之类的，超大或者超小的电阻电容电感之类的。初级线圈与次级线圈近似在应答器在125kHz产生谐振，开关断开时，次级电路电容与电阻接入电路，在接近125kHz附近处，由于互感元件的存在，初级次级线圈互相影响，因此此处电压峰值会下凹；当开关闭合时，电容电阻被断路，只有电感接入电路，反应到初级为纯容，因此此时初级线圈不会谐振于125kHz然后采用变压器进行仿真Multisim12Multisim14断开Multisim12Multisim14闭合3、若采用电压控制开关，控制电压vm为1kHz方波，那么可以将控制电压看成应答器发出的一个信息，通过仿真，观察C1上电压波形在multisim中，压控开关有两种：(1)VoltagecontrolledSPSTAnimated（压控动作模拟开关：即仿真时可看到开关的开合动作）从图中可看到，当控制电压增大到VT-VH时，开关两头之间的电阻由Roff(断开)瞬间变到Ron（接通）；或者当控制电压逐渐减小到VT+VH时，开关两头之间的电阻由Ron（接通）瞬间变到Roff(断开)。因此，这种开关和电路分析理论课上讲的理想开关特性完全一致。（VT：阈值电压，VH：滞后电压）开关介绍（2）VoltagecontrolledSPDT/DPDT从图中可看到，当控制电压由小增大到Voff时，开关两头之间的电阻开始滚降（即开关慢慢闭合），直到控制电压等于Von，电阻变为Ron，完成闭合；反之当控制电压由大变小，等于Von时，开关两头之间的电阻开始慢慢变大（即开关慢慢打开），直到控制电压等于Voff，电阻变为Ron，完成打开。因此，这种开关是非理想的缓慢变化的开关，与电路理论课用到的理想开关有很大差别。采用SPST用控制电压的大小变化实现开关的关断，从而在C1上会产生不同的电压。电容器两边电压和矩形电压基本是同步的，即应答器的信息可以通过互感元件，使电容器两端电压幅值变化，从而在读写器上表现出来。另外，元件若使用multisim提供的变压器则无法出现此现象由于电源vs的频率=125kHz，方波控制电压的频率=1kHz。所以实际得到的幅度变化的C1电压是周期比方波小得多的幅度变化周期与方波的周期一致的正弦波形。4．扩展问题：设计一种电路，检测出初级电容电压vc幅度变化，得到与控制电压vm相同的波形。（提示：可采用二极管整流电路）包络检波电路原理在高频电子线路中，包络检波器是一种很常用的电路。二极管包络检波电路主要有二极管和RC低通滤波器组成,原理图为：交流电压通过二极管时，变为如下图所示的直流电压，波形中有较大的脉动成分，成为波纹。电压加在R和C上，输入信号向C充电；当电压为0时，C可看做一个不断衰减的压源，通过电阻R放电，时间常数为RC。输出信号在这种不断充、放电过程中逐渐增长，直到充放电达到平衡时，输出信号跟踪了输入信号的包络。如果参数选择不当，二极管包络检波电路会产生惰性失真和负峰切割失真，惰性失真是由于RC过大造成的(惰性失真：过分增大R和C值，致使二极管截止期间放电速度过慢，在某t1时刻跟不上输入调幅波包络的下降速度。输出平均电压就会产生失真)包络检波电路原理电压比较器5．自由发挥：讨论下图R与C参数大小对节点8电压的影响5．自由发挥：讨论下图R与C参数大小对节点8电压的影响①R不变，C变C=2nFR=3kOhmC=8nFR=3kOhmC=6nFR=3kOhmC=4nFR=3kOhm①当电容值较小时，电容储能较小，并且时间常数较小，电压衰减较快，因此电压的波动较大。②当电容值较大时，电压衰减较慢，电压则较为平稳。因此需要设置合适的C值，以保证换路稳定后波动电压的最小值大于换路前波动电压的最大值。对于题目4中电压比较器负极的直流电源应设置在换路前波动电压最大值和换路后波动电压最小值之间①C不变，R变C=8nFR=1.5kOhmC=8nFR=3kOhmC=8nFR=4kOhmC=8nFR=5kOhmC=8nFR=100Ohm①C不变，R变C=8nFR=10kOhmC=8nFR=15kOhmC=8nFR=100kOhmC=8nFR=500kOhm①当R较小时，时间常数较小，电压衰减快。由于C1、C2、C3并联，所以总阻抗为：所以当电阻较小时，总阻抗较小，分压较小，对由于开关断开与闭合产生的电压的变化反应不明显。从另一个角度看，电阻较小时，该支路可看成通路，基本无电压变化②随着电阻增大，时间常数增大，衰减较慢，电容器储能还未完全释放，下一次充能又开始了，所以电压包络在换路后不断上升③当电阻继续增大时，时间常数变得很大，此时电压衰减与增大都不是很明显，所以逐渐趋近于常数。此时也可以看成电阻所在的支路可看成断路，当电容器一次充能后没有回路释放电能，因此电压会保持一个恒定的值，此处也可以看出电容具有滤波的作用，滤去了输入电压中的交流部分IV总结本次研学使我对RFID有了初步的了解，在进行理论上的细致分析之后想必会有利于以后的学习。但在本次研讨中，使我获益更大的大概还是对Multisim与ewb的使用有了更进一步的了解。本ppt中提到的两种开关的区别与包络检波部分的内容是自己查阅了一些资料后做出来的。整个研学的过程从最开始的理论计算到最后的完成ppt自己大约投入了30多个小时，很大一部分时间也是花在了与ewb和Multisim抗争上面，就拿互感元件来说，在Multisim上就有大约五种互感元件，而Multisim本身不提供对元件的详细解释的，而不同的元件所产生的仿真结果也是不一样的，这也就让人有不知所措之感。本次实验，我基本全程处于黑人懵逼的状态。本文只对其中两种元件，用了三个软件进行仿真比较，产生不同结果的原因自己也未能对其作出很好的解释。由于时间、能力等原因，自己也没有在这方面进行拓展，然而这却是个很好研究方向，有兴趣的同学可以自己深入研究。THANKS