課程設(shè)計(jì)（論文）無(wú)線識(shí)別裝置中無(wú)源式應(yīng)答器的設(shè)計(jì)

1、無(wú)線識(shí)別裝置中無(wú)源式應(yīng)答器的設(shè)計(jì) 第一章第一章 緒論緒論 射頻識(shí)別技術(shù)是無(wú)線電技術(shù)在自動(dòng)識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用中的具體運(yùn)用。它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí) 別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。近年來(lái)，隨著芯片技術(shù)，天線技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展， rfid 系統(tǒng)的體積，功耗越來(lái)越小，成本越來(lái)越低，功能日趨靈活，操作快捷方便，加上其 擅長(zhǎng)多目標(biāo)識(shí)別，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，方便物品跟蹤和物流管理的突出特點(diǎn)，rfid 系統(tǒng)日益廣 泛的應(yīng)用于各種生產(chǎn)生活場(chǎng)所，扮演著越來(lái)越重要的角色，被評(píng)為“帶來(lái)了一個(gè)進(jìn)化的無(wú)線 市場(chǎng)” 。 本文論述了作者大學(xué)期間進(jìn)行的 rfid 技術(shù)在無(wú)線識(shí)別裝置中無(wú)源式應(yīng)答器的研究與設(shè) 計(jì)實(shí)踐。 1.1 rfid 系

2、統(tǒng) 1.1.1 什么是 rfid 系統(tǒng) rfid（radio frequency identification）系統(tǒng)稱為射頻識(shí)別系統(tǒng)。它不傳統(tǒng)意義上的 識(shí)別方式的本質(zhì)區(qū)別在于：它的能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)交換是運(yùn)用無(wú)線電和雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。rfid 系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成:閱讀器和應(yīng)答器。如圖 1.1 所示，是 rfid 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。 圖 1.1 rfid 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) fig. 1.1 the basic structure of rfid system 應(yīng)答器是射頻識(shí)別系統(tǒng)（rfid）的數(shù)據(jù)載體，它通常放在需要識(shí)別的物件上，可以發(fā)送 和接收信息，并以此進(jìn)行讀/寫操作。應(yīng)答器分為兩大類，即：有源應(yīng)

3、答器和無(wú)源應(yīng)答器。 所謂有源應(yīng)答器顧名思義就是自己提供能量，來(lái)進(jìn)行信息的收發(fā)；而我們通常意義上所講的 應(yīng)答器都是指無(wú)源應(yīng)答器，它由耦合組件和微電子芯片組成。在閱讀器的響應(yīng)范圍外，它處 于無(wú)源狀態(tài)；而在閱讀器的響應(yīng)范圍內(nèi)，它才處于有源狀態(tài)，所以我們稱之為無(wú)源應(yīng)答器。 而它工作所需要的能量要通過(guò)耦合單元的傳輸。當(dāng)然，有源應(yīng)答器和無(wú)源應(yīng)答器都有自己的 缺陷，比如，有源應(yīng)答器它就要在芯片上提供一個(gè)電源，這就增加了應(yīng)答器的體積，而且如 射頻識(shí)別閱讀器 計(jì)算機(jī) 應(yīng)答器（非接觸 數(shù)據(jù)載體） 時(shí)序 能量 耦合組件（線 圈，微波天線） 果是集成的話還限制了應(yīng)答器的壽命，因?yàn)椴还軕?yīng)答器的工作功率有多小，待機(jī)模式的

4、耗電 有多么的少，但是它總要消耗一定的能量，當(dāng)然如果電池可換的話就是另外一回事了，前提 當(dāng)然是要犧牲體積了。而無(wú)源應(yīng)答器的一個(gè)致命的缺點(diǎn)便是工作距離，關(guān)于這部分的解釋作 者會(huì)在后面的章節(jié)詳細(xì)的介紹，在這里就不想再多占篇幅了。 應(yīng)答器有幾種實(shí)現(xiàn)的方式，通常我們接觸到的射頻卡就是一種比較常見的模式，還有一 種是以器件的形式實(shí)現(xiàn)的，它的數(shù)據(jù)可以讀、寫、改，而且它的功能也要比射頻卡強(qiáng)得多， 比如在本課題識(shí)別上的應(yīng)用，我們甚至可以看到它響應(yīng)閱讀器指令的結(jié)果：如果認(rèn)證成功， 則在應(yīng)答器的終端顯示結(jié)果；如果失敗，則可以顯示結(jié)果并給出失敗的原因。當(dāng)然如果設(shè)計(jì) 和微機(jī)的接口的話就更方便數(shù)據(jù)的管理了，但是一個(gè)比較

5、大的缺點(diǎn)就是體積太大了，不過(guò)在 本文的設(shè)計(jì)中，作者以功能的實(shí)現(xiàn)為主要目標(biāo)，所以其它的問(wèn)題都是課題以后仍舊要努力的 目標(biāo)。 1.1.2 rfid 系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)出現(xiàn)了迅速的發(fā)展，而且技術(shù)種類繁多。相繼出現(xiàn)的主要自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)有： 條碼系統(tǒng)、光學(xué)碼系統(tǒng)、光學(xué)符號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、生物識(shí)別法(包括語(yǔ)音識(shí)別、指紋鑒定法等)、 ic 卡、射頻識(shí)別(rfid)系統(tǒng)。 射頻識(shí)別系統(tǒng)是 ic 技術(shù)的延伸和發(fā)展，它是無(wú)線電電頻率識(shí)別的簡(jiǎn)稱，即通過(guò)無(wú)線電 波進(jìn)行識(shí)別，同其它識(shí)別系統(tǒng)相比，射頻識(shí)別有很多的優(yōu)點(diǎn)。因此，射頻識(shí)別開始有了較大 的市場(chǎng)占有率，并且正在逐步取代原有的很多自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，如表 1.1 所示，

6、表明了射頻識(shí) 別和其它的識(shí)別系統(tǒng)相比，有很多的優(yōu)點(diǎn)： 1)使用時(shí)無(wú)需和閱讀器接觸，操作快捷。 2)抗干擾性強(qiáng)，允許多個(gè)應(yīng)答器的同時(shí)操作。 3)配合具體應(yīng)用，具有多種工作距離。 4)由于使用時(shí)沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn)，提高了反應(yīng)的可靠性和設(shè)備的壽命。 5)應(yīng)答器可以多功能使用。 6)安全性高。 7)不怕污染，可以在很惡劣的條件下替代其它接觸式的識(shí)別方式。 rfid 系統(tǒng)最早的運(yùn)用是在 1945 年，二次世界大戰(zhàn)中用于戰(zhàn)斗機(jī) iff(identify friend or foe)。但是作為真正的廣泛應(yīng)用卻是近十幾年的事情。比如 1985 年底瑞士開始投入研究 鐵路管理的 rfid 系統(tǒng)，到 1989 年共用了

7、 4 年的時(shí)間才成功的將其應(yīng)用到鐵路管理系統(tǒng)，使 鐵路的管理以及火車的調(diào)度效率得到了大大的提高。到了 90 年代，國(guó)外有大量的研究及生 產(chǎn) rfid 系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)、公司成立，所有的這些都促進(jìn)了 rfid 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。比如 iso 于 1995 年后相繼推出了 iso-11784 動(dòng)物識(shí)別，iso-10374 集裝箱等標(biāo)準(zhǔn)。 近年來(lái)在國(guó)外有很多公司都投入了一定的力量來(lái)研究移植性強(qiáng)的 rfid 系統(tǒng)的統(tǒng)解決方 案，如 tagmaster、ti、motorola、intel等；在韓國(guó)已經(jīng)成功地將研究成果應(yīng)用到了 公交行業(yè)；歐盟將 rfid 技術(shù)用到“icare”和“calypso”項(xiàng)目上，形成了一個(gè)

8、基于 rfid 技 術(shù)的“信用卡”系統(tǒng)；德國(guó)漢莎航空公司對(duì)高頻率乘客發(fā)放的 miles&more 卡，也是用 rfid 技術(shù)的，大大提高了機(jī)場(chǎng)的效率，節(jié)省了乘客的時(shí)間。這些應(yīng)用的成功標(biāo)志著 rfid 系統(tǒng)已 經(jīng)取得了信息系統(tǒng)中舉足輕重的地位。現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)在許多領(lǐng)域，比如：服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷 售、后勤分配、商業(yè)部門、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通等領(lǐng)域得到了快速的普及和推廣。 而在我國(guó)也有很多公司在進(jìn)行這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)，如上?？菩局悄芸萍加邢薰?、煙臺(tái) 威爾數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司、杭州力匯電子有限公司、tagmaster(中國(guó))有限公司、北京蘭德華 電子技術(shù)有限公司、上海華虹集成電路有限公司等，且已經(jīng)開發(fā)了許多產(chǎn)品

9、。這些產(chǎn)品已廣 泛用于服務(wù)、銷售、分配等領(lǐng)域，如動(dòng)物識(shí)別器、卡門禁機(jī)、指紋考勤機(jī)、電子閉鎖防盜專 置、產(chǎn)品產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、產(chǎn)品防偽、公交車系統(tǒng)等。 1.2 主要工作及章節(jié)提要 無(wú)線識(shí)別裝置是 2007 年索尼杯全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的一個(gè)題目，無(wú)線識(shí)別裝置 由閱讀器和應(yīng)答器組成，本文所論述的主要工作是無(wú)線識(shí)別裝置中的無(wú)源式應(yīng)答器的設(shè)計(jì)， 無(wú)源部分的實(shí)現(xiàn)一是應(yīng)答器上要有為應(yīng)答器工作提供能量的無(wú)源單元，二是閱讀器 所以盡管會(huì)涉及到閱讀器部分，但是重點(diǎn)無(wú)疑是在應(yīng)答器部分，而本論文的工作也將著重介 紹無(wú)源式應(yīng)答器部分。在本設(shè)計(jì)中的要求是不能使用現(xiàn)有射頻識(shí)別卡或用于識(shí)別的專用芯片， 所以在設(shè)計(jì)

10、中基本都采用的是集成電路和分離元件，而在無(wú)源式應(yīng)答器和閱讀器當(dāng)中分別采 用了 pt2262 編碼芯片和 pt2272 解碼芯片，這樣不僅系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，成本低，功耗小，而且 pt2262 起始工作電壓低，能很好的滿足無(wú)源式應(yīng)答器的無(wú)源要求。 章節(jié)提要：章節(jié)提要： 第一章主要介紹了射頻識(shí)別（rfid）系統(tǒng)的定義、組成以及 rfid 系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。 第二章是本人設(shè)計(jì)無(wú)線識(shí)別裝置所提出的總體方案和調(diào)制方式的方案并對(duì)這些方案進(jìn)行 的論證和比較。 第三章是無(wú)線識(shí)別裝置總體電路設(shè)計(jì)，包括了閱讀器部分以及無(wú)源式應(yīng)答器部分的組成 方框圖和總體電路圖。 第四章是無(wú)線識(shí)別裝置各主要電路設(shè)計(jì)，包括耦合線圈的匹配理論

11、，閱讀器的發(fā)射電路 分析、接收電路分析、有源晶振單元、功率放大單元、電源單元以及 pt2272 解碼單元，并 著重介紹了無(wú)源式應(yīng)答器的電路設(shè)計(jì)，包括無(wú)源式應(yīng)答器的電源單元、555 時(shí)鐘單元以及 pt2262 編碼單元，在本章最后列出了該系統(tǒng)閱讀器和無(wú)源式應(yīng)答器的工作流程圖。 第五章介紹的是作者對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)。 第六章是作者對(duì)無(wú)線識(shí)別裝置設(shè)計(jì)的總結(jié)以及對(duì)無(wú)線識(shí)別裝置的展望。 第二章 無(wú)線識(shí)別裝置方案論證與比較 2.1 總體方案論證與比較 方案一：方案一：如圖 2.1 所示，采用單片機(jī)與有源晶振振蕩器組成無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)。閱讀器：用 串口通信方式掃描應(yīng)答信號(hào)，接受到應(yīng)答信號(hào)后，判

12、別其是否有效，若有效則顯示應(yīng)答器信 息，并蜂鳴提示。應(yīng)答器：當(dāng)靠近閱讀器時(shí)，通過(guò)線圈耦合獲得工作能量，讀取撥碼開關(guān)狀 態(tài)，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。 特點(diǎn)：采用單片機(jī)異步串口通信方式，具有較高的顯示正確率。但對(duì)于本設(shè)計(jì)任務(wù)，考 慮到耦合能量有限，不足以驅(qū)動(dòng)單片機(jī)。該方案不太合適。 89s5289s52 耦合線圈耦合線圈 串口無(wú)線傳輸 無(wú)源式應(yīng)答器閱讀器 圖 2.1 無(wú)線識(shí)別裝置方案一方框圖 fig.2.1 block diagram of the first programme of wireless identification device 振蕩器 撥碼開關(guān)發(fā)光二極管 檢波 整形 方案二：方案二：如圖

13、 2 所示，采用 pt2262 編碼芯片，與 pt2272 解碼芯片組成無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)。 應(yīng)答器通過(guò)四位撥碼開關(guān)進(jìn)行卡號(hào)設(shè)置，pt2262 對(duì)卡號(hào)進(jìn)行編碼并通過(guò)耦合線圈發(fā)射出去； 閱讀器通過(guò)耦合線圈接收信號(hào)并交給 pt2272 解碼芯片譯碼輸出應(yīng)答器卡號(hào)，由發(fā)光二極管 顯示。 特點(diǎn)：系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，成本低，功耗小，且 pt2262 起始工作電壓低非常適合能量供應(yīng) 有限的場(chǎng)合。 編碼 芯片 解碼 芯片 發(fā)光二極管 四位撥碼開關(guān) 耦合線圈耦合線圈 無(wú)線傳輸 無(wú)源式 應(yīng)答器 閱讀器 圖 2.2 無(wú)線識(shí)別裝置方案二方框圖 fig.2.2 block diagram of the secend progra

14、mme of wireless identification devices 結(jié)合以上分析實(shí)際情況，我們采用方案二。 2.2 調(diào)制方式論證與比較 方案一：方案一：頻移鍵控（fsk） 。傳輸速率快，數(shù)據(jù)正確率高，但調(diào)制電路復(fù)雜，成本高，尤 其功耗較高，而且解調(diào)電路較為復(fù)雜。本題目要求低功耗，且對(duì)通訊指標(biāo)要求不是很苛刻， 如傳輸數(shù)據(jù)正確率80%，響應(yīng)時(shí)間5s，故不宜選用該方案。 方案二：方案二：幅移鍵控（ask）。調(diào)制電路簡(jiǎn)單，功耗較低，常用于簡(jiǎn)單的低速數(shù)據(jù)通信， 解調(diào)電路也十分簡(jiǎn)單，滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求，綜合考慮我們選用該方案。 2.3 555 時(shí)鐘電路的控制對(duì)象論證與比較 方案一：方案一：用 5

15、55 時(shí)鐘電路控制閱讀器和應(yīng)答器，也就是在閱讀器和應(yīng)答器當(dāng)中都使用 555 時(shí)鐘電路。當(dāng)閱讀器向應(yīng)答器輻射能量時(shí)應(yīng)答器只接收能量，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)行編碼并發(fā)射 時(shí)閱讀器停止向應(yīng)答器輻射能量而只接收應(yīng)答器發(fā)來(lái)的編碼信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行解碼和顯示，但 在實(shí)際工作中，很難保證閱讀器和應(yīng)答器同步，所以不采用此方案。 方案二：方案二：用 555 時(shí)鐘電路控制應(yīng)答器，閱讀器不使用該電路。這樣的設(shè)計(jì)就是讓閱讀器 不停地工作，定時(shí)電路控制應(yīng)答器接受能量、儲(chǔ)能以及編碼并發(fā)送，但因?yàn)閼?yīng)答器的輸出功 率太小，如果閱讀器那邊連續(xù)輻射信號(hào)，閱讀器就無(wú)法接收到應(yīng)答器的信號(hào)，所以也不采用 此方案。 方案三：方案三：用 555 時(shí)鐘電路

16、控制閱讀器，應(yīng)答器不使用該電路。也就是應(yīng)答器會(huì)不停地工 作，而閱讀器間歇的工作，這樣就能夠很好的保證閱讀器能夠接收到應(yīng)答器發(fā)送的編碼信號(hào) 并進(jìn)行解碼顯示。所以本設(shè)計(jì)中采用此方案。 2.4 功率放大電路設(shè)計(jì)的論證與比較 方案一：方案一：采用 3355 和 2035 兩種三極管的功率放大電路，如圖 2.3 所示。 這個(gè)放大電路理論上能夠滿足本設(shè)計(jì)的需要，但在實(shí)際操作的過(guò)程中因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的接地 不好，電烙鐵帶電，3355 很容易燒壞，因此本設(shè)計(jì)中不采用該方案。 方案二：方案二：采用 9014 和 2053 的功率放大電路，用 9014 代替 3355。 該電路不僅能夠滿足本設(shè)計(jì)的需要而且 9014 不

17、易燒壞、工作也比較穩(wěn)定，因此本設(shè)計(jì) 中采用該方案 第三章 無(wú)線識(shí)別裝置總體電路設(shè)計(jì) 對(duì)于無(wú)線識(shí)別裝置本設(shè)計(jì)采用這樣的設(shè)計(jì)思想：閱讀器所需電能由單電源供電，首先振 蕩電路產(chǎn)生電能，經(jīng)過(guò)放大電路放大后由線圈發(fā)射給應(yīng)答器，應(yīng)答器線圈接收到能量信號(hào)后 對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大整流為應(yīng)答器的提供所需的工作電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了應(yīng)答器的無(wú)源，然后 應(yīng)答器中有了電能后，pt2262 讀取撥碼開關(guān)值并對(duì)其進(jìn)行編碼，編碼信號(hào)經(jīng)過(guò) ask 調(diào)制后 由振蕩電路發(fā)射出去，此時(shí)閱讀器線圈感應(yīng)到由無(wú)源式應(yīng)答器發(fā)送來(lái)的編碼信號(hào)通過(guò)檢波電 路檢波之后發(fā)送給 pt2272，pt2272 對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行解碼并在發(fā)光二極管上顯示，二極管的 顯

18、示與無(wú)源式應(yīng)答器的撥碼開關(guān)值相對(duì)應(yīng)，這樣就完成了無(wú)線識(shí)別。 本章主要介紹了無(wú)線識(shí)別裝置的閱讀器和應(yīng)答器的總體電路設(shè)計(jì)。 3.1 閱讀器部分 如圖 3.1 所示，電能由振蕩電路產(chǎn)生經(jīng)后續(xù)多級(jí)放大電路放大，通過(guò)耦合線圈發(fā)送出去； 閱讀器通過(guò)耦合線圈接收應(yīng)答器發(fā)送的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)檢波電路檢波后送給 pt2272 串口接收， pt2272 對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后輸出識(shí)別結(jié)果。振蕩電路與檢波電路是獨(dú)立周期工作的，周 期由 555 時(shí)鐘電路產(chǎn)生，獨(dú)立工作由繼電器控制。 發(fā)光二極管 演 pt2272 耦合線圈 檢波電路 振蕩電路單電源 信號(hào) 電磁能 放大電路 555 時(shí)鐘 電路 繼電器 圖 3.1 閱讀器組成方

19、框圖 fig.3.1 block diagram of readers 3.2 無(wú)源式應(yīng)答器部分 如圖 3.2 所示，應(yīng)答器通過(guò)耦合線圈諧振耦合獲取能量，再經(jīng)放大整流電路向儲(chǔ)能電容 充電獲得系統(tǒng)工作所需電能；當(dāng)電容電壓經(jīng)電壓判斷電路判斷達(dá)到指定幅值時(shí)，應(yīng)答器開始 工作，pt2262 讀取撥碼開關(guān)值，并通過(guò)串口發(fā)送編碼信號(hào)，此時(shí)有源晶振產(chǎn)生載波信號(hào)， 編碼信號(hào)再經(jīng) ask 調(diào)制，從耦合線圈輻射出去。 pt2262 耦合線圈 圖 3.2 無(wú)源式應(yīng)答器組成方框圖 fig.3.2 block diagram of the passive pransponder 放大整流電路 信號(hào) 電磁能 電能 撥碼開

20、關(guān) ask 調(diào)制振蕩電路 3.3 無(wú)源式應(yīng)答器總體電路圖 無(wú)源式應(yīng)答器電路，見圖 3.3 圖 3.3 無(wú)源式應(yīng)答器電路圖 fig.3.3 the circuit of the passive pransponder 第四章 無(wú)線識(shí)別裝置各主要電路設(shè)計(jì) 4.1 耦合線圈的匹配理論 耦合線圈的匹配主要采用磁場(chǎng)耦合，通過(guò)電感與電容發(fā)生 lc 諧振。在指定的頻率下， 可以通過(guò)改變電感大小或者電容大小，從而達(dá)到諧振頻率。當(dāng)兩個(gè)線圈發(fā)生諧振并且靠得比 較近時(shí)，其中一個(gè)線圈里的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 本設(shè)計(jì)中的耦合線圈根據(jù)大學(xué)生電子競(jìng)賽的要求采用直徑約為 0.5mm 的漆包線密繞 1

21、0 圈形成直徑為 6.5cm 的線圈，線圈總長(zhǎng) 2.14 米，厚度為 5mm。 由圓形線圈的電感計(jì)算公式： （4-1）726 . 0 2235 . 0 lg*303 . 2 008 . 0 2 r cb cb r rnl 其中：n 為線圈匝數(shù)；r 為線圈的半徑(cm)；b 為線圈繞制的長(zhǎng)度（cm） ；c 為線圈的厚 度(cm)；耦合線圈 1、2 的電感計(jì)算值為 14.1uh，實(shí)際測(cè)量?jī)蓚€(gè)線圈電感值都為 11.2uh,可 以看出電感線圈的計(jì)算值與實(shí)際值非常接近。 線圈與可變電容組成并聯(lián)諧振回路，線圈電感為 11.2uh,可變電容容量為 525pf，根 據(jù)諧振頻率公式： （4-2） 1 2 f l

22、c 可得諧振頻率為：21mhz 到 9mhz 之間。對(duì)回路進(jìn)行諧振頻率測(cè)量得到諧振頻率為 11.4mhz。 因而，閱讀器采用 11.0952mhz 有源晶振產(chǎn)生接近與諧振頻率的能源載波頻率。應(yīng)答器 也采用 11.0952mhz 有源晶振作為載波頻率。 4.2 閱讀器部分電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的題目是無(wú)源式應(yīng)答器的設(shè)計(jì)，應(yīng)答器要實(shí)現(xiàn)無(wú)源的過(guò)程是閱讀器發(fā)射電路產(chǎn)生 頻率為 11.0952mhz 的信號(hào)，經(jīng)過(guò)耦合線圈發(fā)送至應(yīng)答器，應(yīng)答器接收信號(hào)后經(jīng)過(guò)無(wú)源式應(yīng) 答器的電源單元為應(yīng)答器工作提供能量。閱讀器發(fā)射電路由有源晶振單元和功率放大單元組 成。在本節(jié)中將介紹閱讀器中與實(shí)現(xiàn)無(wú)源式應(yīng)答器功能相關(guān)的一部分電路設(shè)

23、計(jì)。 4.2.1 閱讀器發(fā)射電路分析 1.閱讀器有源晶振單元 閱讀器和無(wú)源式應(yīng)答器都采用有源晶振單元，不同的是閱讀器的有源晶振單元供電是來(lái) 外接電源，而無(wú)源式應(yīng)答器的有源晶振單元?jiǎng)t是由自身的電源單元供電，關(guān)于有源晶振單元 將會(huì)在本章的無(wú)源式應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹。 2.功率放大單元 如圖 4.1 所示，q1、r1、t1、c5 組成緩沖級(jí)，增大信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，然后送給由 l2、c10 組成的二階低通濾波器，濾除放大過(guò)程中產(chǎn)生的諧波。q2、l1、r2 組成功率放大級(jí)， q2 采用 2sc2053，2053 是高頻中功率三極管，有較大的輸出功率，而且能夠承受較大的電 流，綜合功耗和作用距離等相關(guān)

24、因素，可知 2053 是極佳的選擇。經(jīng)過(guò) 2053 功率放大后的信 號(hào)再次經(jīng)過(guò)一個(gè)由 l3、c11 組成的二階低通濾波器，濾除功率放大過(guò)程中產(chǎn)生的諧波，以便 使電路工作在最佳狀態(tài)，最后，能量信號(hào)經(jīng)電感線圈輻射出去，供給應(yīng)答器使用。 這里需要指出，緩沖級(jí)和功率放大級(jí)采用的都是甲類放大電路的形式，所以比較容易產(chǎn) 生諧波，所以需要不斷的進(jìn)行濾除高次諧波，使電路工作在最佳狀態(tài)。而考慮到 9014 的靜 態(tài)工作點(diǎn)，則必須要使用中周即 t1，如果沒(méi)有中周，相當(dāng)于 9014 沒(méi)有供電，9014 不會(huì)工作。 圖 4.1 功率放大單元電路 fig.4.1 power amplifier module circu

25、it 4.2.2 電源單元 在閱讀器設(shè)計(jì)中，有源晶振單元和 pt2272 解碼芯片使用 5v 電源，功率放大單元采用 8v 供電，因此，使用三端集成穩(wěn)壓器 lm7805 為有源晶振單元和 pt2272 解碼芯片提供 5v 電 源，而功率放大單元所需的 8v 由外接電源直接供給，本著簡(jiǎn)潔實(shí)用的原則，電源電路如圖 4.2 所示。 圖 4.2 閱讀器電源單元電路 fig.4.2 power unit circuit of reader 4.2.3 555 時(shí)鐘單元 555 時(shí)鐘單元在本設(shè)計(jì)中也起到了關(guān)鍵的作用，它控制著閱讀器的工作狀態(tài)，當(dāng) 555 輸 出高電平時(shí)控制振蕩電路開始工作，并向應(yīng)答器輻射能

26、量；當(dāng) 555 輸出低電平時(shí)振蕩電路停 止工作而 2272 芯片開始工作，對(duì)發(fā)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行解碼并顯示。 555 時(shí)鐘單元采用 lm555 芯片，lm555 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的時(shí)基電路，是使用極為 廣泛的的一種通用集成電路。lm555 功能強(qiáng)大、使用靈活、適用范圍廣，可用來(lái)產(chǎn)生時(shí)間延 遲和多種脈沖信號(hào)，別廣泛用于各種電子產(chǎn)品中。 lm555 引腳圖及各引腳說(shuō)明見圖 4.3 和表 4.1。 圖 4.3 lm555 引腳圖 fig.4.3 figure-pin of lm555 表 4.1 lm555 各引腳說(shuō)明 tab.4.1 the description of pin of lm555 編

27、號(hào)名稱說(shuō) 明 1gnd 地線 2trigger 觸發(fā) 3output 輸出 4reset 復(fù)位 5control voltage 控制電壓 6threshold 閾值 7discharge 放電 8v+ 電源 lm555 時(shí)基電路內(nèi)部由分壓器、比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管組成，如圖 4.11 所 示，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。其中 6 腳為閾值閥，是比較器的輸入；2 腳為觸發(fā)器， 是下比較器的輸入；3 腳為輸出端，有 0 和 1 兩種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加電平?jīng)Q定； 7 腳為放電端放電端，是內(nèi)部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸出端的狀 態(tài)決定；4 腳為復(fù)位端，低電平時(shí)可

28、使輸出端為低電平；5 腳為控制電壓端，可以用它改變 上下觸發(fā)電平值；8 腳為電源，1 腳為地。 圖 4.4 lm555 時(shí)基電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 fig.4.4 the internal structure of the clock circuit of lm555 lm555 的 8 腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為 518v，以 vcc 表示；從圖 4.4 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)圖上可以看出，上比較器 a1 的 5 腳接在 r1 和 r2 之間，所以 5 腳的電壓固定在 2vcc/3 上；下比較器 a2 接在 r2 與 r3 之間，a2 的同相輸入端電位被固定在 vcc/3 上。 在這個(gè)圖中 1 腳為地；

29、2 腳為觸發(fā)輸入端；3 腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài)受觸發(fā)器控 制，而觸發(fā)器受上比較器 6 腳和下比較器 2 腳的控制。當(dāng)觸發(fā)器接收到上比較器 a1 從 r 腳 輸入的高電平時(shí)，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3 腳輸出低電平；當(dāng)觸發(fā)器接受下比較器 a1 從 s 腳輸入的高電平時(shí)，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3 腳輸出高電平；2 腳和 6 腳是互補(bǔ)的，2 腳 只對(duì)低電平起作用，高電平對(duì)它不起作用，即電壓小于 1vcc/3，此時(shí) 3 腳輸出高電平。6 腳 為閾值端，只對(duì)高電平起作用，低電平對(duì)它不起作用，即輸入電壓大于 2vcc/3，3 腳輸出低 電平，但有一個(gè)先決條件，即 2 腳電位必須大于 1vcc/3 時(shí)才有

30、效。3 腳在高電位接近電源 電壓 vcc，輸出電流最大可達(dá) 200ma。4 腳是復(fù)位端，當(dāng) 4 腳電位小于 0.4v 時(shí)，不管 2、6 腳狀態(tài)如何，輸出端 3 腳都輸出低電平。5 腳是控制端。7 腳是放電端，與 3 腳輸出同步， 輸出電平一致，但 7 腳并不輸出電流，所以 3 腳稱為實(shí)高（或低） 、7 腳稱為虛高。 一般可以把 lm555 電路等效成一個(gè)大放電開關(guān)的 r-s 觸發(fā)器，如圖 4.5 所示。這個(gè)特殊 的觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端：閾值端（th）可以看成是置零端 r，要求高電平；觸發(fā)端（tr）可 以看成是置位端 s，低電平有效。它只有一個(gè)輸出端 out，out 可等小城觸發(fā)器的 q 端。放

31、電端（dis）可以看成有內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn)，放電開關(guān)由觸發(fā)器的反 q 端控制： 反 q=1 是 dis 端接地；反 q=0 時(shí) dis 端懸空。此外這個(gè)觸發(fā)器還有復(fù)位端 r，控制電壓端 cv，電源端 vcc 和接地端 gnd。 rvcc th 51 48 72 63r s q q gndcv trdis out thrthtroutdis 110接地 101qn保持 *01開路 0*0接地 圖 4.5 lm555 等效為 r-s 觸發(fā)器 fig.4.5 lm555 equivalent to r-s trigger 圖 4.6 就是本閱讀器的時(shí)鐘單元，其中 555，r1，c3，r2 組

32、成了周期為 3 秒左右，占空 比為 5/6 的時(shí)鐘電路，3 腳與有源晶振和繼電器相連，用 9014 的導(dǎo)通與截止來(lái)控制晶振的 工作與否，而繼電器是控制耦合線圈與檢波電路的通斷。具體來(lái)講就是當(dāng) 555 輸出為1 時(shí)，9014 導(dǎo)通，有源晶振模塊開始工作，繼電器控制的耦合線圈與檢波電路的斷開；當(dāng) 555 輸出為0時(shí)，有源晶振模塊停止工作，而由繼電器控制的耦合線圈與檢波電路的連接， 從而使 pt2272 模塊開始工作。 圖 4.6 lm555 時(shí)鐘單元 fig.4.6 the structure of the clock circuit of lm555 這里需要指出，之所以采用這樣的控制方式是因?yàn)?/p>

33、當(dāng)應(yīng)答器向閱讀器發(fā)射編碼信號(hào)時(shí)的 輸出功率太小，如果閱讀器正在向外輻射能量，那么閱讀器就無(wú)法接收到應(yīng)答器的信號(hào)，所 以閱讀器一定要間歇的向應(yīng)答器輻射能量，以保證閱讀器能夠接收到應(yīng)答器發(fā)射來(lái)的編碼信 號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，555 輸出的時(shí)鐘占空比為 5/6，既使 555 大多數(shù)時(shí)間都輸出高電平，既有 效信號(hào)，因?yàn)橹芷谑?3 秒，采用這樣的占空比可以讓晶振電路工作 2.5 秒，停止 0.5 秒，這 樣閱讀器就可以有 0.5 秒的時(shí)間來(lái)接收應(yīng)答器發(fā)來(lái)的編碼信號(hào)了。 4.3 無(wú)源式應(yīng)答器電路設(shè)計(jì) 無(wú)源式應(yīng)答器包括有源晶振單元、無(wú)源式應(yīng)答器的電源單元和 2262 編碼單元三部分， 這些單元電路設(shè)計(jì)將會(huì)在下面的

34、小節(jié)當(dāng)中逐一介紹。 4.3.1 無(wú)源式應(yīng)答器的電源單元 如圖 4.7 是應(yīng)答器的電源單元，d6d9 組成了橋整流，c1 為整個(gè)應(yīng)答器儲(chǔ)存能量，圖 中 l1 就是應(yīng)答器的耦合線圈。 圖 4.7 無(wú)源式應(yīng)答器電源單元 fig.4.7 power unit of the passive transponder 4.3.2 pt2262 編碼單元及 pt2272 解碼單元 在本設(shè)計(jì)中 pt2262 和 pt2272 是實(shí)現(xiàn)無(wú)線識(shí)別裝置中“識(shí)別”的重要的兩個(gè)芯片， pt2262 用在無(wú)源式應(yīng)答器當(dāng)中，用來(lái)讀取撥碼開關(guān)值并對(duì)其進(jìn)行編碼，而 pt2272 用在閱讀 器部分，是對(duì)無(wú)源式應(yīng)答器發(fā)送來(lái)的編碼信號(hào)進(jìn)

35、行解碼并在發(fā)光二極管上顯示，顯示結(jié)果與 撥碼開關(guān)值相同則實(shí)現(xiàn)了識(shí)別的功能。雖然 pt2272 與無(wú)源式應(yīng)答器的電路設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)但考慮 到兩個(gè)芯片關(guān)系密切，而且是本系統(tǒng)中的重要組成部分，所以在此一并介紹。 pt2262/2272 芯片是一種 cmos 工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼芯片，是目前在無(wú) 線通訊電路中作地址編碼識(shí)別最常用的芯片之一。pt2262/2272 最多可有 12 位(a0-a11)三 態(tài)地址端管腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供 531441 地址碼。 pt2262 最多可有 6 位(d0-d5)數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從 17 腳串行輸出，可 用于無(wú)線遙控發(fā)

36、射電路。編碼芯片 pt2262 發(fā)出的編碼信號(hào)由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組 成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片 pt2272 接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過(guò)兩次比較核對(duì)后，vt 腳 才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。 pt2262 特點(diǎn)： 1、cmos 工藝制造，低功耗 2、外部元器件少 3、rc 振蕩電阻 4、工作電壓范圍寬：2.6-15v 5、數(shù)據(jù)最多可達(dá) 6 位 6、地址碼最多可達(dá) 531441 種 pt2262 編碼芯片引腳圖如圖 4.8 所示；各引腳功能如表 4.2 所示。 圖 4.8 pt2262 引腳圖 fig.4.8 figure-pin of pt2262 表 4.2 pt

37、2262 各引腳功能 tab.4.2 function of pin of pt2262 名稱管腳說(shuō) 明 a0-a11 1-8、10-13 地址管腳,用于進(jìn)行地址編碼,可置為“0”,“1”,“f”(懸空), d0-d5 7-8、10-13數(shù)據(jù)輸入端，有一個(gè)為“1”即有編碼發(fā)出，內(nèi)部下拉 vcc18 電源正端（） vss9 電源負(fù)端（） te14 編碼啟動(dòng)端，用于多數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射，低電平有效； osc116 振蕩電阻輸入端，與 osc2 所接電阻決定振蕩頻率； osc215 振蕩電阻振蕩器輸出端； dout17 編碼輸出端（正常時(shí)為低電平） 34ms 第二次發(fā)送的編碼 11ms 第一次發(fā)送的編碼

38、 圖 4.9 pt2262 波形圖 fig.4.9 waveform of pt2262 圖 4.9 是 pt2262 的一段波形，可以看到一組一組的字碼，每組字碼之間有同步碼隔開。 2262 每次發(fā)射時(shí)至少發(fā)射 4 組字碼，2272 只有在連續(xù)兩次檢測(cè)到相同的地址碼加數(shù)據(jù)碼時(shí) 才會(huì)把數(shù)據(jù)碼中的“1”驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動(dòng) vt 端同步為高電平。 下面我們來(lái)仔細(xì)看一下 pt2262 的波形特征： 振蕩頻率 f=2*1000*16/rosc（），其中 rosc為振蕩電阻單位為。這里我們選用的khzk 是一種比較常用的頻率f10（）, rosc =3.3(以下同)。khzm 下圖是振蕩

39、頻率與碼位波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系： a=兩倍的時(shí)鐘振蕩周期 a 32a 2*osc 數(shù)據(jù) “0” 數(shù)據(jù) “1” 數(shù)據(jù) “f” 同步碼頭波形： 注：1 位寬 =32a 4 倍位寬=128s 1/8 位寬=4a pt2262 有三種編碼：0，1，和懸空(表示為 f)。 數(shù)據(jù)“0”發(fā)送的碼位如下： 1078s 0 碼 359s359s 1078s 數(shù)據(jù)“1”發(fā)送的碼位如下： 1078s1078s 359s359s 1 碼 數(shù)據(jù)“f”發(fā)送的碼位如下： f 碼 359s 359s 1078s 1078s pt2272 解碼芯片引腳圖，如圖 4.10 所示；各引腳功能如表 4.3 所示。 圖 4.10 pt227

40、2 解碼電路引腳圖 fig.4.10 figure-pin of pt2272 decoding circuit 表 4.3 pt2272 各引腳功能 tab.4.3 function of pin of pt2272 名稱管腳說(shuō) 明 a0-a11 1-8、10-13 地址管腳,用于進(jìn)行地址編碼,可置為“0”,“1”,“f”(懸空), 必須與 2262 一致,否則不解碼 d0-d5 7-8、10-13 地址或數(shù)據(jù)管腳,當(dāng)作為數(shù)據(jù)管腳時(shí),只有在地址碼與 2262 一致, 數(shù)據(jù)管腳才能輸出與 2262 數(shù)據(jù)端對(duì)應(yīng)的高電平,否則輸出為低電 平,鎖存型只有在接收到下一數(shù)據(jù)才能轉(zhuǎn)換 vcc18 電源正端

41、（） vss9 電源負(fù)端（） din14 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端，來(lái)自接收模塊輸出端 osc116 振蕩電阻輸入端，與 osc2 所接電阻決定振蕩頻率； osc215 振蕩電阻振蕩器輸出端； vt17 解碼有效確認(rèn) 輸出端（常低）解碼有效變成高電平（瞬態(tài)） pt2272 解碼芯片有不同的后綴，表示不同的功能，有 l4/m4/l6/m6 之分，其中 l 表示 鎖存輸出，數(shù)據(jù)只要成功接收就能一直保持對(duì)應(yīng)的電平狀態(tài)，直到下次數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)改變。 m 表示非鎖存輸出，數(shù)據(jù)腳輸出的電平是瞬時(shí)的而且和發(fā)射端是否發(fā)射相對(duì)應(yīng)，可以用于類 似點(diǎn)動(dòng)的控制。后綴的 6 和 4 表示有幾路并行的控制通道，當(dāng)采用 4 路并行數(shù)

42、據(jù)時(shí) （pt2272-m4)，對(duì)應(yīng)的地址編碼應(yīng)該是 8 位，如果采用 6 路的并行數(shù)據(jù)時(shí)(pt2272-m6)，對(duì) 應(yīng)的地址編碼應(yīng)該是 6 位。 在通常使用中，我們一般采用 8 位地址碼和 4 位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼電路 pt2262 和解碼 pt2272 的第 18 腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)， 3 的 8 次方為 6561，所以地址編碼不重復(fù)度為 6561 組，只有 pt2262 和 pt2272 的地址編碼 完全相同，才能配對(duì)使用，所以 pt2262 和 pt2272 在出廠時(shí)八位地址編碼端全部懸空，這樣 可以很方便選擇各種編碼狀態(tài)，如果想改變地址編碼，

43、只要將 pt2262 和 pt2272 的 18 腳 設(shè)置相同即可，例如將 pt2262 的第 1 腳接地第 5 腳接正電源，其它引腳懸空，那么 pt2272 只要也一樣第 1 腳接地第 5 腳接正電源，其它引腳懸空就能實(shí)現(xiàn)配對(duì)。當(dāng)兩者地址編碼完全 一致時(shí)，d1d4 端輸出約 4v 互鎖高電平控制信號(hào)，同時(shí) vt 端也輸出解碼有效高電平信號(hào)。 在本設(shè)計(jì)中 pt2272 采用的是鎖存型的芯片，即 pt2272-l4，這種芯片可以有較高的穩(wěn) 定性。 以上就是對(duì)本設(shè)計(jì)中編碼單元 pt2262 芯片和解碼單元 pt2272 芯片的介紹，pt2262 和 pt2272 的工作過(guò)程是：閱讀器上電后，無(wú)源式

44、應(yīng)答器接收到閱讀器提供的電能 pt2262 就開 始不停地工作，pt2262 讀取撥碼開關(guān)值并對(duì)其進(jìn)行編碼，編碼信號(hào)通過(guò) ask 調(diào)制和晶振電 路后通過(guò)線圈發(fā)射出去，應(yīng)答器接收到編碼信號(hào)后經(jīng)過(guò)檢波電路把信號(hào)發(fā)送至 pt2272，pt2272 對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解碼并使發(fā)光二極管顯示結(jié)果。 4.3.34.3.3 無(wú)源式應(yīng)答器的發(fā)射電路設(shè)計(jì) 無(wú)源式應(yīng)答器的發(fā)射電路應(yīng)該由晶振單元和功率放大單元組成，但考慮到本設(shè)計(jì)的應(yīng)答 器是無(wú)源的，而功率放大電路功耗太高，無(wú)源式應(yīng)答器不足以提供，而且本設(shè)計(jì)中的晶振單 元的輸出幅度已經(jīng)足夠大，足以讓閱讀器接收到，綜合以上考慮，在無(wú)源式應(yīng)答器的發(fā)射電 路設(shè)計(jì)中不采用功率放大電

45、路，而只用晶振電路。 在本設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化電路，采用有源晶振作為振蕩器，它頻率穩(wěn)定，電路簡(jiǎn)單，調(diào)試 容易而且輸出幅度大，如圖 4.3 所示，就是是閱讀器和應(yīng)答器都采用的有源晶振單元。 設(shè)計(jì)有源晶振電路采用了這種思想，就是因?yàn)橛性礊V波器輸出的是方波，方波是由基波 和奇次諧波合成的，可知，諧波的頻率大于基波，所以，在有源晶振的輸出端加上一個(gè)低通 濾波器，經(jīng)過(guò)二階低通濾波器濾除高次諧波，從而得到穩(wěn)定的正弦波輸出，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使 整個(gè)設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化，如果按照常規(guī)做法，則這個(gè)設(shè)計(jì)必然會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，而且調(diào)試極為困難。 并聯(lián)諧振回路由線圈與可變電容組成，測(cè)得線圈電感為 11uh,可變電容容量為 525pf，所

46、以由諧振頻率公式： （4-1） 1 2 f lc 可得諧振頻率為：9mhz 到 21mhz 之間。對(duì)回路進(jìn)行諧振頻率測(cè)量得到諧振頻率為 11.4mhz。 因而，閱讀器采用 11.0952mhz 有源晶振產(chǎn)生接近與諧振頻率的能源載波頻率。 圖 4.11 中，l5 和 c9、c13 組成了二階低通濾波器。有源晶振產(chǎn)生的方波經(jīng)二階低通濾 波器后得到頻率為 11.0592mhz 的正弦波，通過(guò) c8 送給功率放大級(jí)。這里需要指出，有源晶 振本身輸出的波形幅值已經(jīng)很大，所以在無(wú)源式應(yīng)答器部分不需要在進(jìn)行功率放大，而閱讀 器部分只需要兩級(jí)簡(jiǎn)單的功率放大就可以達(dá)到要求。 圖 4.11 有源晶振單元電路 fi

47、g.4.11 active crystal unit circuit 4.3.44.3.4 askask 調(diào)制單元調(diào)制單元 本設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn) ask 調(diào)制采用 9014 三極管，當(dāng) 2262 輸出“1”時(shí)，9014 導(dǎo)通，有源晶 振工作；當(dāng) 2262 輸出“0”時(shí)，9014 截止，有源晶振不工作，這樣就實(shí)現(xiàn)了 ask 調(diào)制。 4.4 無(wú)線識(shí)別裝置工作流程圖 1閱讀器工作流程圖，見圖 4.12 2無(wú)源式應(yīng)答器工作流程圖，見圖 4.13 能量輻射，持續(xù) 2.5s 2272 譯碼芯片譯碼 顯示應(yīng)答器信息 結(jié)束 圖 4.12 無(wú)線識(shí)別裝置閱讀器 工作流程圖 fig.4.12 work flow chart of the reader of wireless i