基于XC單片機的RFID傳輸模擬系統(tǒng)報告

1、基于XC878單片機的RFID傳輸模擬系統(tǒng)鐘杰瑛摘 要：本文介紹了一種基于XC878單片機的RFID傳輸模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個RFID讀卡器和RFID卡組成，完成了RFID閱讀器準(zhǔn)確讀取RFID卡片信息及其采集的溫度和光照信息。RFID讀卡器由MSP430單片機為控制核心，RFID卡片由XC878單片機作為核心控制器。RFID卡片由溫度光照采集模塊、載波產(chǎn)生模塊、調(diào)制模塊、功率放大模塊以及天線匹配模塊組成。RFID讀卡器由天線匹配模塊、解調(diào)模塊和信號調(diào)理模塊組成。RFID卡片和RFID讀卡器采用ASK調(diào)制方式進行數(shù)據(jù)通信。關(guān)鍵詞： RFID XC878 ASK調(diào)制 一 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由RF

2、ID讀卡器和RFID卡片組成，RFID讀卡器由天線匹配模塊、解調(diào)模塊和信號調(diào)理模塊組成，RFID卡片由溫度光照采集模塊、載波產(chǎn)生模塊、調(diào)制模塊、功率放大模塊以及天線匹配模塊組成。下面分別論證RFID卡片和RFID讀卡器的硬件部分和軟件部分的選擇。1 RFID卡片的論證與選擇（1）調(diào)制模塊的論證與選擇RFID卡片和RFID讀卡器間的數(shù)據(jù)通過電磁波耦合的方式進行傳播，則有如下方案：方案一：采用二進制振幅鍵控（2ASK）調(diào)制。2ASK調(diào)制是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，其頻率和初始相位不變。在2ASK中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進制信息“0”和“1”。2ASK調(diào)制產(chǎn)生的信號如圖1所

3、示。2ASK調(diào)制有兩種實現(xiàn)方法，分別為模擬相乘法和鍵控法，其實現(xiàn)方法框圖如圖2所示。 方案二：采用二進制移頻鍵控（2FSK）調(diào)制。2FSK調(diào)制是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在兩個頻率點間變化，分別對應(yīng)數(shù)字信號的“0”和“1”。2FSK調(diào)制產(chǎn)生的信號如圖3所示。2FSK調(diào)制有兩種實現(xiàn)方法，分別為直接調(diào)頻法和頻率鍵控法。兩種方法的差異在于，由直接調(diào)頻法產(chǎn)生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的，而鍵控法產(chǎn)生的信號，由于是電子開關(guān)在兩個獨立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成，相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。方案三：采用二進制相移鍵控（2PSK）調(diào)制。2PSK調(diào)制

4、是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。2PSK調(diào)制產(chǎn)生的信號如圖4所示。綜合上述方案，F(xiàn)SK調(diào)制方式和PSK調(diào)制方式抗干擾能力很強，但是調(diào)制及解調(diào)都比較復(fù)雜，而且需要不斷的發(fā)射載波，功耗較大；雖然ASK調(diào)制抗干擾能力不夠強，但是其調(diào)制和解調(diào)都很容易，并且能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)計要求，則選擇方案一，使用ASK調(diào)制方式的鍵控法。（2） 載波產(chǎn)生模塊的論證與選擇載波產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生調(diào)制所需要的載波，有如下方案：方案一：采用單片波形發(fā)生器MAX038產(chǎn)生載波。 該類波形發(fā)生器的核心是VCO（壓控振蕩器），通過VCO產(chǎn)生三角波

5、和方波。再將三角波通過一個片上波形成形器，即可得到正弦波。比較常用的是MAX038和ICL8038精密波形發(fā)生器。雖然MAX038產(chǎn)生的載波頻譜純凈，但是由于其價格昂貴，做載波產(chǎn)生其性價比過低，故不采用此方案。方案二：采用DDS產(chǎn)生載波。DDS為直接數(shù)字頻率合成，如ADI公司生產(chǎn)的高性能器件AD9851等，可與單片機通過簡單的接口完成串行或者并行通信。可完成外部輸入頻率控制字與芯片內(nèi)部頻率相位控制字之間的轉(zhuǎn)換，可以非常容易的通過頻率控制字調(diào)整輸出頻率，以及精確的調(diào)整輸出信號的相位，輸出信號幅值穩(wěn)定，且能夠輸出較高的頻率信號，但是其價格昂貴。方案三：采用分立元件搭建振蕩器。使用分立元件搭建載波振

6、蕩電路，如電容三點式振蕩器、電感三點式振蕩器等，其性價比較高，但是產(chǎn)生的波形不穩(wěn)定，且難精準(zhǔn)的調(diào)試到所需頻率的載波。方案四：采用有源晶振產(chǎn)生載波。使用有源晶振產(chǎn)生載波，其載波頻率穩(wěn)定，電路較為簡單，容易實現(xiàn)。綜合上述方案，選擇方案四，采用有源晶振產(chǎn)生調(diào)制所需的載波，且載波頻率定為12MHz。（3）功率放大模塊的論證與選擇功率放大電路是無線發(fā)射的重要組成部分，已調(diào)信號只有在獲得足夠大的功率后才能通過天線輻射出去。方案一：使用集成電流型運算放大器。電流型運放具有輸出電流大，帶負載能力強的特點，如THS3091、THS3201、AD811等。使用電流型運放穩(wěn)定度高，需要調(diào)整的參數(shù)少，但是效率較低，不

7、符合本系統(tǒng)中對低功耗的要求。方案二：使用分立元件組建高頻功放。使用分立元件組建高頻功放，高頻功放大多工作于丙類，其導(dǎo)通角小于180度，三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，則效率較高。但是由于晶體管功率放大電路受分布參數(shù)影響較大，且實際調(diào)試比較困難，雖然其性價比很高，但在此不采用。方案三：使用集成驅(qū)動芯片。高頻功放的作用就是讓已調(diào)信號獲得足夠大的功率，然后通過天線輻射出去，所以只需要提供做夠大的驅(qū)動電流。集成驅(qū)動芯片使用方便，電路簡單，能夠提供很高的功率輸出，且效率較高。如UCC37322、RF2360、HMC478等。綜合上述方案，選擇方案三使用集成驅(qū)動芯片，由于RF2360和HMC478價格較為昂貴，則選

8、擇UCC37322。（4）天線匹配模塊的論證與選擇在功放電路后，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是為了實現(xiàn)有效的能量傳輸，匹配網(wǎng)絡(luò)介于功放與負載之間。方案一：L型匹配網(wǎng)絡(luò)。L型匹配網(wǎng)絡(luò)的基本形式如圖5所示，圖中通常為電容元件，而為電感元件，到的精確匹配只能在特定的頻率處實現(xiàn)。L型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，但只適用于的情況，而且當(dāng)和的值給定以后，值也就確定了，無法調(diào)整。方案二：型匹配網(wǎng)絡(luò)。型匹配網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。串聯(lián)支路為電感元件，并聯(lián)支路和為電容。在工作頻率較高的時候，必須將前級的輸出電容考慮在匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。方案三：T型匹配網(wǎng)絡(luò)。T型匹配網(wǎng)絡(luò)如圖7所示，三個電抗元件結(jié)成“T”字形結(jié)構(gòu)。綜合上述方案，T型匹配網(wǎng)絡(luò)和型網(wǎng)絡(luò)都可以

9、看成L型網(wǎng)絡(luò)通過一定的組合而形成的，這種組合既有阻抗變換作用，又有阻抗補償特性，考慮到本設(shè)計的特殊性，選擇方案一的以L型匹配網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，并加以修改。（5） 溫度監(jiān)測模塊的論證與選擇方案一：選擇溫度傳感器DS18B20。DS18B20集成溫度傳感器成本很低，可用于工業(yè)控制，且占用單片機的IO口資源少。但是其工作電流接近，而且對其進行讀寫時，單片機需要很長的操作時間，功耗很大。方案二：選擇溫度傳感器TMP124。TMP124是一款數(shù)字輸出溫度傳感器，其測溫范圍較寬，測量的溫度精度為，其功耗極低，工作電流為。綜合上述方案，選擇溫度傳感器TMP124來對溫度進行監(jiān)測。（6） 光照監(jiān)測模塊的論證與選擇方

10、案一：選擇光敏電阻。光敏電阻是最簡單的光敏傳感器，其光照強度的不同，電阻阻值也不同，所以可以使用其進行光照監(jiān)測。方案二：選擇光電二極管。光電二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r需加上反向電壓。無光照時,有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時,飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。方案三：選擇光電三極管。光電三極管，它是一種

11、光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是光照到P-N結(jié)上時，吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋．?dāng)光敏三極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。綜合上述方案，考慮到性價比及使用方便的原因，選擇方案一，使用光敏電阻監(jiān)測光照。2接收部分的論證與選擇（1） 解調(diào)模塊的論證與選擇由于接收模塊接收到的是高頻信號，則需要將此高頻信號解調(diào)為低頻的數(shù)字信號，才能供給單片機識別。方案一：使用專用ASK解調(diào)芯片。發(fā)射部分的數(shù)字信號通過ASK方式進行調(diào)制，則對于接收信號的解調(diào)，可以使用專用ASK解調(diào)芯片。一般使用鎖相環(huán)芯片來解調(diào)ASK信號，如CD4046、LMC567等

12、。此類芯片使用方便，解調(diào)出來的信號較好，能容易的被后續(xù)電路識別。方案二：使用AD637加比較器解調(diào)。AD637為真有效檢測芯片，可以將一交流信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的真有效值輸出，所以在此，可以將接收到的高頻已調(diào)信號，通過AD637檢測出對應(yīng)的真有效值，然后通過比較器設(shè)定閥值電壓，來解調(diào)出對應(yīng)的數(shù)字信號。方案三：使用包絡(luò)檢波進行解調(diào)。ASK解調(diào)還有一種方法為包絡(luò)檢波，此方式和AM解調(diào)中包絡(luò)檢波類似，為非相干解調(diào)。包絡(luò)檢波由一二極管和一個電容組成。包絡(luò)檢波示意圖如圖8所示。方案四：使用同步解調(diào)法（相干解調(diào)）。ASK相干解調(diào)的框圖如圖9所示。綜合上述方案，對于方案一、方案二和方案四，雖然其使用方便，性能優(yōu)良

13、，但是其性價比不高，對于本系統(tǒng)，使用方案三，采用二極管進行包絡(luò)檢波就可完成解調(diào)要求。（2） 信號調(diào)理模塊的論證與選擇由于題目要求監(jiān)測終端和監(jiān)測節(jié)點在0cm10cm內(nèi)都能正常的通信，當(dāng)監(jiān)測節(jié)點與監(jiān)測終端距離不同時，天線感應(yīng)到的信號也不同，則需要加信號調(diào)理模塊，盡可能的將信號穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)。方案一：使用自動增益控制（AGC）。自動增益控制就是使放大電路的增益自動的隨信號的強度而調(diào)整的自動控制方法。實現(xiàn)這種功能的電路稱為AGC環(huán)，AGC環(huán)為一閉環(huán)的負反饋電路，它可分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路兩部分。當(dāng)輸入電壓過低時，控制電壓形成電路通過負反饋給增益受控放大電路一個提高增益的信號，使得輸出

14、電壓增大，且仍然穩(wěn)定在某一范圍；反之，當(dāng)輸入電壓過高時，則該負反饋系統(tǒng)要使得輸出電壓降低，同樣需穩(wěn)定在某一范圍。實現(xiàn)自動增益控制可通過可變增益放大器來實現(xiàn)，比如AD603、VCA810、VCA822等。如圖10所示，為可變增益放大器VCA810構(gòu)成自動增益控制電路。方案二：使用二極管限幅再固定放大。由于題目要求0cm10cm內(nèi)正常通信，則只需要控制監(jiān)測節(jié)點與監(jiān)測終端在0cm10cm距離內(nèi)接收到的信號穩(wěn)定在某一范圍即可，則可采用二極管限幅再固定放大的思想。二極管限幅可將高于二極管恒壓降的電壓限定在二極管的恒壓降上，這樣的話，當(dāng)監(jiān)測節(jié)點與監(jiān)測終端距離較近時，也不會應(yīng)為感應(yīng)到的電壓過大而產(chǎn)生異常通信

15、。只要二極管的恒壓降盡可能小，則能正常通信的距離就越遠。如圖11為二極管限幅再固定放大的示意圖。方案三：使用穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓使用3.3V的穩(wěn)壓管1N4728可將解調(diào)后大于3.3V的信號，全部穩(wěn)定至3.3V，小于3.3V的不變，這樣就實現(xiàn)了近距離也可以穩(wěn)定接收的功能。綜合上述方案，雖然自動增益控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)近距離信號減小到穩(wěn)定范圍，遠距離信號增加到穩(wěn)定范圍，但是考慮到此信號為高頻信號，且VCA810的抗噪聲能力較差，難以調(diào)試，所以選擇方案三，選擇1N4728穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓。（4） 整形模塊的論證與選擇經(jīng)過解調(diào)電路解調(diào)出的數(shù)字信號，其電平不一定能夠被單片機識別，所以需要使用整形電路來對解調(diào)后的信號

16、進行處理，使其能被單片機準(zhǔn)確的識別。方案一：使用電壓比較器進行整形。電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近無窮大的運算放大器，即運算放大器工作于非線性區(qū)。電壓比較器如圖12所示。當(dāng)時，當(dāng)時， 由于比較器輸出只有兩種狀態(tài)，所以可以用來做整形電路。方案二：使用施密特觸發(fā)器進行整形。施密特觸發(fā)器對與信號有更好的整形功能。但是其閥值電壓是隨電源電壓變化的，且不能自由設(shè)定。綜合上述方案，選擇方案一，由比較器LM393來對解調(diào)后的信號進行整形。3軟件部分的論證與選擇（1） 通信協(xié)議的論證與選擇方案一：使用單片機自帶的UART通信協(xié)議。UART通信為異步串行通信，其工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個字符一位一位的傳輸。包

17、括起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位、空閑位。UART通信一般需要兩根線，采用雙向信道，用于全雙工通信。方案二：使用單片機自帶的SPI通信協(xié)議。SPI通信是一種高速、全雙工、同步的通信協(xié)議。當(dāng)雙向傳輸時，至少需要4根線；當(dāng)單向傳輸時，需要三根線。其時鐘必須同步。方案三：自定義通信協(xié)議。通信協(xié)議就是能使通過通信信道和設(shè)備互連起來的的多個不同地理位置的通信系統(tǒng)，使其能協(xié)調(diào)工作的一種規(guī)則。由于本系統(tǒng)要求收發(fā)共用一個天線，且選擇了半雙工通信方式，在現(xiàn)有的協(xié)議中，很少有適用的，所以可以選擇自己定義協(xié)議來完成半雙工通信。如可以仿照NEC紅外協(xié)議、DS18B20的單線協(xié)議來自己定義協(xié)議。綜合上述方案，則選擇

18、方案三，自己定義通信協(xié)議的方式，來完成通信要求。二 系統(tǒng)理論分析與計算1 RFID卡片的分析與計算（1）調(diào)制模塊的分析與計算本系統(tǒng)調(diào)制模塊選擇的調(diào)制方式為ASK調(diào)制，采用鍵控的方法進行調(diào)制。使用TI生產(chǎn)的UCC37322進行調(diào)制。ASK調(diào)制是利用數(shù)字基帶信號去控制載波的幅度變化，使其只產(chǎn)生兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進制信息“0”和“1”。常用的二進制振幅鍵控方式稱為通斷鍵控（On Off Keying,OOK）。所以又俗稱OOK調(diào)制，其數(shù)學(xué)表達式為：典型的波形如圖13所示，可見載波在二進制基帶信號控制下通斷變化。本系統(tǒng)產(chǎn)生2ASK信號是采用的鍵控的方法，其原理圖如圖14所示。當(dāng)基帶信號“1”來臨

19、時，模擬開關(guān)接通載波通道，則輸出信號為載波，當(dāng)基帶信號“0”來臨時，模擬開關(guān)接通地，無輸出信號，這樣就產(chǎn)生了2ASK信號。（2）載波產(chǎn)生模塊的分析與計算載波產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生調(diào)制所需要的載波，本系統(tǒng)調(diào)制所需的載波頻率定為12MHz。實際繞制線圈的電感量為1.65uH，根據(jù)諧振公式可得，如果諧振頻率設(shè)置的過高，則諧振電容非常小，不好進行調(diào)諧，則選擇載波頻率為12MHz，其需要的諧振電容為100pF左右。載波的產(chǎn)生使用12MHz的有源晶振。（3） 功率放大模塊的分析與計算功率放大模塊的作用就是將調(diào)制后的已調(diào)信號進行功率放大，以驅(qū)動天線負載，使信號獲得足夠大的能量，然后通過天線輻射出去。為了使線圈天線

20、獲得足夠大的功率，本功率放大模塊使用了TI生產(chǎn)的一款帶使能的高速低側(cè)功率MOSFET驅(qū)動芯片UCC37322。UCC37322采用單電源供電，最高驅(qū)動電流為。其結(jié)構(gòu)框圖如圖15所示。 其中2腳為輸入，3腳為使能端，6、7腳問哦輸出，輸入兼容電平，與實際電源電壓無關(guān)。UCC37322使用功能表如圖16所示。 芯片工作在開關(guān)狀態(tài)，屬于D類放大器，理想效率為。放大器的工作特點決定了它一般用于電平信號的驅(qū)動中，也就是說載波信號必須具有方波的形式，就過實驗測得該芯片輸入信號頻率最大為13MHz左右，如果要得到具有正弦載波的已調(diào)信號，可采用匹配網(wǎng)絡(luò)作為負載進行濾波。對于使用UCC37322作為功率放大器時

21、，其典型接法如圖17所示。（4） 天線匹配模塊的分析與計算 由于題目對定天線需自制，并且要求天線為圓形空芯線圈，用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導(dǎo)線密繞五圈制成。線圈直徑為（3.4±0.3）cm。對于環(huán)形空芯線圈，如圖18所示。其電感量可以有如下計算公式：其中，a為線圈半徑平均值（cm），b為繞線的直徑（cm），h為繞制線圈的高度（cm）。在本系統(tǒng)中繞制的天線，則有：由于實驗室條件的限制，無法通過儀表測量12MHz情況下的天線電感量，則按照理論計算值來進行后續(xù)部分的理論分析，然后在實際做調(diào)整。為了盡可能大的增加線圈的發(fā)射能力，根據(jù)耦合線圈的匹配理論，應(yīng)當(dāng)讓耦合線圈工作在諧振狀

22、態(tài)下。發(fā)射線圈是呈感性的，所以需要使用電容使其產(chǎn)生諧振，發(fā)射線圈的高頻等效電路如圖19所示。 諧振回路分為串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路。對于串聯(lián)諧振回路來說，由于串聯(lián)諧振回路具有電路簡單、成本低，激勵可采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，因而被廣泛采用，一般使用在信號的發(fā)射。串聯(lián)諧振回路組成如圖20所示。其中，信號源與電容、電感串聯(lián)，就構(gòu)成了串聯(lián)諧振回路，是電感線圈的損耗電阻。若外加電壓為,則回路電流為：式中，阻抗，為電抗。阻抗的模為： 相角為： 在某一特定角頻率時，若回路電抗?jié)M足： 則電流為最大值，回路發(fā)生諧振。則可得出： 為諧振回路的特征阻抗。串聯(lián)諧振回路有如下特性： 諧振

23、時，回路電抗，阻抗為最小值，且為純阻性。 諧振時，回路電流最大，即，且與同相。 電感與電容兩端電壓的模值相等，且等于外加電壓的Q倍。對于并聯(lián)諧振回路來說，并聯(lián)諧振回路適用于信號源內(nèi)阻大的場合，一般用于信號的接收。并聯(lián)諧振回路如圖21所示，由電感、電容和信號源并聯(lián)而成。并聯(lián)回路兩端間的阻抗為： 在實際應(yīng)用中，通常都滿足，則上式可變?yōu)椋?其中，稱為并聯(lián)諧振回路的導(dǎo)納。 當(dāng)時，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，回路兩端電壓最大。并聯(lián)諧振有如下特性： 并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻為純阻性。 諧振時電感和電容中電流的幅值為外加電流源的Q倍。不管是串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振都有如下諧振公式： 對與本系統(tǒng)而言，。則可得出。按上述

24、理論分析可知，對于發(fā)射電路，應(yīng)該選用串聯(lián)諧振回路進行信號的發(fā)射。（5） 溫度監(jiān)測模塊的分析與計算溫度監(jiān)測模塊采用TI生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器TMP124對溫度進行監(jiān)測，該器件是何種通信、計算機、消費、工業(yè)以及檢測儀器等熱測量的理想選擇。該器件具有的極低工作電流，僅的關(guān)斷電流，以及的電源范圍，因而是低功耗的最佳選擇。并且TMP124還可以為報警引腳提供9到12位的可編程精度。TMP124的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖22所示。其內(nèi)部包含了二極管溫度傳感器、轉(zhuǎn)換器、振蕩器、控制邏輯單元、串行接口以及配置和溫度寄存器。TMP124為3線SP1器件，是串行接口的數(shù)據(jù)引腳，數(shù)字化溫度值通過此引腳送入單片機進行輸出，是

25、低電平有效的使能信號線，是串行時鐘線，是開漏輸出的溫度報警輸出，使用時只需要在此引腳接一個上拉電阻即可，其余引腳不用接，為了穩(wěn)定，電源3腳和地線2腳間需要接一個的旁路電容。TMP124用嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性與完整性，12位精度時的溫度轉(zhuǎn)換時間典型值是240ms，最大值320ms。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是高位在先。對于本次對該器件的使用，只使用其讀數(shù)據(jù)功能，不對其進行寫操作。TMP124的復(fù)合命令時序如圖23所示。 由復(fù)合命令時序可知，TMP124對于溫度的轉(zhuǎn)換是連續(xù)的，當(dāng)為低電平后，先得到的16位數(shù)據(jù)就是溫度值，若讓依然為低電平，則后面跟著為16位讀命令，再接著為16位寫命令，

26、最后為16為寫地址。TMP124讀溫度數(shù)據(jù)時序如圖24所示。由時序可知，在時鐘的上升沿讀數(shù)據(jù)，一共讀得16為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寄存器如圖25所示。其中D15為符號位，D3D14為12位數(shù)字溫度值，D2是“1”，D1和D0為高阻態(tài)。TMP124將被測環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為帶符號的數(shù)字信號（以12位補碼形式），其溫度數(shù)據(jù)格式如圖26所示。由溫度數(shù)據(jù)格式可知，輸出的數(shù)字量最高位為符號位，低三位全為“1”，中間12位為溫度數(shù)據(jù)，其中，二進制數(shù)字量每變化1，攝氏溫度就變化0.0625度，則可以很方便的將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的溫度值。（6） 光照監(jiān)測模塊的分析與計算光照監(jiān)測模塊采用了光敏電阻與固定電阻分壓的方法，來監(jiān)測是否監(jiān)

27、測到光照。電路示意圖如圖27所示。 通過取出兩端的電壓，送入單片機，讓單片機判斷其電平，從而判斷出是否有光照。所以需要設(shè)置好的值，使得有光照和無光照時，分壓所得的電壓值恰好為單片機能夠識別的高低電平值。經(jīng)測量，使用的光敏電阻在有充足光照時，完全無光時，通過計算取時，可使從兩端取出的電壓為單片機可識別的高低電平。2 RFID讀卡器的分析與計算（1） 解調(diào)模塊的分析與計算解調(diào)模塊使用二極管包絡(luò)檢波，將ASK信號還原為有用的基帶數(shù)字信號。電路示意圖如圖28所示。其中輸入信號為高頻已調(diào)信號，當(dāng)高頻信號的正半周來臨時，二極管D的正極加有正電壓，負極通過電容器和電阻R加上負電壓，二極管導(dǎo)通。當(dāng)信號的負半周

28、來臨時，二極管不導(dǎo)通。由于二極管的單向?qū)щ娮饔?，就將高頻已調(diào)信號負半周截去了，此時信號還包含的有高頻信號，但是高頻信號可以通過電容濾去，這樣在電阻兩端就可得到數(shù)字基帶信號，但是幅值只有已調(diào)波的一半，效率不是很高，則可以做如下改進，電路圖如圖29所示，此方法稱為二極管倍壓檢波，即檢波最后的波形提高一倍。此電路與圖28相比多用了一個二極管和一個電容，當(dāng)高頻已調(diào)波的負半周來臨時，a點為負，b點為正，二極管導(dǎo)通，電流通過向充電，如圖中實現(xiàn)箭頭所示，當(dāng)高頻已調(diào)波正半周來臨時，a點為正，b點為負，和進行檢波，于此同時，由于在負半周時對電容充了電，此時進行放點，與檢波電流方向一致，如圖中虛線箭頭，這樣就使檢

29、波后的電壓增加了一倍。效率就提高了很多。（2） 信號調(diào)理模塊的分析與計算信號調(diào)理模塊使用3.3V的穩(wěn)壓管1N4728進行穩(wěn)壓，然后接入后續(xù)的整形模塊進行信號整形。（3） 整形模塊的分析與計算整形模塊使用LM393比較器，對檢波后的波形進行整形，使其能夠被單片機準(zhǔn)確的識別。 電路示意圖如圖30所示。當(dāng)檢波輸出的信號大于閥值電壓時，整形輸出高電平，當(dāng)檢波輸出的信號小于閥值電壓時，整形輸出低電平，考慮到檢波輸出的信號有一定的噪聲，閥值電壓設(shè)為0.41V。3軟件部分的分析與計算（1） 通信協(xié)議的論證與選擇系統(tǒng)使用的通信協(xié)議為自定義協(xié)議，其中每幀數(shù)據(jù)包含起1個始位、16個數(shù)據(jù)位和1個結(jié)束位。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如

30、圖31所示。起始位由9ms的高電平和4.5ms的低電平構(gòu)成，結(jié)束位由9ms的高電平和9ms的低電平構(gòu)成。數(shù)據(jù)位中邏輯“1”由0.5ms的高電平和2ms的低電平構(gòu)成，邏輯“0”由0.5ms的高電平和0.5ms的低電平構(gòu)成。主監(jiān)測點，數(shù)據(jù)位由轉(zhuǎn)發(fā)信息和節(jié)點編號組成；監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)位由溫度和光照信息組成。對于協(xié)議的編碼和解碼使用單片機完成。編碼直接使用單片機的I/O通過精準(zhǔn)延時，使其輸出特定時間長度的高低電平。對于解碼使用MSP430單片機的輸入捕捉功能，讓其捕捉數(shù)據(jù)幀的高低電平的長度，然后判斷是否為引導(dǎo)碼、邏輯“1”、邏輯“0”以及結(jié)束碼。若判斷的時間長度和協(xié)議規(guī)定的時間長度吻合，則進行解碼。為了

31、完成對兩個節(jié)點溫度和光照信息的實時監(jiān)測，本系統(tǒng)采用輪詢的方法。在一定的時間里，由主監(jiān)測點對其中一個監(jiān)測節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)信息，如果監(jiān)測節(jié)點接收解碼的數(shù)據(jù)與其地址相匹配，則返回溫度和光照信息，如果不匹配，則不發(fā)送數(shù)據(jù)；主監(jiān)測點再向另外一監(jiān)測節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)信息，如果監(jiān)測節(jié)點接收解碼的數(shù)據(jù)與其地址相匹配，則返回溫度和光照信息，如果不匹配，則不發(fā)送數(shù)據(jù)。主監(jiān)測點發(fā)出數(shù)據(jù)與否通過撥碼開關(guān)控制，可以控制先給哪個節(jié)點發(fā)送信息。三 電路與程序設(shè)計1電路的設(shè)計（1） 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖32所示（2） 載波產(chǎn)生模塊原理圖載波產(chǎn)生模塊使用12M有源晶振產(chǎn)生載波，電路原理圖如圖33所示。（3）調(diào)制及功率放大模塊原理

32、圖閱讀器調(diào)制及功率放大模塊使用UCC37322，它及可以完成ASK調(diào)制功能，又能實現(xiàn)功率放大。電路原理圖如圖34所示。（4）天線匹配網(wǎng)絡(luò)原理圖RFID卡片天線匹配網(wǎng)絡(luò)使用串聯(lián)諧振，RFID閱讀器天線匹配網(wǎng)絡(luò)使用并聯(lián)諧振，其電路原理圖如圖35所示。（5） 解調(diào)模塊原理圖解調(diào)模塊使用二極管倍壓檢波，電路原理圖如圖3.1.8所示。(6) 信號調(diào)理及整形模塊原理圖信號調(diào)理使用1N4728穩(wěn)壓管，信號整形使用LM393比較器，電路原理圖如圖37所示。（7） 溫度監(jiān)測模塊原理圖溫度監(jiān)測模塊使用溫度傳感器TMP124進行溫度采集，電路原理圖如圖38所示。（8） 光照監(jiān)測模塊原理圖光照監(jiān)測模塊采用光敏電阻進行測量，電路原理圖如圖39所示。2程序的設(shè)計（1） 程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟