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文檔簡介

1、1無線識別裝置無線識別裝置作品解析作品解析 2008-7-112008-7-112007年年 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽通訊、高頻組通訊、高頻組 全體組員全體組員2無線識別裝置任務(wù)無線識別裝置任務(wù) 設(shè)計(jì)制作一套無線識別裝置。該裝置由閱讀器、應(yīng)答器和耦合線圈組成,其方框圖見圖1。閱讀器能識別應(yīng)答器的有無、編碼和存儲信息。閱讀器應(yīng)答器耦合線圈外接單電源。D閱讀器應(yīng)答器耦合線圈耦合線圈外接單電源 圖1 無線識別裝置方框圖3無線識別裝置任務(wù)說明無線識別裝置任務(wù)說明 裝置中閱讀器、應(yīng)答器均具有無線傳輸功能,頻率和調(diào)制方式自由選定。不得使用現(xiàn)有射頻識別卡或用于識別的專用芯片。裝置中的耦合

2、線圈為圓形空芯線圈,用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導(dǎo)線密繞10圈制成。線圈直徑為6.60.5cm(可用直徑6.6cm左右的易拉罐作為骨架,繞好取下,用絕緣膠帶固定即可)。線圈間的介質(zhì)為空氣。兩個耦合線圈最接近部分的間距定義為D。 閱讀器、應(yīng)答器不得使用其他耦合方式。 4基本要求基本要求1、應(yīng)答器采用兩節(jié)1.5V干電池供電,閱讀器用外接單電源供 電。閱讀器采用發(fā)光二極管顯示識別結(jié)果,能在D盡可能大 的情況下,識別應(yīng)答器的有無。識別正確率80%,識別時 間5秒,耦合線圈間距D5cm。2、應(yīng)答器增加編碼預(yù)置功能,可以用開關(guān)預(yù)置四位二進(jìn)制編 碼。閱讀器能正確識別并顯示應(yīng)答器的預(yù)置編碼。顯示正

3、 確率80%,響應(yīng)時間5秒,耦合線圈間距D5cm。5發(fā)揮部分發(fā)揮部分1、應(yīng)答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得(通過對耦合到 的信號進(jìn)行整流濾波得到能量),不允許使用電池及內(nèi)部 含有電池的集成電路。閱讀器能正確讀出并顯示應(yīng)答器上 預(yù)置的四位二進(jìn)制編碼。顯示正確率80%,響應(yīng)時間5 秒,耦合線圈間距D5cm。(21)2、閱讀器采用單電源供電,在識別狀態(tài)時,電源供給功率 2W。在顯示編碼正確率80%、響應(yīng)時間5秒的條件 下,盡可能增加耦合線圈間距D。(20) 3、應(yīng)答器增加信息存儲功能,其存儲容量大于等于兩個四位 二進(jìn)制數(shù)。裝置斷電后,應(yīng)答器存儲的信息不丟失。無線 識別裝置具有在閱讀器端寫入、讀出應(yīng)

4、答器存儲信息的功 能。(5)4、其他 6關(guān)鍵技術(shù)分析關(guān)鍵技術(shù)分析 本題的難點(diǎn)在于發(fā)揮部分的實(shí)現(xiàn),主要涉及電能的無線傳輸、數(shù)據(jù)傳輸及儲存等問題。 發(fā)揮部分要求應(yīng)答器采用線圈耦合供電,閱讀器的功耗要2W,則電能無線傳輸方案必須高效。 應(yīng)答器從線圈上耦合獲得的電能極為有限,如果采用一般的無線數(shù)據(jù)傳輸解決方案,供電將難以滿足電路的要求,因此必須采用盡可能簡單的數(shù)據(jù)傳輸方案以降低應(yīng)答器功耗。另外數(shù)據(jù)存儲部分對存儲器的功耗也提出了較高的要求,所以器件選擇也是一個非常重要的環(huán)節(jié)。 7系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)整體框圖 圖2 無線識別裝置系統(tǒng)方框圖8應(yīng)答器類型選擇應(yīng)答器類型選擇 方案一:方案一: 使用有源應(yīng)答器,即應(yīng)答

5、器單獨(dú)使用電池供電。使用自帶的電源,電路工作穩(wěn)定,可以使用多種調(diào)制方式,應(yīng)答器還可以發(fā)射較大功率的信號,通信距離較遠(yuǎn)。但是其受電池工作時間限制,不可能長期使用。方案二:方案二: 使用無源應(yīng)答器,即應(yīng)答器的電源完全由閱讀器提供。由于全部用外部無線供電,供電功率很小,對應(yīng)答器的低功耗要求高,這樣也限制了調(diào)制方式的選擇和通信距離。 方案一易于實(shí)現(xiàn),但只能達(dá)到本題的基本要求,為了完成發(fā)揮部分,建議選擇方案二。9能量耦合和諧振頻率選擇能量耦合和諧振頻率選擇 采用無源應(yīng)答器方案的關(guān)鍵是能量耦合。通過線圈傳輸能量,閱讀器的初級線圈和應(yīng)答器的次級線圈之間的耦合系數(shù)決定了傳輸能量的效率。 根據(jù)耦合線圈調(diào)諧匹配理

6、論,應(yīng)當(dāng)讓耦合線圈工作在復(fù)諧振狀態(tài),此時次級線圈能獲得最大能量。 根據(jù)題意繞制的耦合線圈電感的實(shí)測值約為13uH。如載頻選得較高,那么與之諧振的電容則可能非常小,由于分布電容的影響,調(diào)試將十分困難。若載頻選得較低,則會降低能量發(fā)射和耦合的效率。綜合考慮選擇載波為4MHz。10耦合線圈的諧振與匹配耦合線圈的諧振與匹配 閱讀器射頻輸出端采用發(fā)射線圈(電感)和電容串聯(lián)構(gòu)成諧振回路。 由串聯(lián)諧振公式 得匹配電容 C約為120pF,可選取一個100pF和一個333pF的可調(diào)電容并聯(lián)得到。 為了提高應(yīng)答器諧振回路Q值以獲取更大電壓,使低壓差穩(wěn)壓芯片能夠在更遠(yuǎn)距離工作,應(yīng)答器采用并聯(lián)諧振回路。 耦合線圈諧振

7、電路示意圖3所示。LCf21 圖3 無線識別裝置耦合線圈諧振電路示意圖11調(diào)制方案比較調(diào)制方案比較方案一:負(fù)載調(diào)制方案一:負(fù)載調(diào)制 本系統(tǒng)工作在HF段,耦合部分應(yīng)以變壓器模型進(jìn)行分析。利用變壓器的性質(zhì),將副邊(應(yīng)答器)線圈折合到原邊(閱讀器)線圈,改變副邊負(fù)載的大小時,便能夠改變原邊的電壓特性。這就是負(fù)載調(diào)制效應(yīng)。方案二:直接調(diào)制方案二:直接調(diào)制 直接使用FSK、ASK等調(diào)制。發(fā)射功率較大,傳輸距離較遠(yuǎn)。但電路相對復(fù)雜,所需供電功率較大,必將影響識別距離。 直接調(diào)制法所耗功率過大,電路復(fù)雜。而負(fù)載調(diào)制原理簡單,能量利用率高,功耗控制良好,利用包絡(luò)檢波就可以得到很好的解調(diào)波形。 調(diào)制方案建議采用

8、方案一。 12負(fù)載調(diào)制方案論證負(fù)載調(diào)制方案論證 應(yīng)答器至閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸,對高頻段電感耦合系統(tǒng)來說是一種變壓器磁場耦合模型,即作為初級線圈的讀寫器和作為次級線圈的應(yīng)答器之間的耦合。 理論上,只要線圈之間的距離不大于0.16波長,并且應(yīng)答器處于發(fā)送天線的近場之間,變壓器耦合就是有效的。 只要兩線圈之間存在耦合,那么負(fù)載調(diào)制便是可實(shí)現(xiàn)的。我們選擇的載頻為4MHz,其波長為7.5米,而題目中對兩線圈之間的距離為十幾個cm的數(shù)量級,遠(yuǎn)小于0.16波長,因此采用負(fù)載調(diào)制是可以實(shí)現(xiàn)的。13負(fù)載調(diào)制(負(fù)載調(diào)制(1) 所謂耦合回路是由相互間有影響的兩個單振蕩回路組成,其中接入信號源的回路稱為初級回路,與它相耦

9、合的回路連接負(fù)載,叫做次級回路。初、次級回路之間的耦合分為電感耦合和電容耦合,這里主要說明電感耦合。 在耦合回路中,初級的能量和功率通過磁場耦合到次級上,同時初級和次級對另一個回路的影響等效與在另一回路上串聯(lián)一個電抗元件,稱為反射阻抗。次級對初級的反射阻抗Z= ,可見反射阻抗與次級回路的阻抗成反比。222)(ZM14負(fù)載調(diào)制(負(fù)載調(diào)制(2) 負(fù)載調(diào)制即是通過改變次級回路阻抗,從而改變反射阻抗,繼而改變初級上的電壓,實(shí)現(xiàn)對初級負(fù)載電壓的幅度調(diào)制。15負(fù)載調(diào)制(負(fù)載調(diào)制(3) 由于線圈通過空氣耦合的互感系數(shù)很小,為了達(dá)到最大程度的負(fù)載調(diào)制效果,必須使負(fù)載的變化盡可能大。因此可以選擇使用導(dǎo)通電阻很低

10、的高頻模擬開關(guān)并聯(lián)在應(yīng)答器線圈兩端,用應(yīng)答器的編碼數(shù)據(jù)來控制模擬開關(guān)的通斷,以改變等效到原邊的負(fù)載,引起原邊的電壓變化,因此可以采用簡單的包絡(luò)檢波電路來解調(diào)出原邊電壓的變化,即得到應(yīng)答器的編碼數(shù)據(jù)。 在本系統(tǒng)中,通過控制應(yīng)答器電源和地之間的模擬開關(guān)的通斷來改變Z,導(dǎo)通時阻抗接近0,反射阻抗為無窮大;截止時導(dǎo)通電阻很大,反射阻抗很小。初級回路的等效阻抗變化較大,因而負(fù)載調(diào)制的效果明顯。16數(shù)據(jù)編碼、解碼方案數(shù)據(jù)編碼、解碼方案方案一:方案一: 單片機(jī)編解碼。由于單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)各種邏輯,其編碼解碼可以非常靈活,尤其是單片機(jī)自帶的UART串行接口可以實(shí)現(xiàn)非常標(biāo)準(zhǔn)的串行編碼。但是單片機(jī)的功耗較大,在應(yīng)

11、答器端依靠感應(yīng)電磁場供電的情況下,應(yīng)答器和閱讀器之間的有效通信距離會受到較大的影響。方案二:方案二: 利用通用串并轉(zhuǎn)換芯片編解碼。這種通用串并換芯片可以較好的完成4位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的編解碼,并且功耗低,對工作環(huán)境要求比較低。不足之處是可轉(zhuǎn)換的并行數(shù)據(jù)位數(shù)有限。17數(shù)據(jù)編碼、解碼方案選取數(shù)據(jù)編碼、解碼方案選取 一般來說,方案一是在方案二已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,才會加以考慮的。因?yàn)閷τ跓o線識別這個題目來說,識別的距離和響應(yīng)時間才是關(guān)鍵所在。 因此,考慮到功率裕量和對于題目分?jǐn)?shù)的取舍,優(yōu)先采用第二套方案,實(shí)現(xiàn)簡單的4位二進(jìn)制編碼、解碼功能,然后再在此基礎(chǔ)上,通過加入單片機(jī)而實(shí)現(xiàn)更多的擴(kuò)展功能。 盡管單片機(jī)方

12、案的讀寫距離略小于利用專門串并轉(zhuǎn)換編碼、解碼芯片的方案,但是其具有很大的靈活性,不僅可以設(shè)置芯片的ID,而且可以在芯片內(nèi)部存儲一定的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息,具有更加寬闊的實(shí)用性。 采用低功耗的單片機(jī)(如MSP430)可以在一定程度上彌補(bǔ)單片機(jī)方案的功耗過大問題。18載波產(chǎn)生方案選取載波產(chǎn)生方案選取方案一:方案一: 采用有(無)源晶振。有源晶振只要加上電源就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。缺點(diǎn)就是不能產(chǎn)生任意頻率的載波。方案二:方案二: 直接數(shù)字頻率合成(DDFS)。將正弦表存入存儲器中,通過尋址查表輸出波形數(shù)據(jù),再經(jīng)DA轉(zhuǎn)換濾波恢復(fù)原波形。此方案缺點(diǎn)就是電路復(fù)雜、功耗較大。方案三:方案三: 采用LC振蕩產(chǎn)生所

13、需頻率。方案論證:方案論證: 從題目要求來看,對頻率沒有具體要求,而且無需產(chǎn)生多個頻率,由于本套系統(tǒng)功率受限,建議采用方案一。19閱讀器解調(diào)方案選取閱讀器解調(diào)方案選取方案一:方案一: 包絡(luò)檢波法,這是最簡單的幅度調(diào)制解調(diào)方式。優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單,方便調(diào)試。缺點(diǎn)是靈敏度及線性度不夠高。方案二:方案二: 相干解調(diào)法,優(yōu)點(diǎn)是降低或者消除了相位差對接收信號的影響。缺點(diǎn)是需要載波提取等一系列的電路,增加了整個電路的功耗和復(fù)雜程度。方案論證:方案論證: 設(shè)計(jì)中識別距離比較近,檢測信號較強(qiáng),包絡(luò)檢波法就能夠完成解調(diào)功能,且電路簡單,功耗低。 綜合考慮選擇方案一。 20閱讀器功放方案選取閱讀器功放方案選取 應(yīng)

14、答器由閱讀器通過無線耦合的方式供電,因此對閱讀器的發(fā)射功率要求較高,應(yīng)選用功率放大器來提高發(fā)射功率。方案一:方案一: 采用集成芯片?,F(xiàn)有許多高頻大功率的集成放大器(如AD815)可以用來設(shè)計(jì)高頻功放。集成功放具有穩(wěn)定度高,需要調(diào)整的參數(shù)少的特點(diǎn),缺點(diǎn)是效率較低(集成功放一般采用線性放大),不滿足系統(tǒng)對功耗及傳輸距離的要求。方案二:方案二: 采用分立元件的丙類放大器。采用分立元件的高頻電路受分布參數(shù)影響大,而且不易調(diào)整,但其電路結(jié)構(gòu)比較靈活,對應(yīng)于不同要求的信號,可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的放大器以獲得最大的效率,而且輸出功率可以設(shè)計(jì)的較大,價(jià)格也相對低廉。21閱讀器功放方案論證閱讀器功放方案論證 題目中

15、限定整個系統(tǒng)的功耗為2W,假定發(fā)射功率為1W,丙放的效率為75,則功放上消耗的功率為330mW,但在實(shí)際應(yīng)用中,丙放的效率不可能達(dá)到75,故輸出功率需留有一定裕量。功放三極管采用C1970,其集電極耗散功率可達(dá)5W,功率增益大于9.2dB,完全可以滿足題目的要求。 此外,為了讓天線線圈上獲得盡可能大的功率,還需對功放末級進(jìn)行阻抗匹配。22閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(1) 閱讀器部分主要包括載波發(fā)生電路、功率放大電路和AM解調(diào)電路,下面分別介紹。 載波發(fā)生及驅(qū)動電路:載波發(fā)生及驅(qū)動電路: 直接采用有源晶振產(chǎn)生載波信號,為了推動后級的丙類功放,要求前級有一定的電流和功率驅(qū)動能力,但引入

16、中間放大器會增加額外的功率損耗,使效率降低,同時也增加了電路各級之間匹配的復(fù)雜程度,故采用多個74HC04反相器的并聯(lián)來增加驅(qū)動能力。23閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(2)載波發(fā)生及緩沖電路:載波發(fā)生及緩沖電路: 12U1-1A74LS0412U1-2A74LS0412U1-3A74LS0412U1-4A74LS0412U1-5A74LS0412U1-6A74LS04334422Active Oscillator4MACTIVE OSCILLATORVCCC2104C1102C3104123123mod in74LS0824閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(3)功率放大電路:功

17、率放大電路: 經(jīng)實(shí)測,讀寫器天線回路在4MHz頻率下的阻抗約為20歐姆,天線Q值約為17, 經(jīng)計(jì)算滿足傳輸帶寬的要求(設(shè)計(jì)傳輸速率為300bit/sB = fc/Q)。 C1970采用數(shù)字電路驅(qū)動,其輸入阻抗匹配電路可以從簡,濾波后用一個0.1uF電容直接耦合到C1970基極。 根據(jù)C1970的輸出阻抗進(jìn)行輸出匹配,保證功率的最大傳輸。25閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(4) 設(shè)1970的輸出功率為1W,電源電壓12V,飽和管壓降Vces=2V,根據(jù)丙類功放的最佳負(fù)載阻抗計(jì)算公式: 計(jì)算出C1970的最佳輸出匹配阻抗為50歐姆,C1970的輸出阻抗可等效為50歐姆電阻和10pF左右的電

18、容并聯(lián)。為便于后級匹配,將集電極饋電線圈兼作諧振回路,以抵消輸出電容的影響,將C1970輸出匹配為50歐姆的純阻。 然后輸出經(jīng)過一個50-50歐姆的型低通濾波器濾波,接著通過一個50-20歐姆“倒L”型低通濾波器,最后接上已調(diào)諧振的耦合線圈回路進(jìn)行匹配輸出。 調(diào)節(jié)各個可變電容,使接收端感應(yīng)電壓達(dá)最大即達(dá)到了阻抗匹配狀態(tài)。2()2CEOVCCVRP26閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(5)功率放大電路圖:功率放大電路圖:27閱讀器接收電路設(shè)計(jì)閱讀器接收電路設(shè)計(jì)接收解調(diào)電路:接收解調(diào)電路: 應(yīng)答器采用的是負(fù)載調(diào)制,在接收電路中只需要經(jīng)過檢波、放大、比較整形即可以還原出應(yīng)答器的數(shù)字信號。 檢波

19、部分采用倍壓檢波電路,這種電路對輸入的靈敏度高,非常適合于解調(diào)負(fù)載調(diào)制在發(fā)射端引起的微小變化。由于發(fā)射功率比較大,檢波后的信號包含非常大的直流分量,因此,采用一個LC串聯(lián)回路來濾除直流分量和高頻分量,然后送往由運(yùn)放構(gòu)成的放大器,最后進(jìn)入比較器整形。28閱讀器接收電路設(shè)計(jì)閱讀器接收電路設(shè)計(jì)接收解調(diào)電路圖:接收解調(diào)電路圖:From transmmiter circuitC133pD21n60D11n60R310kC8100pL11mHC21uD31n4148D41n4148L210uHC10100pC1147pC123/30popamplm386R110kR410kR510kVCCC7102C91

20、04C510uC31ucomparatorlm311R710kC6104data outC13104C41uR610kR210kdataoutReceive Circuit 2007.9.429應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)(應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)(1) 應(yīng)答器電路包括諧振選頻、整流濾波、穩(wěn)壓、上電復(fù)位、數(shù)據(jù)編碼、負(fù)載調(diào)制幾個部分。電源部分:電源部分: 信號選頻部分主要是選擇閱讀器發(fā)射的高頻信號,應(yīng)答器線圈與C1及電路后面等效電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路,經(jīng)整流濾波給后級提供電源。電路中采用二極管全波整流,以獲取足夠高的電壓供給后級使用。30應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)(應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)(2)負(fù)載調(diào)制部分:負(fù)載調(diào)制部分: 主要通過一個模擬開

21、關(guān)來實(shí)現(xiàn),由芯片的數(shù)據(jù)輸出口控制模擬開關(guān)TS5A3366通斷,實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)制。當(dāng)模擬開關(guān)接通時,次級線圈的反射阻抗并聯(lián)到讀寫器線圈上,與其共同組成丙放的輸出阻抗,從而使諧振頻率偏移,丙類功放輸出失諧,使丙類功放的輸出電壓減小;當(dāng)模擬開關(guān)斷開時,反射阻抗發(fā)生變化,使讀寫器線圈電壓升高。在讀寫器端可以通過檢波方式檢測輸出電壓變化,從而得到應(yīng)答器的解調(diào)信號。31應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)(應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)(2) 采用低功耗編解碼芯片PT2262和PT2272,完成應(yīng)答器預(yù)置編碼和閱讀器譯碼顯示。 32不可擦寫應(yīng)答器的識別流程不可擦寫應(yīng)答器的識別流程 根據(jù)以上方案和電路設(shè)計(jì),完成了具有基本功能和大部分?jǐn)U展功能,采用集成編碼解碼芯片的設(shè)計(jì),其預(yù)置功能在應(yīng)答器處進(jìn)行,識別流程如下:33發(fā)揮部分功能設(shè)計(jì)(發(fā)揮部分功能設(shè)計(jì)(1) 為了完成發(fā)揮部分中數(shù)據(jù)存儲功能,必須在應(yīng)答器中加入具有數(shù)據(jù)處理能力的單片機(jī),通過單片機(jī)讀寫IO口預(yù)置的編碼

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