無線識別作品

無線識別作品1第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六無線識別裝置任務(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2第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六無線識別裝置任務(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6.6±0.5cm（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(gè)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。

3第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六基本要求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(shí)間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。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。顯示正確率≥80%，響應(yīng)時(shí)間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。4第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六發(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(shí)間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。（21）2、閱讀器采用單電源供電，在識別狀態(tài)時(shí)，電源供給功率≤2W。在顯示編碼正確率≥80%、響應(yīng)時(shí)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(gè)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)答器存儲信息的功能。（5）4、其他5第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六關(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(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。6第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)整體框圖

圖2無線識別裝置系統(tǒng)方框圖7第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)答器類型選擇

方案一：使用有源應(yīng)答器，即應(yīng)答器單獨(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(shí)間限制，不可能長期使用。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。8第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六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)諧匹配理論，應(yīng)當(dāng)讓耦合線圈工作在復(fù)諧振狀態(tài)，此時(shí)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。9第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六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(gè)100pF和一個(gè)3～33pF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。耦合線圈諧振電路示意圖3所示。

圖3無線識別裝置耦合線圈諧振電路示意圖10第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六調(diào)制方案比較方案一：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(shí)，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)制方案建議采用方案一。

11第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六負(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(gè)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。12第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六負(fù)載調(diào)制（1）所謂耦合回路是由相互間有影響的兩個(gè)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(shí)初級和次級對另一個(gè)回路的影響等效與在另一回路上串聯(lián)一個(gè)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。13第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六負(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。14第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六負(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(shí)阻抗接近0Ω，反射阻抗為無窮大；截止時(shí)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。15第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)編碼、解碼方案方案一：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)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：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。16第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六數(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(gè)題目來說，識別的距離和響應(yīng)時(shí)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。17第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六載波產(chǎn)生方案選取方案一：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：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：采用LC振蕩產(chǎn)生所需頻率。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(gè)頻率，由于本套系統(tǒng)功率受限，建議采用方案一。18第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器解調(diào)方案選取方案一：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：相干解調(diào)法，優(yōu)點(diǎn)是降低或者消除了相位差θ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(gè)電路的功耗和復(fù)雜程度。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。19第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器功放方案選取應(yīng)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：采用集成芯片。現(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：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。20第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器功放方案論證題目中限定整個(gè)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。21第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器發(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：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，但引入中間放大器會增加額外的功率損耗，使效率降低，同時(shí)也增加了電路各級之間匹配的復(fù)雜程度，故采用多個(gè)74HC04反相器的并聯(lián)來增加驅(qū)動能力。22第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)（2）載波發(fā)生及緩沖電路：

23第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)（3）功率放大電路：

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/s<<B=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(gè)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。24第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器發(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(gè)50-50歐姆的π型低通濾波器濾波，接著通過一個(gè)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(gè)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)。25第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)（5）功率放大電路圖：26第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器接收電路設(shè)計(jì)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(gè)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。27第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六閱讀器接收電路設(shè)計(jì)接收解調(diào)電路圖：28第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六應(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(gè)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。29第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)（2）負(fù)載調(diào)制部分：主要通過一個(gè)模擬開關(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(shí)，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(shí)，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。30第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六應(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。31第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六不可擦寫應(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：32第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期六發(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)置的編碼數(shù)據(jù)，再通過UART接口與外部通信。由于耦合能量有限，只能使用低功耗的單片機(jī)，經(jīng)過對比，選用TI的MSP430系列單片機(jī)。其功耗為250uA/MIPS。閱讀器端直接采用51系列單片機(jī)，簡化