无线识别装置

1无线识别装置——作品解析2008-7-112007年全国大学生电子设计大赛通讯、高频组全体组员2无线识别装置任务设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成，其方框图见图1。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。阅读器应答器耦合线圈外接单电源。D阅读器应答器耦合线圈耦合线圈外接单电源图1无线识别装置方框图3无线识别装置任务说明装置中阅读器、应答器均具有无线传输功能，频率和调制方式自由选定。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。装置中的耦合线圈为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。线圈直径为6.6±0.5cm（可用直径6.6cm左右的易拉罐作为骨架，绕好取下，用绝缘胶带固定即可）。线圈间的介质为空气。两个耦合线圈最接近部分的间距定义为D。阅读器、应答器不得使用其他耦合方式。4基本要求1、应答器采用两节1.5V干电池供电，阅读器用外接单电源供电。阅读器采用发光二极管显示识别结果，能在D尽可能大的情况下，识别应答器的有无。识别正确率≥80%，识别时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。2、应答器增加编码预置功能，可以用开关预置四位二进制编码。阅读器能正确识别并显示应答器的预置编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。5发挥部分1、应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得（通过对耦合到的信号进行整流滤波得到能量），不允许使用电池及内部含有电池的集成电路。阅读器能正确读出并显示应答器上预置的四位二进制编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。（21）2、阅读器采用单电源供电，在识别状态时，电源供给功率≤2W。在显示编码正确率≥80%、响应时间≤5秒的条件下，尽可能增加耦合线圈间距D。（20）3、应答器增加信息存储功能，其存储容量大于等于两个四位二进制数。装置断电后，应答器存储的信息不丢失。无线识别装置具有在阅读器端写入、读出应答器存储信息的功能。（5）4、其他6关键技术分析本题的难点在于发挥部分的实现，主要涉及电能的无线传输、数据传输及储存等问题。发挥部分要求应答器采用线圈耦合供电，阅读器的功耗要≤2W，则电能无线传输方案必须高效。应答器从线圈上耦合获得的电能极为有限，如果采用一般的无线数据传输解决方案，供电将难以满足电路的要求，因此必须采用尽可能简单的数据传输方案以降低应答器功耗。另外数据存储部分对存储器的功耗也提出了较高的要求，所以器件选择也是一个非常重要的环节。7系统整体框图载波发生调制信号功放驱动丙类功放耦合线圈包络检波放大、解调显示耦合线圈电磁耦合整流LDO稳压负载调制编码器预置开关图2无线识别装置系统方框图8应答器类型选择方案一：使用有源应答器，即应答器单独使用电池供电。使用自带的电源，电路工作稳定，可以使用多种调制方式，应答器还可以发射较大功率的信号，通信距离较远。但是其受电池工作时间限制，不可能长期使用。方案二：使用无源应答器，即应答器的电源完全由阅读器提供。由于全部用外部无线供电，供电功率很小，对应答器的低功耗要求高，这样也限制了调制方式的选择和通信距离。方案一易于实现，但只能达到本题的基本要求，为了完成发挥部分，建议选择方案二。9能量耦合和谐振频率选择采用无源应答器方案的关键是能量耦合。通过线圈传输能量，阅读器的初级线圈和应答器的次级线圈之间的耦合系数决定了传输能量的效率。根据耦合线圈调谐匹配理论，应当让耦合线圈工作在复谐振状态，此时次级线圈能获得最大能量。根据题意绕制的耦合线圈电感的实测值约为13uH。如载频选得较高，那么与之谐振的电容则可能非常小，由于分布电容的影响，调试将十分困难。若载频选得较低，则会降低能量发射和耦合的效率。综合考虑选择载波为4MHz。10耦合线圈的谐振与匹配阅读器射频输出端采用发射线圈（电感）和电容串联构成谐振回路。由串联谐振公式得匹配电容C约为120pF，可选取一个100pF和一个3～33pF的可调电容并联得到。为了提高应答器谐振回路Q值以获取更大电压，使低压差稳压芯片能够在更远距离工作，应答器采用并联谐振回路。耦合线圈谐振电路示意图3所示。LCf21图3无线识别装置耦合线圈谐振电路示意图11调制方案比较方案一：负载调制本系统工作在HF段，耦合部分应以变压器模型进行分析。利用变压器的性质，将副边（应答器）线圈折合到原边（阅读器）线圈，改变副边负载的大小时，便能够改变原边的电压特性。这就是负载调制效应。方案二：直接调制直接使用FSK、ASK等调制。发射功率较大，传输距离较远。但电路相对复杂，所需供电功率较大，必将影响识别距离。直接调制法所耗功率过大，电路复杂。而负载调制原理简单，能量利用率高，功耗控制良好，利用包络检波就可以得到很好的解调波形。调制方案建议采用方案一。12负载调制方案论证应答器至阅读器的数据传输，对高频段电感耦合系统来说是一种变压器磁场耦合模型，即作为初级线圈的读写器和作为次级线圈的应答器之间的耦合。理论上，只要线圈之间的距离不大于0.16波长，并且应答器处于发送天线的近场之间，变压器耦合就是有效的。只要两线圈之间存在耦合，那么负载调制便是可实现的。我们选择的载频为4MHz，其波长为7.5米，而题目中对两线圈之间的距离为十几个cm的数量级，远小于0.16波长，因此采用负载调制是可以实现的。13负载调制（1）所谓耦合回路是由相互间有影响的两个单振荡回路组成，其中接入信号源的回路称为初级回路，与它相耦合的回路连接负载，叫做次级回路。初、次级回路之间的耦合分为电感耦合和电容耦合，这里主要说明电感耦合。在耦合回路中，初级的能量和功率通过磁场耦合到次级上，同时初级和次级对另一个回路的影响等效与在另一回路上串联一个电抗元件，称为反射阻抗。次级对初级的反射阻抗Z=，可见反射阻抗与次级回路的阻抗成反比。222)(ZM14负载调制（2）负载调制即是通过改变次级回路阻抗，从而改变反射阻抗，继而改变初级上的电压，实现对初级负载电压的幅度调制。15负载调制（3）由于线圈通过空气耦合的互感系数很小，为了达到最大程度的负载调制效果，必须使负载的变化尽可能大。因此可以选择使用导通电阻很低的高频模拟开关并联在应答器线圈两端，用应答器的编码数据来控制模拟开关的通断，以改变等效到原边的负载，引起原边的电压变化，因此可以采用简单的包络检波电路来解调出原边电压的变化，即得到应答器的编码数据。在本系统中，通过控制应答器电源和地之间的模拟开关的通断来改变Z，导通时阻抗接近0Ω，反射阻抗为无穷大；截止时导通电阻很大，反射阻抗很小。初级回路的等效阻抗变化较大，因而负载调制的效果明显。16数据编码、解码方案方案一：单片机编解码。由于单片机很容易实现各种逻辑，其编码解码可以非常灵活，尤其是单片机自带的UART串行接口可以实现非常标准的串行编码。但是单片机的功耗较大，在应答器端依靠感应电磁场供电的情况下，应答器和阅读器之间的有效通信距离会受到较大的影响。方案二：利用通用串并转换芯片编解码。这种通用串并换芯片可以较好的完成4位的二进制数据的编解码，并且功耗低，对工作环境要求比较低。不足之处是可转换的并行数据位数有限。17数据编码、解码方案选取一般来说，方案一是在方案二已经实现的基础上，才会加以考虑的。因为对于无线识别这个题目来说，识别的距离和响应时间才是关键所在。因此，考虑到功率裕量和对于题目分数的取舍，优先采用第二套方案，实现简单的4位二进制编码、解码功能，然后再在此基础上，通过加入单片机而实现更多的扩展功能。尽管单片机方案的读写距离略小于利用专门串并转换编码、解码芯片的方案，但是其具有很大的灵活性，不仅可以设置芯片的ID，而且可以在芯片内部存储一定的数据及状态信息，具有更加宽阔的实用性。采用低功耗的单片机（如MSP430）可以在一定程度上弥补单片机方案的功耗过大问题。18载波产生方案选取方案一：采用有（无）源晶振。有源晶振只要加上电源就可以产生频率稳定的载波。缺点就是不能产生任意频率的载波。方案二：直接数字频率合成(DDFS)。将正弦表存入存储器中，通过寻址查表输出波形数据，再经DA转换滤波恢复原波形。此方案缺点就是电路复杂、功耗较大。方案三：采用LC振荡产生所需频率。方案论证：从题目要求来看，对频率没有具体要求，而且无需产生多个频率，由于本套系统功率受限，建议采用方案一。19阅读器解调方案选取方案一：包络检波法，这是最简单的幅度调制解调方式。优点是电路结构简单，方便调试。缺点是灵敏度及线性度不够高。方案二：相干解调法，优点是降低或者消除了相位差θ对接收信号的影响。缺点是需要载波提取等一系列的电路，增加了整个电路的功耗和复杂程度。方案论证：设计中识别距离比较近，检测信号较强，包络检波法就能够完成解调功能，且电路简单，功耗低。综合考虑选择方案一。20阅读器功放方案选取应答器由阅读器通过无线耦合的方式供电，因此对阅读器的发射功率要求较高，应选用功率放大器来提高发射功率。方案一：采用集成芯片。现有许多高频大功率的集成放大器(如AD815)可以用来设计高频功放。集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低（集成功放一般采用线性放大），不满足系统对功耗及传输距离的要求。方案二：采用分立元件的丙类放大器。采用分立元件的高频电路受分布参数影响大，而且不易调整，但其电路结构比较灵活，对应于不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大的效率，而且输出功率可以设计的较大，价格也相对低廉。21阅读器功放方案论证题目中限定整个系统的功耗为2W，假定发射功率为1W，丙放的效率为75％，则功放上消耗的功率为330mW，但在实际应用中，丙放的效率不可能达到75％，故输出功率需留有一定裕量。功放三极管采用C1970，其集电极耗散功率可达5W，功率增益大于9.2dB，完全可以满足题目的要求。此外，为了让天线线圈上获得尽可能大的功率，还需对功放末级进行阻抗匹配。22阅读器发射电路设计（1）阅读器部分主要包括载波发生电路、功率放大电路和AM解调电路，下面分别介绍。载波发生及驱动电路：直接采用有源晶振产生载波信号，为了推动后级的丙类功放，要求前级有一定的电流和功率驱动能力，但引入中间放大器会增加额外的功率损耗，使效率降低，同时也增加了电路各级之间匹配的复杂程度，故采用多个74HC04反相器的并联来增加驱动能力。23阅读器发射电路设计（2）载波发生及缓冲电路：12U1-1A74LS0412U1-2A74LS0412U1-3A74LS0412U1-4A74LS0412U1-5A74LS0412U1-6A74LS04334422ActiveOscillator4MACTIVEOSCILLATORVCCC2104C1102C3104123123modin74LS0824阅读器发射电路设计（3）功率放大电路：经实测，读写器天线回路在4MHz频率下的阻抗约为20欧姆，天线Q值约为17,经计算满足传输带宽的要求（设计传输速率为300bit/sB=fc/Q）。C1970采用数字电路驱动，其输入阻抗匹配电路可以从简，滤波后用一个0.1uF电容直接耦合到C1970基极。根据C1970的输出阻抗进行输出匹配，保证功率的最大传输。25阅读器发射电路设计（4）设1970的输出功率为1W，电源电压12V，饱和管压降Vces=2V，根据丙类功放的最佳负载阻抗计算公式：计算出C1970的最佳输出匹配阻抗为50欧姆，C1970的输出阻抗可等效为50欧姆电阻和10pF左右的电容并联。为便于后级匹配，将集电极馈电线圈兼作谐振回路，以抵消输出电容的影响，将C1970输出匹配为50欧姆的纯阻。然后输出经过一个50-50欧姆的π型低通滤波器滤波，接着通过一个50-20欧姆“倒L”型低通滤波器，最后接上已调谐振的耦合线圈回路进行匹配输出。调节各个可变电容，使接收端感应电压达最大即达到了阻抗匹配状态。2()2CEOVCCVRP26阅读器发射电路设计（5）功率放大电路图：27阅读器接收电路设计接收解调电路：应答器采用的是负载调制，在接收电路中只需要经过检