無線識別裝置電子設(shè)計競賽分析

1、1,無線識別裝置任務(wù) 設(shè)計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。,圖1 無線識別裝置方框圖,2,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

2、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,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

3、時 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)時間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。,4,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)置的四位二進制編碼。

4、顯示正確率≥80%，響應(yīng)時間≤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，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

5、）4、其他,5,關(guān)鍵技術(shù)分析,本題的難點在于發(fā)揮部分的實現(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

6、是一個非常重要的環(huán)節(jié)。,6,系統(tǒng)整體框圖,圖2 無線識別裝置系統(tǒng)方框圖,7,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。但是其受電池工作時間限制，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

7、方式的選擇和通信距離。 方案一易于實現(xiàn)，但只能達到本題的基本要求，為了完成發(fā)揮部分，建議選擇方案二。,8,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測值約為13uH。如載頻選得較高，那么與之

8、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,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)壓芯片能夠在更遠距離工作，應(yīng)

9、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,調(diào)制方案比較,方案一：負載調(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，改變副邊負載的大小時，便能夠改變原邊的電壓特性。這就是負載調(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。但電路

10、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,負載調(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)

11、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，那么負載調(diào)制便是可實現(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，遠小于0.16波長，因此采用負載調(diào)制是可以實現(xiàn)的。,12,負載調(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，與它相耦合的回路連接負載，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

12、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。,,13,負載調(diào)制（2）,負載調(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，實現(xiàn)對初級負載電壓的幅度調(diào)制。,14,負載調(diào)制（3）,由于線圈通過空氣耦合的互感系數(shù)很小

13、，為了達到最大程度的負載調(diào)制效果，必須使負載的變化盡可能大。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0Ω，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

14、的等效阻抗變化較大，因而負載調(diào)制的效果明顯。,15,數(shù)據(jù)編碼、解碼方案,方案一： 單片機編解碼。由于單片機很容易實現(xiàn)各種邏輯，其編碼解碼可以非常靈活，尤其是單片機自帶的UART串行接口可以實現(xiàn)非常標(biāo)準(zhǔn)的串行編碼。但是單片機的功耗較大，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位的二進制數(shù)據(jù)的編解碼，并且

15、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,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)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，才會加以考慮的。因為對于無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數(shù)的取舍，優(yōu)先采用第二套方案，實現(xiàn)簡單的4位二進制編碼、解碼功能，然后再在此基礎(chǔ)上，通過加入單片機而實現(xiàn)更多的擴展功能。 盡管單片機方案的讀寫距離略小于利用專門

16、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，具有更加寬闊的實用性。 采用低功耗的單片機（如MSP430）可以在一定程度上彌補單片機方案的功耗過大問題。,17,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

17、，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)生多個頻率，由于本套系統(tǒng)功率受限，建議采用方案一。,18,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)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，方便調(diào)試。缺點是靈敏度及線性度不夠高。方案二： 相干解調(diào)法，優(yōu)點是降

18、低或者消除了相位差θ對接收信號的影響。缺點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： 設(shè)計中識別距離比較近，檢測信號較強，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,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(

19、如AD815)可以用來設(shè)計高頻功放。集成功放具有穩(wěn)定度高，需要調(diào)整的參數(shù)少的特點，缺點是效率較低（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)計的較大，價格也相對低廉。,20,閱讀器功放方案論證,題目中限定整個系統(tǒng)的功

20、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，但在實際應(yīng)用中，丙放的效率不可能達到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，還需對功放末級進行阻抗匹配。,21,閱讀器發(fā)射電路設(shè)計（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。

21、 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。,22,閱讀器發(fā)射電路設(shè)計（2）,載波發(fā)生及緩沖電路：,23,閱讀器發(fā)射電路設(shè)計（3）,功率放大電路： 經(jīng)實測，讀寫器天線回路在4MHz頻率下的阻抗約為20歐姆

22、，天線Q值約為17, 經(jīng)計算滿足傳輸帶寬的要求（設(shè)計傳輸速率為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0.1uF電容直接耦合到C1970基極。 根據(jù)C1970的輸出阻抗進行輸出匹配，保證功率的最大傳輸。,,24,閱讀器發(fā)射電路設(shè)計（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)丙類功放的最佳負載阻抗計算公式

23、： 計算出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50-50歐姆的π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)電壓達最大即

24、達到了阻抗匹配狀態(tài)。,25,閱讀器發(fā)射電路設(shè)計（5）,,功率放大電路圖：,26,閱讀器接收電路設(shè)計,接收解調(diào)電路： 應(yīng)答器采用的是負載調(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

25、后送往由運放構(gòu)成的放大器，最后進入比較器整形。,27,閱讀器接收電路設(shè)計,接收解調(diào)電路圖：,,,28,應(yīng)答器電路設(shè)計（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、負載調(diào)制幾個部分。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,應(yīng)答器電路設(shè)計（2）

26、,負載調(diào)制部分： 主要通過一個模擬開關(guān)來實現(xiàn)，由芯片的數(shù)據(jù)輸出口控制模擬開關(guān)TS5A3366通斷，實現(xiàn)負載調(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。,30,應(yīng)答器電路設(shè)計（2）,采用低功耗編解

27、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,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，完成了具有基本功能和大部分擴展功能，采用集成編碼解碼芯片的設(shè)計，其預(yù)置功能在應(yīng)答器處進行，識別流程如下：,,32,發(fā)揮部分功能設(shè)計（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，通過單片機讀寫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

28、限，只能使用低功耗的單片機，經(jīng)過對比，選用TI的MSP430系列單片機。其功耗為250uA/MIPS。 閱讀器端直接采用51系列單片機，簡化系統(tǒng)設(shè)計。,,33,發(fā)揮部分功能設(shè)計（2）,電源管理與上電復(fù)位：當(dāng)應(yīng)答器由遠接近閱讀器時，應(yīng)答器耦合得到電壓較低，易導(dǎo)致模擬開關(guān)異常導(dǎo)通而造成“死鎖”,并易導(dǎo)致單片機啟動失敗(單片機復(fù)位電壓必須比其最低工作電壓高)。為此，系統(tǒng)設(shè)計了電源管理和上電復(fù)位電路，其中電壓檢測采用超低功耗比較器LTC

29、1440,并將其設(shè)計成遲滯比較器，控制模擬開關(guān)和穩(wěn)壓芯片的啟動與關(guān)閉。當(dāng)LTC1440輸入電壓高于2.8V時，輸出低電平，當(dāng)輸入電壓降至2.2V時，輸出高電平。電路中采用的器件均為CMOS工藝的低功耗芯片，雖然增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度，但增加的電流消耗<5uA，并不會對工作距離造成不利影響，同時本電路采用了穩(wěn)壓二極管進行過電壓保護。,34,發(fā)揮部分功能設(shè)計（2）,電源管理與上電復(fù)位電路圖（綠色框內(nèi)）,35,綜述,1、采用負載調(diào)制，電路簡

30、單，工作可靠，并且有效的提高了 能量的利用率。2、采用編、解碼芯片，使系統(tǒng)的功耗大大降低，并且所用的 編碼解碼芯片本身有較強的抗干擾能力，使系統(tǒng)可靠性顯 著提高。3、采用單片機系統(tǒng)，可完成數(shù)據(jù)的讀寫和擦除功能。4、閱讀器采用丙類功率放大電路，效率較高，在系統(tǒng)總的功 率限制下仍然能夠提供足夠的功率給應(yīng)答器，使閱讀器和 應(yīng)答器之間的通信距離得到提高。,36,采用MSP430方案的實物圖