毕业设计（论文）无线识别装置的通信协议的设计与实现

1、 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 题题 目目：无线识别装置的无线识别装置的 通讯协议的设计与实现通讯协议的设计与实现 学学 院：院： 继续教育学院继续教育学院 专业名称：专业名称： 电子信息工程电子信息工程 准考证号：准考证号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 无线识别装置的通讯协议的设计与实现无线识别装置的通讯协议的设计与实现 摘摘 要要 本设计为一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成。配 合常用编码解码芯片 pt2262/2272 实现阅读器对应答器的识别，编码数据的收发 控制，以及信息的存储读写功能。使用 ask 调制方式的收发模块很好的实现了应 答器

2、和阅读器之间的数据传输和能量交换。应答器采用干电池供电时，使用四个 按键拨码开关进行编码设置， 当任意按键拨下时，电路导通，开始工作， pt2262 读取拨码开关值，并通过串口发送编码信号，此时有源晶振产生载波信 号，编码信号再经 ask 调制，从耦合线圈 l1 辐射出去。 具有较高的正确率， 较短的识别时间和较大的耦合线圈间距。阅读器部分包括选频滤波、信号放大、 包络检波、低通滤波以及解码显示等电路，选频滤波部分将应答器发出的信号接 收交由 ad603 构成的放大器进行信号放大；放大后的信号通过二极管包络检波电 路检出并送至低通滤波电路得到所需的基带信号；再由 pt2272 解码芯片对该信号

3、 进行解码并通过显示电路识别出应答器发出的信息。在间距 d 等于线圈半径 r （6.8cm）时，正确率达 95%，识别时间小于 3 秒。当应答器采用耦合线圈获得能 量时，正确率不低于 86%，响应时间大约 3.686 秒，间距在 9.2cm 时还能够很好 的工作。并能够完成对应答器存储芯片的读写功能。另外可以显示存储器内的信 息，接收信息可以语音提示。 整个电路具有结构简单、低功耗、低成本的特点，可用于读取一般的射频卡， 识别距离可达 35cm，能够应用于普通门禁、公交等系统中。 关键词关键词 ask；阅读器；包络检波；应答器 abstract the design of a wireless

4、 identification device. the device consists of readers, transponder and coupling coils. with the realization of common codec chip pt2262/2272 transponder reader for identification, coding data transceiver control, and information storage read and write capabilities. using ask modulation transceiver

5、module achieved a very good between the transponder and reader data transfer and energy exchange. transponders with battery power supply, the use of four buttons to set the dip switches for code, any key when appropriated, the circuit is on and start working, pt2262 read the dip switch values, and t

6、o send coded signals through the serial port, this time active crystal oscillator generates the carrier signal, the coded signal via ask modulation, radiated from the coupling coil l1. with high accuracy, short time and identify the larger distance between the coupling coil. read the section consist

7、s of frequency-selective filtering, signal amplification, envelope detection, low-pass filtering and decoding display circuit, frequency-selective filtering part of the transponder signal from the receiver constituted by the ad603 amplifier for signal amplification; amplified signal diode envelope d

8、etector circuit is detected and sent to the low-pass filter circuit to get the required baseband signal; pt2272 decoder chip then decodes the signal and display circuit identified by the transponder to send. in the distance d is equal to the coil radius r (6.8cm), the correct rate of 95%, recognitio

9、n time is less than 3 seconds. when the transponder coupling coil is used to obtain energy, the correct rate of not less than 86%, about 3.686 seconds response time, spacing 9.2cm shihai able to work well. and be able to complete the transponder chip memory read and write capabilities. in addition t

10、o the information within the display memory, the voice prompts to receive information. the whole circuit has a simple structure, low power, low cost, can be used to read the general rf card identification distance of up to 3 5cm, can be used in the common access, bus and other systems. keywordskeywo

11、rds ask; reader; envelope detector; transponder 目 录 1 1 引言引言 1 1.1 系统的研究背景 1 1.2 系统设计要求1 2.2.总体设计总体设计1 2.1 系统设计1 2.2 设计方案1 2.2.1 单片机选型 1 2.2.2 振荡电路的选择 2 2.2.3 调制方式的选择 2 2.2.4 编码方式的选择 3 2.2.5 功放电路的选择 3 2.2.6 ask 解调方法的选择4 2.2.7 方案论证 4 2.3 总体设计框图5 3 3. 阅读器电路的设计阅读器电路的设计 5 3.1 阅读器总体分析5 3.2 阅读器发射电路分析与计算6

12、3.3 阅读器接收电路分析与计算7 4.4. 应答器电路的设计应答器电路的设计 8 4.1 电源部分8 4.2 负载调制部分9 4.3 4pt2262 编码单元及 pt2272 解码单元 9 5.5.通信协议的设计通信协议的设计10 6 6耦合线圈匹配理论耦合线圈匹配理论11 7.7. 无线识别装置工作流程图无线识别装置工作流程图 12 8 8结论结论 12 致谢致谢 13 参考文献参考文献 14 1 引言 1.1 系统的研究背景 rfid 系统最早的运用是在 1945 年，二次世界大战中用于战斗机 iff(identify friend or foe)。但是作为真正的广泛应用却是近十几年的事

13、情。 比如 1985 年底瑞士开始投入研究铁路管理的 rfid 系统，到 1989 年共用了 4 年的 时间才成功的将其应用到铁路管理系统，使铁路的管理以及火车的调度效率得到 了大大的提高。到了 90 年代，国外有大量的研究及生产 rfid 系统的机构、公司 成立，所有的这些都促进了 rfid 系统的标准化。比如 iso 于 1995 年后相继推出 了 iso-11784 动物识别，iso-10374 集装箱等标准。 近年来在国外有很多公司都投入了一定的力量来研究移植性强的 rfid 系统的 统解决方案，如 tagmaster、ti、motorola、intel等；在韩国已经成功地将 研究成果

14、应用到了公交行业；欧盟将 rfid 技术用到“icare”和“calypso”项目 上，形成了一个基于 rfid 技术的“信用卡”系统；德国汉莎航空公司对高频率乘 客发放的 miles&more 卡，也是用 rfid 技术的，大大提高了机场的效率，节省了 乘客的时间。这些应用的成功标志着 rfid 系统已经取得了信息系统中举足轻重的 地位。现在国外已经在许多领域，比如：服务领域、货物销售、后勤分配、商业 部门、生产企业和材料流通等领域得到了快速的普及和推广。 而在我国也有很多公司在进行这项技术的开发，如上海科芯智能卡科技有限 公司、烟台威尔数据系统有限公司、杭州力汇电子有限公司、tagmast

15、er(中国)有 限公司、北京兰德华电子技术有限公司、上海华虹集成电路有限公司等，且已经 开发了许多产品。这些产品已广泛用于服务、销售、分配等领域，如动物识别器、 卡门禁机、指纹考勤机、电子闭锁防盗专置、产品产量统计、产品质量跟踪、产 品防伪、公交车系统等。 1.2 系统设计要求 无线识别装置中阅读器和应答器间要进行通讯，要保证高的识别率和正确率，通 讯协议是至关重要的一部分。设计要求采用 i/o 模拟时序方式来实现无线识别装 置中阅读器与应答器间的通信。 （1）单片机的设计 （2）通信协议设计 （3）显示处理 （4）键盘控制 2 总体设计 2.1 系统设计 该系统主要由阅读器模块、应答器模块组

16、成。阅读器模块以 61 单片机为控制 核心，分为发送和接收两个通道。收发数据最终由发光二极管和液晶显示。应答 器部分主要由线圈和存储芯片组成。线圈耦合储能供各模块工作同时实现系统的 数据通信。储能芯片得电后定时向调制电路接收和发送数据。 2.2 方案设计 2.2.12.2.1 单片机选型单片机选型 方案一：采用现在比较通用的 51 系列单片机。51 系列单片机的发展已经有 比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，但此系列单片机是 8 位机， 处理速度不是很快，资源不够充分，而且其最小系统的外围电路都要自己设计和 制作，使用起来不是很方便，故未采用。 方案二：采用 spce061a 单片

17、机进行控制。spce061a 凌阳单片机具有强大功 能的 16 位微处理器，主频可以达到 49mhz，速度很快，可以直接用于测量时的数 据采集；i/o 口资源丰富，可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制；存储空 间大，能配合 lcd 液晶显示的字模数据存储。采用 spce061a 单片机，能将相当一 部分外围器件结合到一起，使用方便，抗干扰性高。 结合题目的要求及 spce061 单片机的特点，本设计采用方案二。 2.2.22.2.2 振荡电路的选择振荡电路的选择 方案一：采用晶体振荡器产生。 方案二：采用 lc 振荡器产生，配合 pll 技术将信号锁定在所选频率上。 通信系统中射频信号的频率

18、稳定度要求很高。方案二采用锁相技术，频率稳 定度相当高。但是要实现题目的要求，需要两个这样的电路，系统性价比升高。 而晶振本身的稳定度就可以达到要求，故选方案一。 2.2.32.2.3 调制方式的选择调制方式的选择 本系统属于数字信息传输系统，所以应选择数字信号调制方式。 方案一：采用振幅键控（ask）方式。该方式电路结构简单，易于实现，能够 满足题目要求的显示正确率大于 80%的要求，和提供应答器工作的能量。 方案二：移频键控（fsk）方式。可由频率选择法和载波调频发实现。两种方 式的不同点在于后者不同的振荡频率由同一振荡器产生，因而产生的调制信号的 前后相位是连续的，而前者信号的相位有相差

19、使解调复杂。通过实验发现此方式 所占用的频带宽度比 ask 方式宽，对于题目有些冗余。 方案三：相移键控（psk）。它是利用载波振荡相位的变化来传送数字信息的。 与 2ask 和 2fsk 的不同是，在 2psk 调制中， 应选择双极性的数字基带信号。此 方式最适用于图表或图像信息的传送，并且使用有些麻烦。 综合题目要求和三种调制方式的优缺点，选择方案一。 2.2.42.2.4 编码方式的选择编码方式的选择 如果直接传送未经编码的原始基带数字信号，最大的问题是在接收端无法从 接收到的比特流中提取同步信号，因此在传输二进制基带信号时需要对其进行编 码。 方案一：计算机基本编码，方式有三种方式。

20、曼彻斯特编码，经它编码后基带信号的频带宽度比原始的基带信号增加了一 倍，其缺点是效率较低。 非归零（nrz）编码，为了保证收发双方同步，必须在发送 nrz 码的同时用另 一个信道同时发送同步时钟信号。 微分曼彻斯特编码，是曼彻斯特编码编码的改进，虽然抗干扰能力较好，但 是大大加大了编码的复杂性。 方案二：采用常用编码解码芯片 pt2262/pt2272。pt2262 每次发射时至少发 射 4 组字码，pt2272 只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码 中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动 vt 端同步为高电平。 因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会

21、产生误码，所 以程序可以丢弃处理，对于本系统实现数据通信已经足够,所以采取方案二。 2.2.52.2.5 功放电路的选择功放电路的选择 方案一：用分立原件设计，采用共射接法，使电路电压和电流同时放大，以 满足信号的发射距离要求和为应答器电路供能。 方案二：采用集成运放射频信号频率达 20m，属中频段，现行专用中频运放 不多，负载能力差。方案一运放增益可调并且性能易于掌控。考虑后级为耦合线 圈，需要匹配设计，故选此方案。 2.2.62.2.6 askask 解调的选择解调的选择 方案一：包络解调法，包络解调是一种非相干解调。 方案二：同步解调法，也称相干解调，我们采用方案一。 2.2.72.2.

22、7 方案论证方案论证 方案一 ：采用供能、通信相分离的方式来实现无线识别 该方案的原理就是将供能和通信分开，用线圈的耦合作用实现应答器的无源 供电；而通信则使用无线收发电路制作，比如应用 10 米波段的 mc2833、mc3363 收发电路或者 315mhz、433mhz 等频段的无线数据传输模块来制作。这样的设计， 线圈主要完成能量的传输，比较容易实现，而信号的耦合则是通过其他无线通信 途径来完成的，与题目中的“不依靠任何其他耦合方式”这一要求不符。 方案二：采用负载调制的方式，实现供能、通信的统一，如图 2-1 所示。 应答器 控制器 包络检波 整形 阅读器 控制器 二进制编码信号 阅读器

23、 应答器 信号耦合 能量耦合 图 2-1 采用负载调制方式的无线识别方案 电感耦合系统，本质上来说是一种互感耦合，即作为初级线圈的阅读器和作 为次级线圈的应答器之间的耦合。如果应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频 率相符合，则处于阅读器天线的交变磁场中的应答器就能从磁场获得最大能量。 同时，与应答器线圈并接的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成反作用， 从而引起阅读器线圈回路变换阻抗 zt的变化，即接通或关断应答器天线线圈处的 负载电阻会引起阻抗 zt的变化，从而造成阅读器天线的电压变化。根据这一原理， 我们可以通过数据控制应答器线圈并接负载电阻的接通和断开,使这些数据以调幅 的方式从应答器

24、传输到阅读器。在阅读器端，对阅读器天线上的电压信号进行包 络检波，并放大整形得到所需的逻辑电平，实现数据的回收。 综上所述，方案二符合题意且便于实现，因此我们选用方案二。 2.3 总体设计框图 图 2-2 总体框架图 3. 阅读器电路的设计阅读器电路的设计 3.1 阅读器总体分析 图 3-1 阅读器电路图 电路的设计关键点主要是：如何把晶振信号通过功率放大并将能量高效地匹 配到线圈，使之具有足够的能力去驱动初级线圈辐射能量；如何对应答器感应在 线圈上的信号进行包络检波，恢复数据，实现对负载调制的解调。值得一提的是， 阅读器向应答器写数据的功能是通过在阅读器端进行 ask 调制实现的（虚线部分）

25、 ，考虑到读写器要向应答器提供足够的能量，ask 调制时信号的占空比要尽可能 大一些。 阅读器包括产生高频发射功率以启动应答器并提供能量；对发射信号进行调 制，用于将数据传送给应答器。控制指令通过控制器送入编码芯片 pt2262。经编 码后作为开关控制量实现 ask 调制。带通滤波器主要是滤除调制信号中的高次谐 波和杂散信号，并且有隔离作用，阻断后级电路的阻抗影响。由于调制电路输出 电压幅度太低，如果直接发射，一定达不到系统传输距离要求。所以增加功率放 大电路，实现数据的顺利通信。 阅读器通过耦合线圈从应答器接收信号，接收到的信号经解调后，送入 pt2272 进行解码。2272 只有在连续两次

26、检测到相同的地址码加数据码才会把数据 码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动 vt 端同步为高电平，因为无 线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序 可以丢弃处理。解码输出后进入单片机 i/o 口，进而单片机进行数据处理并作出 一系列反应。 3.2 阅读器发射电路分析与计算 阅读器发射电路不仅仅要提供信号的发射，同时也要发射应答器正常工作所需 要的电能。我们采用了 4mhz 的晶体振荡器，经过功率放大，驱动由线圈和电容构 成的并联谐振电路。具体实现电路如图所示： 图 3-2 阅读器发射电路 晶振的信号通过 u3a，形成受开关控制的 ask 信号，将该信号送

27、入 9014 构成 的单管甲类放大电路进行幅度放大，然后经过 2sc2053 构成的射极跟随器推动后 级的功放电路。功放三极管采用型号为 2sc1971 的 npn 功率晶体管，电路形式采 用自给偏压的丙类谐振功放电路，特点是功放电路的效率较甲类及乙类电路高得 多。谐振回路通过电容抽头形式并接三极管集电极上，并通过电容接入系数的关 系实现所需要的匹配负载阻抗。调节 c12 使谐振回路谐振在 4mhz 上，此时集电极 等效负载电阻约为 50 欧姆，功放在 12v 供电下负载上的最大输出功率约为: 1212/（250）1.44(w)。电路参数经 pspice 仿真确定。经实际调试测试， 表明发射电

28、路工作稳定可靠，性能优异。 3.3 阅读器接收电路分析与计算 当阅读器功放通过线圈发送连续载波时，处于近场中的应答器一旦被激活开 始工作，则由前面所述的应答器负载调制原理可知，在阅读器端线圈上就可以感 应到应答器端负载阻抗的变化，也即会引起功放谐振回路等效阻抗的变化，从而 引起谐振回路二端的输出电压改变。所以，当应答器端要发送“01”序列的时候， 功放谐振线圈上的电压波形是随“01”序列改变的 am 信号，仿真如图 3-3。 所以通过负载调制效应，阅读器天线上产生了调幅的边带，对这个信号可以 采用包络检波的解调方法。具体实现电路如图 3-4。 图 3-3 初级线圈上包络的仿真图形 图 3-4

29、包络检波、整形电路 q7、r33 和 c22 构成三极管有源包络检波电路，检出阅读器谐振回路上信号 的包络成份。当应答器线圈接近或离开阅读器线圈时，q7 的发射极检波输出电压 幅度变化很大，稳压管 d1 的引入能为 c21 提供一个低阻抗的充放电回路，便于 q8 的工作点能在输入信号大幅度变化情况下快速趋于稳定，使得 q8 及后续比较 器得以快速恢复到正常工作状态。检波后的信号送到 q8 适当放大，然后送入 lm339 比较器比较出 ttl 电平，就能还原出应答器的编码信号，送至单片机解码。 4.4. 应答器电路的设计应答器电路的设计 4.1 电源部分 信号选频部分主要是选择阅读器发射的高频信

30、号，应答器线圈与 c1 及电路 后面等效电容构成并联谐振电路，经整流滤波给后级提供电源。电路中采用二极 管全波整流，以获取足够高的电压供给后级使用。 图 4-1 电源部分 4.2 负载调制部分 主要通过一个模拟开关来实现，由芯片的数据输出口控制模拟开关通断，实 现负载调制。当模拟开关接通时，次级线圈的反射阻抗并联到读写器线圈上，与 其共同组成丙放的输出阻抗，从而使谐振频率偏移，丙类功放输出失谐，使丙类 功放的输出电压减少：当模拟开关断开时，反射阻抗发生变化，使读写器线圈电 压升高。在读写器端可以通过检波方式检测输出电压变化，从而得到应答器的解 调信号。 4.3 4pt2262 编码单元及 pt

31、2272 解码单元 在本设计中 pt2262 和 pt2272 是实现无线识别装置中识别的重要的两个芯片， pt2262 用在应答器当中，用来读取拨码开关值并对其进行编码，而 pt2272 用在 阅读器部分，是对应答器发送来的编码信号进行解码并在发光二极管上显示，显 示结果与拨码开关值相同则实现了识别的功能。 pt2262/2272 芯片是一种 cmos 工艺制造的低功耗低价位通用编解码芯片，是 目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。pt2262/2272 最多可 有 12 位(a0-a11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供 531441 地址码。 图

32、4-2 pt2262 连接图 5 5、通信协议的设计、通信协议的设计 编码方式：阅读器应答器：逻辑“0”用 6.139*3/10ms 的低电平与一段 6.139*7/10ms 的 4mhz 载波表示，逻辑“1”用 6.139ms 的 4m 载波表示。 应答器阅读器：逻辑“0”与逻辑“1”为 6.139ms 的 4mhz 的 am 负载调制载波。 通信握手：由于通信链路上的干扰比较大，必须进行有效的码字判断才能保 证正确的传输，应答器每次与阅读器通信，应答器发“0101+握手码字”当应答器 成功收到“0101+握手码字”，认为链路连接成功，开始接收数据。 数据侦格式：“0101+8bit+重复

33、8bit”,将两个 8bit 数据比较，如果相同则 接收，否则放弃。 6.耦合线圈匹配理论 根据互感原理，半径越大、匝数越多，天线间的互感系数就越大。本系统要 求通信距离大于 5cm,匝数 10 圈。设计天线时要注意天线的品质因数。通过计算 选择线圈直径 6.8cm.优化读写器与应答器之间的耦合系数，确定天线线圈和电容， 应答器利用天线耦合采集能量工作，进而发射接收信息。因此对阅读器天线有以 下几个要求：使天线线圈的电流变化率最高，用于产生最大的磁通量 变化；功 率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；足够的带宽来无失真地传送 数据调制的载波信号。根据公式,要求两个 lc 电路调谐在相同

34、的谐振频率上。如 果谐振频率不匹配，零调制就会产生，从而降低系统的性能，设计阅读器工作在 单一频率模式，取 f020mhz。电路部分由整流滤波电路和信息采集存储存储模 块组成，都可等效为一定阻值的电阻。题目要求线圈 10 匝，直径 6.8cm，根据频 率计算公式得到串联电阻为 100 欧，q 值为 30。当它并联一个电阻且频率在 20mhz 时等效电阻为 55 欧。存储模块在工作时流通电流很小，电阻视为无穷大， 在等效电路中几乎不影响振荡谐振频率应答器电路设计。应答器电路部分主要包 括滤波电路，调制解调电路，存储模块。滤波电路，考虑到应答器的无源特性， 所以选用半波整流然后加 0.01u 电容

35、滤波，为存储器，和调制电路供电，实现数 据的通信。调制解调电路。电路图如图所示。该电路实现数据的收发功能。 7. 无线识别装置工作流程图 图 7-1 阅读器与应答器流程图 8.结 论 本次设计历时一个月，从接到实验题目第一天的查找资料、第二天开始着手 论文到最后的顺利完成设计并实现功能。在这个过程中我们遇到了种种困难，在 克服这些障碍的过程中我们同时也学到了很多。整个电路的设计完成了无线有源 识别装置，预期整个设计实现了普通射频识别卡 rfid 的基本功能，阅读器相当于 读卡器，应答器相当于标签。应答器在电源的激励下向阅读器发送各个应答器所 特有的预置码，阅读器若检测出这一号码就发出识别指示，同时显示出对应于该 应答器的相关信息，该种射频识别装置在饭卡，公交车卡，高速公路自动收费系 统，流水线自动化等方面均有广泛的应用，因而具有很强的实用性。 本次应答器制作基本达标，编码信号经过 ask 调制