无线识别装置

1、1 无线识别装置无线识别装置作品解析作品解析 2008-7-112008-7-11 2007年年 全国大学生电子设计大赛全国大学生电子设计大赛 通讯、高频组通讯、高频组 全体组员全体组员 2 无线识别装置任务无线识别装置任务 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

2、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6.60.5cm（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D5cm。 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

3、。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D5cm。 5 发挥部分发挥部分 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D5cm。（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

4、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 系统整体框图系统整体框图 图2 无线识别装置系统方框

5、图 8 应答器类型选择应答器类型选择 方案一：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：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

6、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333pF的可调电容并联得到。

7、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。 LC f 2 1 图3 无线识别装置耦合线圈谐振电路示意图 11 调制方案比较调制方案比较 方案一：负载调制方案一：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

8、。 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

9、波长，因此采 用负载调制是可以实现的。 13 负载调制（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。 22 2 )( Z M 14 负载调制（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

10、上的电压，实现对初级负载电压的幅度调 制。 15 负载调制（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0，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

11、。 16 数据编码、解码方案数据编码、解码方案 方案一：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：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

12、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 载波产生方案选取载波产生方案选取 方案一：方案一： 采用有（无）源晶振。有源晶振只

13、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：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：方案三： 采用LC振荡产生所需频率。 方案论证：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阅读器解调方案选取 方案一：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：方案二： 相干解调法，

14、优点是降低或者消除了相位差对接收信 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：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：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

15、足系统对功耗及传输距离的要求。 方案二：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，

16、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（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：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（阅读器发射电路设计（2） 载波发生及缓冲电路：载波发生及缓冲电路： 12 U1-1A 74LS

17、04 12 U1-2A 74LS04 12 U1-3A 74LS04 12 U1-4A 74LS04 12 U1-5A 74LS04 12 U1-6A 74LS04 3 3 4 4 2 2 Active Oscillator 4MACTIVE OSCILLATOR VCC C2 104 C1 102 C3 104 1 2 3 1 2 3 mod in 74LS08 24 阅读器发射电路设计（阅读器发射电路设计（3） 功率放大电路：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

18、/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（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

19、姆的型低通滤波器滤波，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 () 2 CE O VCCV R P 26 阅读器发射电路设计（阅读器发射电路设计（5） 功率放大电路图：功率放大电路图： 27 阅读器接收电路设计阅读器接收电路设计 接收解调电路：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 波、放大、比较整形即可以还原出应答器的数字信号。 检波部分采用倍压检波电路，这种电路对输入的灵敏度 高，非常适合于解调负载调制在发射端引起的微小变化。由 于发射功

20、率比较大，检波后的信号包含非常大的直流分量， 因此，采用一个LC串联回路来滤除直流分量和高频分量，然 后送往由运放构成的放大器，最后进入比较器整形。 28 阅读器接收电路设计阅读器接收电路设计 接收解调电路图：接收解调电路图： From transmmiter circuit C1 33p D2 1n60 D1 1n60 R3 10k C8 100p L1 1mH C2 1u D3 1n4148 D4 1n4148 L2 10uH C10 100p C11 47p C12 3/30p opamp lm386 R1 10k R4 10k R5 10k VCC C7 102 C9 104 C5 1

21、0u C3 1u comparator lm311 R7 10k C6 104 data out C13 104 C4 1u R6 10k R2 10k dataout Receive Circuit 2007.9.4 29 应答器电路设计（应答器电路设计（1） 应答器电路包括谐振选频、 整流滤波、稳压、上电复位、数 据编码、负载调制几个部分。 电源部分：电源部分： 信号选频部分主要是选择阅 读器发射的高频信号，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。 30 应答器电路设计（应答器电路设计

22、（2） 负载调制部分：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TS5A3366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小；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。 31 应答器电路设计（应答器电路设计（2） 采用低功耗编解码芯片 PT2262和PT2272，完成应答 器预置编码和阅读器译码显 示。 32 不可擦写应答器的识别流程不可擦写应答器的识别流程 根据以上方案和电路设计，完成了具有基本功能和大部 分扩展功能，采用集成编码解码芯片的设计，其预置功能在 应答器处进行，识别流程如下： 33 发挥部分功能设计（发挥部分功能设计（1） 为了完成发挥部分中数据存储功能，必须在应答器中加 入具有数据处理能力的单片机，通过单片机读写IO