2022年无线识别装置-实用 .pdf

目录摘要.1 1.系统方案.1 1.1 题目解析.1 1.2 无线识别装置总体方案设计.1 2.理论分析与计算.1 2.1 耦合线圈的匹配理论.1 2.2 应答器电路分析.2 3.电路与程序设计.3 3.1 阅读器电路设计计算.3 3.2 应答器电路设计计算.4 3.3 总体电路图.4 3.4 识别装置工作流程图.5 4.测试方案与测试结果.6 4.1 调试方法与仪器.6 4.2 测试数据完整性.6 4.3 测试结果分析.6 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 8 页 -1 摘要本系统采用了类似于RFID 的通信模式，实现短距离通信，本设计以低功耗的 AVR 单片机 ATmega48V 为核心，完成了传输四位二进制数的目的，并且具有写卡与读卡的功能。应答器 不需要电源就可 实现向阅读器 发送信息的功能，写信息时同样也不需 要电源。阅读器的功耗低，通信 速率高 且可靠。关键词：RFID，AVR，应答器，阅读器名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 8 页 - 11.系统方案1.1 题目解析根据命题要求，设计一套无线识别装置，该装置 由阅读器、应答器 和耦合线圈等组成，通过无线传输的方式阅读器 能够识别应答器的有无、编码和储存 信息，并且 发挥部 分要 求应答器 不能 采用电 池供 电。主 要性 能指标 有：识别 正确率 80%，响应时间 5 秒，耦合线圈 间距 D 5cm，阅读器 在识别状态下 功耗要 小于2W。并且能够传输四位二进制数，应答器有信息储存 功能。1.2 无线识别装置总体方案设计由基本 LC 谐振回 路可知，当另一个 LC 同频谐振回 路接近此 电路时，不会导致原谐振回 路的参数变化，但如果外加的谐振回 路失谐，则会导致原谐振回 路的 Q 值减小，即振荡 器输出幅度减小。因此我们可以采用 这种方式进 行近距离的无线传输。为了降 低发射和接收 的功耗 故我们 采用低功耗的AVR 单片机（1MHz 时钟时工作电流 400uA），数字调制采用 2ASK 调制，ASK 调制较其他的调制方案 来说发射和接收 电路相对比较简 单可以进一步降低功耗。2.理论分析与计算2.1 耦合线圈的匹配理论耦合线圈的电 磁耦合包含两 种情况：即近距离的电 感耦合与远距离的电 磁耦合。在电感耦合方式 中，阅读器 一方的天线相当于变压器的初级线圈，应答器 一方的天线相当于变压器的次级，电感耦合方式的耦合 中介是空 间磁场，耦合磁场在阅读器线圈 初级与应答器线圈 次级之 间构成闭合回路。电感耦合方式 是低频近距离无 接触射频识别系统的 一般耦合原理。在电磁耦合方式 中，阅读器的 天线将阅读器 产生的读写 射频能 量以电磁波的方式 发送到定向的空间范围内，形成阅读器的有 效阅读区域，位于阅读器有 效阅读区域中 的应答器 从阅读器 天线发出的电磁场中提取 工作电 源，并通过应答器的 内部电路及天线将应答器的数据信 息传送到阅读器。电磁耦合与电 感耦合的 差别在于电磁耦合方式 中阅读器 将射频能 量以电磁波的形式发送出 去；在电感耦合方式 中，阅读器 将射频能 量束缚 在阅读器电感线圈的 周围，通过交变闭合的线圈 磁场，沟通阅读器线圈与 射频标 签线圈之间的射频通道，没有向空间辐射电磁能量。考虑到 发挥部 分的要 求，我们采用了电磁耦合方式。电磁耦合线圈分为 串联和并联谐振两种。串联谐振回 路在谐振时 有最小的阻抗，因此在谐振时 有最大的工作电流。并联谐振回 路在谐振时 有最大的阻抗，即谐振时 有最大的工作电 压。天线线圈电 感 L，寄生电容 Cp，谐振电容 Cs，则其谐振频率f1 2LC=，式中 C 为 Cp和 Cs的等效电容。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 8 页 - 22.2 应答器电路分析应答器 中没有电源，因此需 要从载波中提取 能量供给单片机工作，电磁波通过 LC 谐振回 路产生交 变的电压信号，然后通过二极管倍压 整流电路 将交变的电压信号整流成 直流信号。为了使后级 的单片机 能够稳定工作，需要输出稳压的直流电压，但普通的稳压芯 片效率一般较低，且需要一定的压差，不仅浪费 了宝贵的电能，还使应答器的有 效工作距离 缩短，因此我们 采用稳压管。当谐振回 路经倍压之后 的电压高于稳压管 的电压时，稳压管 工作，单片机 正常工作，当低于稳压管的工作电 压且高于 1.8V 时，单片机 仍能正常工作。另外 LC 谐振回 路还通过一路包络检波器输入到单片机 中，实现阅读器 向应答器写 入信息的功能，应答器总体 框图如下图所示。2.3 阅读器电路分析阅读器 相当于整个电路的核心 控制电路，首先单片机通 过 I/O 口输出一路125k 的方波，然后经 LC 选频回路后变成正弦波。为了使通信距离 拉远，需要对信号进行放大，放大后的正弦波接到了 LC 并联谐振天线的一端，另一端接有采样电阻，这样电磁波就可以通过天线向外辐射了，当应答器 靠近阅读器 时，应答器将信息通过电磁耦合的方式传 送到阅读器 中，信号通过采样电阻获得，然后进入由二极管组成的包络检波器，获取其包 络，即 ASK 信号，接着信号通过带通滤波器将本振信号的泄漏滤除，从而得到理想的 ASK 调制信 号，最后 ASK 调制信号通过低通滤波器和比较器恢复出基带信号。通过串口将基带信号送入单片机，单片机 负责解调信号和校验，最终通过四位发光二极管显示完成接收。阅读器 向应答器写信 息时，是将按键的数据读 入通过改变 125k 方波的占空比来改变本振信号的振幅，实现 ASK 调制，相应的应答器 接收到 ASK 信号后解调并储存到内部的 EEPROM 中，实现信 息的写入。阅读器的总 框图如下图所示。天线二极管倍压及储能 电路单片机 及预置开关包络检 波器调制信 号单片机显示按键电路125k LC 选频回路125k 方波功率放大天线二极管包 络检波滤波、放大、比较UART 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 8 页 - 33.电路与程序设计3.1 阅读器电路设计计算天线谐振回 路的计算：按照题目要 求绕制的电 感，电感量约为 14uH。这样为了使谐振频率在 125k，由f1 2LC=公式可计算出相应得电容为 110nF。二极管包 络检波器的设计：二极管包 络检波器的原理如右图所示。时间常数=RC，为了 能够较好的取出包络要求有（510）0）1，其中 0 为本振频率 125k，1 为 ASK 调制信 号 12k，经过计算，时间常数可取 0.8ms，即 RC 的值分别为 820k 和 1000p可满足要求。带通滤波器的设计：信号经包络检波器之后，输出的信号仍有本振信号分量需要通过一个 带通滤器，这里我们采用 T 型带通滤波器，01212f=1 2C CRR?2A2Q=212RR4Q=f12CC=C=20fR=Qf C需要的是 12k 带通滤波器，增益为 15 倍，则经过计算得，12C=C=1000p，R1=2.67k R2=82.5k 125k 的 LC 选频回路设计：当 L 取 1mH 时由计算可得 C 为 1621p。Butterworth 低通滤波器的设计：原理如右图所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 8 页 - 4f12R=R=Rf12C=C=C=1000pcfff=1 2 C R43K3 1 Q1R R=-=+取 fc=16kHz K=2 根据参数计算 出：f12R=R=R=10k，f12C=C=C=1000p。3.2 应答器电路设计计算应答器 中主要以低功耗的单片机为主，天线采用与阅读器 相同的天线，即L=14uH C=110nF的 LC 谐振回 路，另外一部 分为单片机的电 源电路，电路图 如下图所示。虚线框内为天线回路，天线输出的交变电压信号经过 D1、D2、C1、C2 组成的倍压电路后变成直流信号。为保证输出电压不高于单片机的 最高工作电 压，天线输出端并联的一个 5.1V 的稳压二极管。应答器电路的调制信 号是从 单片机I/O 口引出的，接入到 Q1 三级管的基极实现调制的目的。应答器的 接收电路和阅读器的电路 基本相似，同样采用二 极管包 络检波的方法，检波后的信号直接进入单片机 内的滞回比较器中，然后通过串口读入数据。3.3 总体电路图应答器总体电路图 如下图所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 8 页 - 5阅读器总体电路图 如下图所示。3.4 识别装置工作流程图应答器 4 位键码曼彻斯特 编码8 位曼彻斯特 码10 位 UART码发送接收4 位 LED 显示曼彻斯特 解码10 位 UART码8 位曼彻斯特 码ASK-ASK 二次 调制名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 8 页 - 64.测试方案与测试结果4.1 调试方法与仪器测试仪器：Agilent34401A、TDS3054B 示波器、PST-3202稳压电源、LCR-826电桥、DG3101A 函数信号发生器、游标高度 尺等。调试方法：首先测试 LC 谐振回 路的频率特性，用信 号源产生谐振频率，通过 LC 谐振回 路将电磁波发射出 去，然后通过另一个谐振回 路接收，测试传输距离以及准确的谐振频率。其次是 所需的滤波器以及包络检波器的测试，分别通 过信号源模拟输入信号，采用示波器观察记录 波形数据。最终完成系统的 搭建，进入最终的联合测试。4.2 测试数据完整性识别时间测试：采用 TDS3054B 观察解调后数据 延迟时间1 2 3 4 5 1.3ms 1.3ms 1.3ms 1.3ms 1.3ms 识别正确率 测试：记录五 次 30 组数据正确率 结果1 2 3 4 5 30 30 29 30 29 正确率:148/150 100%=98.7%耦合线圈 间距测试：采用游标高度 尺进行测量五次结果1 2 3 4 5 60.35mm 61.55mm 60.25mm 63.67mm 63.52mm 阅读器总功 率测试：五次测量不同数据时的结果1 2 3 4 5 12.75V 12.75V 12.75V 12.75V 12.75V 130mA 90mA 90mA 110mA 90mA 最大的功率为：P=12.75V 130mA=1.66W 4.3 测试结果分析通过最终的测试结果 可以看出题目中要求的各项指标较圆满的完成，而且有些指标远高于题目的要 求，性能可靠 稳定。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 8 页 -