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1、封装纸无线识别摘要：阅读器采用dsPIC30 MCU作为主控芯片，实现应答器的识别、数据通信和人机交互，相关信息用LCD显示，具有较好的显示界面；系统通信载波频率选用667kHz，用独立的dsPIC MCU产生，稳定性高，保证了系统通信的可靠性。应答器采用低功耗MCU设计，其电源通过线圈耦合阅读器的载波信号，经整流、滤波和LDO稳压后提供。应答器的数据通过控制其线圈回路的通断，通过耦合改变阅读器谐振回路的Q值，实现了阅读器和应答器之间的数据传输和调制，应答器数据储存在MCU内部的EEPROM中，保证掉电不丢失。数据通信协议参考红外遥控器的协议，采用周期调制方式，保证了系统的可靠识别。 / 文档
2、可自由编辑打印1系统的方案设计根据题目要求，系统由应答器和阅读器两个模块构成，图1示出无线识别系统的原理框图。图 1 无线识别系统原理框图1.1 应答器方案设计应答器主要实现本机编码、存储信息的发送及阅读器读写信息的识别。在电路上包括供电电路、控制器、拨码电路、调制电路、解调电路及信息掉电存储电路。在实际应用中，考虑到系统的易用性，应答器需要达到较低的功耗，才能够实现通过阅读器的无线供电。应答器的主控制器在接收到阅读器的读卡命令后，把相应的数据包经电感线圈耦合传送给阅读器，阅读器对应答器进行设置的信息经检波解调、写入应答器主控制器的EPPROM。原则上应答器的主控芯片可以采用任何型号的MCU、
3、考虑到题目的低功耗指标。本设计采用超低功耗、低电源电压（3V）的PIC16LF877A MCU，该MCU可设置为空闲时(无发送和接收时)进入休眠模式，使得整机系统的功耗更低，因此容易实现应答器的电源通过电感线圈耦合提供。1.2阅读器方案设计阅读器主要实现应答器的识别和显示，以及向应答器写入或读出相关的信息。在电路上包括供电电路、控制电路、载波产生电路、调制电路、解调电路等，由于应答器采用的是无线供电，且题目要求达到5cm以上的检测距离，所以解调电路的设计是阅读器的设计重点，包括检波、放大、滤波等电路。系统的调制发送本打算采用555时基集成电路构成的多谐振荡器产生670K左右的载波，但在实际制作
4、中发现555产生的载波频率波动范围很大，系统的谐振不稳定，从而影响系统的正常通信。最终确定采用独立dsPIC30F3013 MCU产生667K的方波。其调制信号经MCU的IO口输入控制，方便了阅读器控制电路对调制电路的控制。系统的解调电路可以采用相关的同步检波电路进行解调。同步检波电路主要用于解调抑载调幅信号，虽也能用于普通调幅波的解调，但因电路比包洛检波复杂。最后决定采用二极管包络检波的方法作为解调电路，在二极管检波后加上相应的滤波放大电路和电压比较器实现应答器数据的识别。.硬件设计2.1阅读器电路设计2.1.1调制发射模块电路设计 由于近距离无线通信采用线圈谐振的方式发送和接收数据，调制采
5、用ASK的调制方式在电路上较容易实现，由此该模块电路主要由载波发生器及驱动电路组成。为了得到稳定的高频载波信号，本系统采用高速MCU作为信号发生器。MCU输出的信号经驱动电路后加到LC串联谐振回路上，实际使用中需调整LC的串联谐振频率与MCU产生的信号频率一致。在L与C联接端得到80V至100V的谐振电压，使电感线圈L产生较高的电磁场，为应答器供电提供能量。高频载波驱动电路如图2所示，输入信号CLK由PIC30F3013产生667KHz高频信号，同时选择PIC30F3013的一个I/O口受阅读器主控制MCU PIC30F4011的控制，达到对载波信号的调制。经7404数字集成电路U1A和U1B
6、的缓冲，Q1和Q2组成乙类功率放大器，为串联谐振电感L1、电容C1提供激励信号。Q1（NPN）、Q2（PNP）选用中功率三极管。开关二极管D1对载波信号进行整流，得到正半周信号。实际制作中，考虑的器件的耐压，D1采用两个4148的开关二极管串联，C1选用两个低损耗系数的电容串联构成。图 2 高频载波驱动电路原理图阅读器通过耦合线圈发送一定频率的射频信号，不论以什么方式只要能使穿过闭合回路的磁通量发生变化，此闭合回路内就一定会有感应电动势出现。为了提高射频信号识别和接收的效率，LC谐振回路工作在谐振时，其谐振频率为 ，L1的取值在本题中已经进行了规定（用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线
7、密绕10圈制成。线圈直径为6.60.5 cm），其实际的电感量为17.01uH(通过电桥测量)，因此C1取值为3400pF，所以有：即电路的谐振频率为662KHz，考虑的电路上分布参数的影响，系统的通信载波选择为667KHz。2.1.3检波、放大电路设计应答器通过控制通信线圈回路的通断，实现对阅读器谐振回路谐振电压的调制，从而将数据信号传送给阅读器，因此在阅读器端，需要由检波电路将调制信号进行解调。信号检波放大电路如图3所示，C2、R1和图2中D1组成二极管包络检波，滤掉载波信号，得到一定的直流电平及微弱的包络信号。为了提高检波性能，RC的取值依据系统通信的最高波特率确定，同时载波对检波电路的
8、要求，即满足，的条件。考虑到检波对谐振回路的衰减，C2的取值不可过大，最终确定取为，为100pF。由于解调后的信号幅值很小，需经多级放大后，才能将电平输出给MCU处理。C4、R2、C5、R3、U1C、U1D对包络信号进行放大。R5和C3组成一阶RC低通滤波，滤掉高频杂波(主要为通信的载波)后，再由C6、R4、U1E放大后，经U1F整形后的调制信号，送给阅读器主控MCU PIC30F4011进行解码。图 3 检波放大模块电路原理图2.2应答器电路设计2.2.1 供电及数据接收电路设计图 4 应答器供电电路及输入数据检测电路当应答器进入耦合线圈工作区域时，根据法拉第电磁感应定律,其耦合线圈的磁通量
9、发生变化产生感应电动势及感应电流，从而在选择器无外接电源的情况下，耦合线圈得到的电磁场能量转化为交流电源，再经过D2、C5及LDO（HT7033）等组成的整流稳压电路转化为直流电源，为低功耗的MCU供电。由于阅读器的调制方式为ASK，所以解调电路比较简单。该电路由D1、R1、C1 、R2、D3组成，将其转换的逻辑电平由图4所示的Into通道输给MCU的I/O口。其时间常数，实际中RC为3-5，则其上升时间约为5.4-8us，满足系统通信的要求。实测中发现短距离的感应电压可能达到10V左右，为了保护MCU的IO口，增加一个4.7K的限流电阻和3.3V的稳压管。由于应答器对功耗有严格的限制，所以M
10、CU没用到的IO口都接10K以上的上拉电阻，并设置为输入状态，避免引脚悬空时受到外界干扰，增加系统的功耗。2.2.2 发射模块设计发射电路由图4电路中的低导通电压、高速MOS管XP151A13A0MR及耦合线圈L2组成，该MOS管与三极管都可起开关作用，但MOS管不需提供IGS电流且VGS1.5V，有利于系统的低功耗设计。当DataOut端为高电平“1”时，MOS管导通使谐振回路闭合，耦合线圈L2产生谐振波。当DataOut端为低电平“0”时，MOS管截止，谐振回路开路无谐振波产生。由于谐振天线接收到的信号是双向的，所以为了防止信号经MOS管内部的保护二极管导通，在MOS管中串入高速二极管D1
11、1。3. 软件设计3.1程序流程无线识别装置主要由阅读器、应答器两大模块构成，其中阅读器主要负责响应用户按键对应答器（相当于非接触卡）进行读写工作，系统工作流程如图5所示。 图 5 阅读器工作流程图 图 6 应答器工作流程图应答器由PIC16LF877A为主控芯片，主要受控于阅读器，被动接收数据进行存储或向阅读器发送卡内数据，其软件流程如图6所示。3.2通信协议设计以及校验原理系统通信采用ASK调制方式，由硬件原理分析可知，阅读器向应答器发送数据是靠停止谐振而使应答器获得输入脉冲，当阅读器向应答器发送数据时也减少了向应答器供应的能量，所以设计时停止谐振的时间不宜过长，但要满足识别率大于80，实
12、验证明脉宽为几百微秒为宜；应答器向阅读器发送数据是通过控制应答器中线圈的通断达到调制的，在阅读器端通过检测载波幅度并放大得到应答器发出来的信号。根据实验结果，应答器发送数据时也要损耗相当的能量，同时考虑到过长的脉冲间隔容易引入杂波，所以脉宽间隔也是以几百微秒为宜。阅读器向应答器读数据的通信握手协议如图7所示：图 7 阅读器和应答器通信握手协议数据的通信协议参考红外遥控器的协议，即采用周期的不同来表示数据的“1”和“0”，在数据发送前先发送一段引导码。在发送数据中，除了原码之外还发送该数据的反码达到误差校正的目的，保证了系统通信的可靠性。4. 调试系统的调试过程共分为三大部分：硬件调试、软件调试
13、和系统联机调试。4.1硬件调试在硬件调试过程中，我们采用分模块调试的方法，给各小模块上电，用示波器观察各点电压和波形，先调试好各个小模块，再把整个硬件电路联起来调。在调试过程中发现当调制信号对载波进行ASK调制时，由于组成“线与”电路的三极管的开关速度不够快，导致三极管的输出被拉低，最后改用MCU控制另一个MCU产生载波，此时输出的波形效果就很好了。4.2 软件调试软件的编写采用红外协议的思想，在调试过程中，我们先把两个MCU直接连接，一块MCU发送类似红外的编码，另一块MCU进行接收解析数据包，调试系统的通信模块。4.3系统联调在前面两步调试的基础上，系统联机统调。主要检查系统的对应功能是否
14、实现，整机容错性设计等工作。由于我们在设计过程中分工明确、模块清晰，所以我们在联调过程很少出现故障。5.系统测试5.1测试的方法在测试中，按照题目的要求进行测试，应答器采用的供电符合发挥部分的要求即采用无线供电模式，其编码采用拨码开关预置，应答信息存储在MCU内部的EEPROM中，在断电后不会丢失；对于无线识别距离的测试，我们采用的是在阅读器和应答器之间垫入一定高度的硬纸杯来测试的。5.2测试仪器数字存储示波器(型号：Tektronix TDS1012)、数字万用表(型号：FLUKE17B)、MOTECH电容电感表（型号：MT4080A）、MOTECH信号发生器（型号：FG708S）、南京盛普
15、高频信号发生器（型号：SP1461）、MOTECH直流稳压电源（型号：LPS-305）5.3测试数据及波形（1）整机功耗测试：整机功耗的测试数据如下表：表1类别待机时识别模块工作时备注供电电压VCC5.00V5.00V平均值供电电流ICC85mA320mA最大值系统功耗Pw（W）0.4251.60最大值从实测数据看，系统的最大功耗Pw = 1.6W 2W，符合题目的要求。（2）数据收发的测试通过测试发现，阅读器在一定范围内可以正确识别应答器的输出数据，本系统中，识别到的数据直接显示在液晶显示器上。在电路中，相关关键点的波形如图8及图9（a）所示。 图8 (a) 图8 (b)图8 (a) 应答器输出数据和阅读器谐振线圈接收到的波形图8 (b) 应答器输出数据和阅读器检波放大电路输出的波形（3）应答器供电的测试：由于系统采用低功耗MCUPIC16LF877A，同时在程序设计时考虑了系统的功耗问题，采用间歇工作方式，平时MCU处于休眠状态，当收到数据时通过外部中断让MCU处于工作状态。实际测量MCU平时的功耗只有几个微安，发送数据时系统耗电最大，只要在发送数据的时间长度上合理控制，就可以保证系统的供电。通过示波器观察，如图9（b所示），虽然应答器在发送数据时工作电源（未稳压前）会下降部分，但是能完整地把
