1、1、無線識(shí)別設(shè)備作品分析，2008-7-11，2007年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)比賽通信，高頻團(tuán)隊(duì)全體隊(duì)員，2、無線識(shí)別設(shè)備任務(wù)設(shè)計(jì)和無線識(shí)別設(shè)備集制作。牙齒裝置由圖1所示的讀取器、應(yīng)答器和耦合線圈組成。讀取器可以識(shí)別有無應(yīng)答器、編碼和存儲(chǔ)信息。閱讀器轉(zhuǎn)發(fā)器耦合線圈外部訂購電源供應(yīng)裝置。圖1無線識(shí)別設(shè)備框圖，3，無線識(shí)別設(shè)備操作說明設(shè)備讀取器、應(yīng)答器都可以自由選擇無線傳輸功能、頻率和調(diào)制方式。不能使用現(xiàn)有射頻識(shí)別卡或用于識(shí)別的專用芯片。設(shè)備的耦合線圈是直徑小于1毫米的漆包線或帶有絕緣外殼的導(dǎo)線，緊密纏繞10圈的圓形空心芯線圈。線圈直徑6.60.5厘米(可用作直徑6.6厘米左右的易拉罐骨架，纏繞后移除

2、，并固定絕緣膠帶)。線圈之間的介質(zhì)是空氣。兩個(gè)耦合線圈最近部分的間距由d定義。閱讀器、轉(zhuǎn)發(fā)器不能使用其他耦合方法。4，基本要求1，應(yīng)答機(jī)用兩個(gè)1.5V干電池供電，讀取器用外部訂貨電源供電。讀取器可以使用發(fā)光二極管標(biāo)記識(shí)別結(jié)果，在D盡可能大的情況下識(shí)別是否有應(yīng)答器。識(shí)別精度為80%，識(shí)別時(shí)間為5秒，耦合線圈間距為D5cm。2、應(yīng)答器通過添加編碼字典設(shè)置功能，可以字典使用交換機(jī)設(shè)置4位二進(jìn)制代碼。讀取器可以正確識(shí)別和顯示應(yīng)答器的字典設(shè)置代碼。顯示精確度80%、反應(yīng)時(shí)間5秒、管接頭線圈間隙D5cm。5，部分1，應(yīng)答器所需的電源能量均可從耦合線圈中獲得(通過對(duì)組合信號(hào)的整流濾波器獲得能量)，不允許使用

3、包含電池和內(nèi)部電池的集成電路。讀取器可以正確讀取和顯示應(yīng)答器中預(yù)設(shè)的4位二進(jìn)制代碼。顯示精確度80%、反應(yīng)時(shí)間5秒、管接頭線圈間隙D5cm。(21) 2，讀取器使用電源供應(yīng)功率2瓦來識(shí)別單個(gè)電源供電、狀態(tài)。在弦精度為80%、響應(yīng)時(shí)間為5秒的情況下，最大限度地增加耦合線圈間距D。(20) 3，應(yīng)答器添加存儲(chǔ)容量大于2 4位二進(jìn)制數(shù)的信息存儲(chǔ)功能。設(shè)備斷電后，應(yīng)答器中存儲(chǔ)的信息不會(huì)丟失。無線識(shí)別設(shè)備具有讀取讀取器端的應(yīng)答器和存儲(chǔ)信息的功能。(5) 4，其他，6，核心技術(shù)分析，牙齒問題的難點(diǎn)在于發(fā)揮部分實(shí)現(xiàn)。(。主要是與電力的無線傳輸、資料傳輸和存儲(chǔ)有關(guān)的問題。為了發(fā)揮部分要求，如果應(yīng)答器是線圈耦合

4、供電，閱讀器的功耗為2瓦，則電力無線傳輸方式必須有效。應(yīng)答機(jī)在線圈中組合的功率極有限。一般無線資料傳輸解決方案難以滿足供電電路要求，因此應(yīng)使用盡可能簡單的資料傳輸方案來減少應(yīng)答器功耗。此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分對(duì)存儲(chǔ)的功耗要求很高，因此設(shè)備選擇也是非常重要的部分。7，系統(tǒng)范圍的塊圖表，圖2無線識(shí)別設(shè)備系統(tǒng)塊圖表，8，選擇應(yīng)答器類型，方案1:使用活動(dòng)應(yīng)答器，即應(yīng)答器僅使用電池供電。使用自己的電源供應(yīng)設(shè)備，電路操作穩(wěn)定，可以使用多種調(diào)制方式，應(yīng)答器可以發(fā)送更大功率的信號(hào)，通信距離很遠(yuǎn)。但是受電池工作時(shí)間限制，不能長期使用。案例2:使用手動(dòng)回應(yīng)程式。也就是說，應(yīng)答器的電源完全由領(lǐng)導(dǎo)者提供。由于所有外部無線供

5、電的使用，供電功率非常小，對(duì)應(yīng)答機(jī)的低功耗要求很高，因此調(diào)制方式的選擇和通信距離也受到限制。方案易于實(shí)現(xiàn)，但只能滿足本問題的基本要求，為了完成發(fā)揮部分，建議選擇方案2。9，能量耦合和諧振頻率選擇，手動(dòng)應(yīng)答機(jī)方案的核心是能量耦合。通過線圈傳輸能量時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)者的第一線圈和應(yīng)答器的第二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，耦合線圈必須在二次線圈能獲得最大能量的復(fù)雜諧振狀態(tài)下工作。纏繞問題的耦合線圈電感實(shí)測值約為13uH。載波頻率高，共振的電容大小可能很小，分布式電容影響下調(diào)試可能很困難。載波頻率低會(huì)降低能量釋放和耦合的效率。綜合考慮選擇4MHz托架。10，匹配耦合線圈的諧振

6、，前導(dǎo)無線輸出端使用發(fā)射線圈(電感)和電容連接形成諧振電路。在串聯(lián)諧振公式中，匹配的電容C約為120pF，可以通過選擇一個(gè)100pF和333pF的可曹征電容并行獲得。為了獲得更大的電壓，為了提高應(yīng)答機(jī)諧振電路Q值，應(yīng)答機(jī)使用并行諧振電路，從而使低壓降調(diào)節(jié)器芯片能夠在更遠(yuǎn)的距離工作。耦合線圈諧振電路圖表3中所示。圖3無線識(shí)別設(shè)備耦合器線圈共振電路圖表，11，調(diào)制方案比較，方案1:負(fù)載調(diào)制系統(tǒng)在HF段工作，耦合部分應(yīng)分析為變壓器模型。使用變壓器的特性，可以通過將輔助(應(yīng)答器)線圈折疊到原始(讀取器)線圈來更改輔助負(fù)載的大小，從而更改原始邊緣的電壓特性。這就是負(fù)載調(diào)制效果。方案2:直接調(diào)制直接使用F

7、SK、ASK等調(diào)制。發(fā)射功率比較大，傳輸距離比較遠(yuǎn)。但是，由于相對(duì)復(fù)雜的電路，所需的供電功率大可能會(huì)影響識(shí)別距離。直接調(diào)制方法消耗太多電力，具有電路復(fù)雜性。負(fù)載調(diào)制原理簡單，能量利用率高，電源控制良好，使用包絡(luò)檢波可以獲得良好的曹征波形。調(diào)制方案建議采用方案1。12，負(fù)載調(diào)制方式論證，從應(yīng)答器到閱讀器的資料傳輸，高頻電感耦合系統(tǒng)的變壓器磁場耦合模型，即第一線圈讀者和第二線圈應(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，并且響應(yīng)器位于發(fā)送天線的近場之間，變壓器耦合就有效。只要兩個(gè)線圈之間有聯(lián)接器，負(fù)載就可以調(diào)制。我們選擇的負(fù)載頻率為4MHz，波長為7.5米，標(biāo)題中兩個(gè)線圈之間的

8、距離遠(yuǎn)小于10多個(gè)cm的數(shù)量級(jí)，0.16波長，因此可以使用負(fù)載調(diào)制。13，負(fù)載調(diào)制(1)，所謂耦合電路由兩個(gè)影響徐璐的單振動(dòng)電路組成。其中，訪問信號(hào)源的回路稱為主回路，連接的回路連接負(fù)荷稱為次回路。主回路和次回路之間的聯(lián)接器分為電感聯(lián)接器和電容聯(lián)接器。這里主要介紹電感聯(lián)接器。在耦合電路中，第一能量和功率通過磁場耦合到第二級(jí)，并且第一和第二效果等同于連接到其他電路的電抗元素(反射阻抗)。二次與一次反射電阻Z=，反射阻抗與二次回路的阻抗反比。14、負(fù)載調(diào)制(2)、負(fù)載調(diào)制是通過改變二次電路阻抗改變反射阻抗、改變一次電壓、改變一次負(fù)載電壓的幅度調(diào)制。15，負(fù)載調(diào)制(3)，線圈通過空氣耦合的相互電感系

9、數(shù)較小，因此，為了最大限度地提高負(fù)載調(diào)制效果，應(yīng)盡量大幅度地進(jìn)行負(fù)載變化。因此，可以選擇使用傳導(dǎo)電阻極低的高頻模擬開關(guān)并行連接到應(yīng)答器線圈的兩端。使用應(yīng)答器的編碼數(shù)據(jù)控制模擬開關(guān)的阻塞，改變與原始側(cè)等效的負(fù)載，從而引起原始側(cè)的電壓變化。因此，您可以使用簡單的包絡(luò)檢查電路來調(diào)整原始側(cè)的電壓變化。也就是說，可以獲取應(yīng)答器的編碼數(shù)據(jù)。在牙齒系統(tǒng)中，控制應(yīng)答器電源和接地之間的模擬開關(guān)以更改Z，接通時(shí)接近阻抗0，反射阻抗數(shù)無限。收尾時(shí)電阻指南大，反射阻抗大小小。初級(jí)電路的等效阻抗變化大，負(fù)載調(diào)制的效果明顯。16，數(shù)據(jù)編碼，解碼方案，方案1:微控制器編解碼器。微控制器，尤其是微控制器特有的UART串行接口

10、，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種邏輯，因此編碼解碼非常靈活。特別是，固有的UART串行接口允許非常標(biāo)準(zhǔn)的串行編碼。但是，由于微控制器功耗大，響應(yīng)器端對(duì)檢測電磁場供電的依賴度高，響應(yīng)器和讀取器之間的有效通信距離會(huì)受到很大影響。場景2:使用通用字符串并轉(zhuǎn)換籌碼編解碼器。牙齒通用字符串和籌碼交換可以更好地完成4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的編解碼器，功耗低，工作環(huán)境要求低。缺點(diǎn)是可轉(zhuǎn)換的并行數(shù)據(jù)位數(shù)有限。17，選擇數(shù)據(jù)編碼、解碼方案，通常應(yīng)在方案2已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上考慮方案1。因?yàn)樵跓o線識(shí)別這個(gè)話題上，認(rèn)識(shí)到的距離和響應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵。因此，考慮到功率余量和標(biāo)題分?jǐn)?shù)的取舍，優(yōu)先采用第二種方案，實(shí)現(xiàn)簡單的4位二進(jìn)制編碼、解碼功能，然后

11、通過加入微控制器提供更多的擴(kuò)展功能。微控制器方案的讀寫距離比使用特殊字符串和轉(zhuǎn)換編碼和解碼芯片的方式略小，但是可以設(shè)置籌碼ID，并且具有在籌碼內(nèi)部存儲(chǔ)特定數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的靈活性。低功耗微控制器(例如MSP430)可以在一定程度上彌補(bǔ)微控制器方案中的功耗問題。18，選擇載波生成方案，方案1:使用源確定方。電源晶振只要加上電源，就能產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生隨機(jī)頻率的載波。案例2:直接數(shù)位頻率合成(DDFS)。將正弦表存儲(chǔ)在內(nèi)存中，通過尋址祖懷表輸出波形數(shù)據(jù)，然后通過DA轉(zhuǎn)換過濾器恢復(fù)原始波形。牙齒程序的缺點(diǎn)是復(fù)雜的電路，功耗更大。案例3:使用LC震動(dòng)產(chǎn)生所需的頻率。方案論證：從標(biāo)題要求來

12、看，對(duì)頻率沒有具體要求，不需要生成多個(gè)頻率。建議使用方案1，因?yàn)檠例X集的系統(tǒng)功率有限。19，領(lǐng)導(dǎo)者曹征方案選擇，方案1:包絡(luò)檢查法，最簡單的幅度調(diào)制曹征方法。優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。缺點(diǎn)是靈敏度和線性度不夠高。方案2:具有減少或消除相位差異對(duì)接收信號(hào)的影響的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要一系列電路，例如載波提取(例如，增加整個(gè)電路的功耗和復(fù)雜性)。方案論證：設(shè)計(jì)中識(shí)別距離比較近，檢測信號(hào)較強(qiáng)，包絡(luò)檢測法能完成解調(diào)功能，電路也簡單，功耗低。綜合考慮選擇方案1。20，選擇讀取器放大器方案，應(yīng)答器通過無線耦合供電，因此，讀取器的發(fā)射功率要求較高，必須使用功率放大器來提高發(fā)射功率。案例1:使用合并籌碼?？梢允?/p>

13、用許多現(xiàn)有的高頻大功率集成放大器(如AD815)設(shè)計(jì)高頻放大器。集成功率放大器的特點(diǎn)是穩(wěn)定性高，需要調(diào)整的參數(shù)數(shù)少，效率低(集成功率放大器通常使用線性放大)，不能滿足功耗和傳輸距離的系統(tǒng)要求。場景2:使用離散元件的c類放大器。采用單個(gè)組件的高頻電路受分布參數(shù)影響，不易曹征，但其電路結(jié)構(gòu)比較靈活。徐璐可以對(duì)應(yīng)不同要求的信號(hào)，徐璐可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的放大機(jī)，輸出功率可以設(shè)計(jì)，價(jià)錢也比較便宜。21，讀者放大器節(jié)目論證，在標(biāo)題中將整個(gè)系統(tǒng)的功耗限制為2W，假設(shè)發(fā)射功率為1W，C發(fā)射效率為75，則功率放大器消耗的功率為330mW，但在實(shí)際應(yīng)用中，C發(fā)射效率達(dá)不到75，因此輸出功率應(yīng)該有一定的余量。功率放大器三極管采用C1970，其集電極消耗力達(dá)5W，功率增益大于9.2dB，足以滿足標(biāo)題的要求。另外，為了從天線線圈中獲得盡可能大的功率，需要功率放大器最后階段的阻抗匹配。22，閱讀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)(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曹征電路等。下面介紹。載波發(fā)生和驅(qū)動(dòng)