無線識別 劉永來

1、無線識別系統(tǒng)方閣 譚瀟雄 劉利子摘要：本系統(tǒng)基于負載調(diào)制和ASK調(diào)制原理，以超低功耗單片機MSP430F449為控制核心，設計制作了一套無線識別裝置。整個系統(tǒng)由閱讀器、應答器和耦合線圈組成，以4.194304MHz為載波頻率，通過電感耦合方式，以UART異步通信模式實現(xiàn)了閱讀器對應答器的有無、編碼和存儲信息的識別，識別、顯示正確率為100%，響應時間1秒。閱讀器能量傳輸及數(shù)據(jù)傳送經(jīng)ASK調(diào)制方式實現(xiàn)，應答器以模擬開關TS5A3166實現(xiàn)負載調(diào)制來完成與閱讀器的通信。另外，閱讀器采用單電源供電，在識別狀態(tài)時，電源供給功率1.5W，應答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得，整個系統(tǒng)功耗低，電路簡單，功

2、能齊全，性能優(yōu)良。關鍵詞： MSP430F449；二進制振幅鍵控；負載調(diào)制；UART異步通信一、 方案論證與選擇1、 題目任務要求與相關指標分析設計任務要求本系統(tǒng)由閱讀器、應答器和耦合線圈組成，閱讀器能識別應答器的有無、編碼和存儲信息。閱讀器外接單電源，應答器無源工作，使得本題的難點在于電能的無線傳輸、數(shù)據(jù)傳輸及存儲的實現(xiàn)。發(fā)揮部分要求應答器能量通過線圈耦合得到，閱讀器的功耗2W，則電能無線傳輸方案必須高效。應答器從線圈上耦合獲得的電能極為有限，為滿足電路的要求，必須采用盡可能簡單的數(shù)據(jù)傳輸方案以降低應答器功耗。另外，為降低功耗，增大通信距離，電路的設計及器件的選擇也是非常重要的環(huán)節(jié)。 2、

3、方案比較（1） 數(shù)據(jù)編碼、解碼方案的比較與選擇方案一：采用單片機編碼解碼組成無線通信系統(tǒng)，用串口通信方式實現(xiàn)閱讀器和應答器的通信。MSP430系列單片機片內(nèi)具有硬件USART模塊，可以實現(xiàn)非常標準的串行編碼，編碼解碼非常靈活，并且其可以自動從任何一種低功耗模式開始工作。方案二：采用編解碼芯片PT2262與PT2272組成無線通信系統(tǒng)，PT2262接收單片機的按鍵碼制后對其編碼并通過線圈傳送，接收線圈接收信號后輸入PT2272解碼。這種通用串并轉換芯片可以較好的完成4位的二進制數(shù)據(jù)的編解碼，誤碼率低，但可轉換的數(shù)據(jù)位數(shù)有限，且增大了系統(tǒng)的復雜度。盡管單片機編解碼的讀寫距離略小于利用專門編解碼芯片

4、的方案，但是其具有很大的靈活性，且在一定程度上降低了系統(tǒng)功耗，因此設計時選用方案一實現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼解碼。（2） 載波信號產(chǎn)生方案的比較與選擇方案一：采用有源晶振來實現(xiàn)，有源晶振接入電源后即可產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的信號，電路簡單，容易實現(xiàn)，此方案的缺點是只能產(chǎn)生單一頻率。方案二：采用DDS技術來實現(xiàn)，即將正弦波表存入存儲器中，根據(jù)頻率控制字通過尋址查表輸出波形數(shù)據(jù)，再經(jīng)DA轉換恢復原波形。此方案電路復雜，功耗大。綜合比較，系統(tǒng)對頻率沒有具體要求，且無需產(chǎn)生多個頻率，而系統(tǒng)功率受限，因此采用方案一產(chǎn)生載波信號。（3） 閱讀器調(diào)制方案的比較與選擇方案一：采用ASK調(diào)制體系，即利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，

5、而其頻率和初始相位保持不變。此調(diào)制方式可由模擬調(diào)制法和鍵控法實現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)電路簡單，抗干擾性差，功耗較低，需用功放級將調(diào)制后的信號的功率放大。方案二：采用FSK調(diào)制體系，即利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。此調(diào)制方式抗噪聲和衰減性較好，但解調(diào)電路較復雜。方案三：采用PSK調(diào)制體系，即利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息。此調(diào)制方式抗噪聲性能最好，但解調(diào)電路復雜。當通信距離為cm數(shù)量級時，采用適當?shù)慕庹{(diào)方式能減小誤碼率，且從系統(tǒng)的整體設計考慮，應答器設備應盡量減小功耗，簡化電路。因此閱讀器向應答器傳輸數(shù)據(jù)時以ASK調(diào)制方式實現(xiàn)。（4） 應答器調(diào)制方案的選擇與比較方案一：直接調(diào)制，即采用二進制數(shù)字調(diào)制

6、，其發(fā)射功率較大，傳輸距離較遠。但電路相對復雜，所需供電功率較大，影響識別距離。方案二：負載調(diào)制，即根據(jù)變壓器的性質(zhì)，通過改變副邊線圈的阻抗來改變其在原邊線圈的反射阻抗，進而影響線圈上的電壓特性。負載調(diào)制實現(xiàn)電路簡單，在耦合距離內(nèi)，解碼的準確率高。直接調(diào)制法所耗功率大，電路復雜。而負載調(diào)制原理簡單，能量利用率高，利用包絡檢波就可以得到很好的解調(diào)波形。比較兩種方案，應答器向閱讀器傳輸數(shù)據(jù)時采用負載調(diào)制實現(xiàn)。二、 系統(tǒng)整體框圖整個系統(tǒng)由閱讀器、應答器和耦合線圈組成，閱讀器主要包括ASK調(diào)制模塊、檢波解調(diào)模塊及功率放大模塊，應答器主要包括整流穩(wěn)壓模塊、ASK解調(diào)模塊及負載調(diào)制模塊。應答器通過對模擬開

7、關的通斷控制來實現(xiàn)負載調(diào)制以傳輸編碼信號，閱讀器接收信號后先進行包絡檢波，再經(jīng)過放大整形得到編碼信號，并在LCD上顯示。閱讀器以ASK調(diào)制方式向應答器傳輸能量和數(shù)據(jù)，應答器線圈上的耦合能量經(jīng)整流穩(wěn)壓后提供電能，由包絡檢波恢復出數(shù)據(jù)并存儲于單片機中。系統(tǒng)整體框圖如下：圖2.1 閱讀器組成框圖圖2.2 應答器組成框圖三、 理論分析1. 耦合線圈電路設計與分析耦合線圈有串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路兩種，串聯(lián)諧振回路電路簡單，激勵可用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流，適合于閱讀器；而并聯(lián)諧振回路在諧振時，電感和電容支路中電流最大，回路兩端可獲得最大電壓，對于應答器獲取能量很有必要。耦合線圈電路

8、如圖3.1所示：圖3.1 耦合線圈諧振電路根據(jù)題意繞制的耦合線圈電感的實測值約為12.4uH和12.6uH，諧振頻率為4.1943MHz，根據(jù)諧振公式，可算得C1和C2的值分別為116pF,114pF。2. 負載調(diào)制的原理分析應答器至閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，對高頻段電感耦合系統(tǒng)來說是一種變壓器磁場耦合模型，即作為初級線圈的讀寫器和作為次級線圈的應答器之間的耦合。理論上，只要線圈之間的距離不大于0.16倍波長，并且應答器處于發(fā)送線圈的近場之間，變壓器耦合就有效，負載調(diào)制便可實現(xiàn)。系統(tǒng)載波頻率為4.1943MHz，其波長為71.5m，而題目中兩線圈之間的距離為十幾個cm的數(shù)量級，遠小于0.16倍波長，因

9、此負載調(diào)制可以實現(xiàn)。在電感耦合方式的系統(tǒng)中，負載調(diào)制有電阻負載調(diào)制和電容負載調(diào)制，設計時采用電阻負載調(diào)制，原理電路如圖3.2所示：圖3.2 電阻負載調(diào)制的原理圖二進制數(shù)據(jù)編碼信號用于控制開關S。當二進制數(shù)據(jù)編碼信號為1時，開關S閉合，則此時應答器負載電阻為RL和Rmod并聯(lián)；當二進制數(shù)據(jù)編碼信號為0時，開關S斷開，應答器負載電阻為RL。所以在電阻負載調(diào)制時，應答器的負載電阻值有兩個對應值，即RL（S斷開時）和RL與Rmod的并聯(lián)值RL/Rmod（S閉合時），其在閱讀器的反射阻抗也有對應變化。電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸過程如圖3.3所示。圖中，(a)是應答器上控制開關S的二進制數(shù)據(jù)編碼信息；(d)

10、是對閱讀器電感線圈上電壓解調(diào)后的波形。圖3.3 電阻負載調(diào)制實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程四、 主要功能模塊設計（一）閱讀器主要模塊設計1.ASK調(diào)制模塊閱讀器向應答器傳遞能量和傳輸數(shù)據(jù)時，以ASK調(diào)制方式實現(xiàn)。ASK調(diào)制時的載波信號由有源晶振提供。編碼數(shù)據(jù)由單片機MSP430F449的串口送出，以控制模擬開關的通斷來實現(xiàn)ASK調(diào)制。為提高能量傳輸效率，應盡量提高碼元傳輸速率，但碼元傳輸速率也不能太大，否則容易產(chǎn)生碼間串擾。實際調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)當波特率為9600 Bps時傳輸效果最好。具體電路圖如下所示：圖4.1 ASK調(diào)制電路圖2.功率放大模塊由于整個系統(tǒng)的功率2W，為提高發(fā)射效率，發(fā)射部分的功率放大芯片采

11、用TI公司生產(chǎn)的一款高速MOS驅(qū)動器UCC37321實現(xiàn)，以保證發(fā)射功率。UCC37321在10nF的負載上具有20ns的開關速度，輸出電流峰值可達9A，外圍電路簡單，用作驅(qū)動器時效果非常理想。具體電路圖如下所示：圖4.2 功率放大電路3. 閱讀器解調(diào)模塊為防止包絡檢波電路改變耦合線圈的Q值，使線圈的諧振狀態(tài)發(fā)生變化，采用松耦合的方式，在耦合線圈和檢波電路之間接入一個30pF的電容。檢波得到的信號非常微弱，為提高接收電路的靈敏度，增大閱讀器和應答器之間的通信距離，在后級將檢波后的信號放大。放大電路采用開環(huán)放大，并在信號輸入端使用0.1uF電容接地，以濾除干擾信號。放大器的輸出經(jīng)整形后送入單片機

12、串口，以提高解碼的準確率。具體電路圖如下所示：圖4.3 閱讀器解調(diào)電路（二）應答器主要模塊設計1.負載調(diào)制模塊由于線圈通過空氣耦合的互感系數(shù)很小，為了達到最大程度的負載調(diào)制效果，必須使負載阻抗的變化盡可能大。因此選擇了導通電阻很低的高頻模擬開關TS5A3166并聯(lián)在應答器線圈兩端，用應答器的編碼數(shù)據(jù)來控制模擬開關的通斷，以改變等效到原邊的負載，引起原邊的電壓變化。在實際調(diào)試過程中，為避免模擬開關導通電阻過小而對負載造成短路狀態(tài)，在模擬開關回路中串接入一電位器，并調(diào)節(jié)其阻值以達到最佳負載調(diào)制結果。具體電路圖如下所示：圖4.4 負載調(diào)制模塊2.整流穩(wěn)壓模塊應答器作為無源設備，能量由線圈耦合得到，為

13、提高整流效率，采用單相橋式全波整流電路，整流二極管采用低壓降鍺管1N60。交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。為了得到較為理想的直流輸出，在整流之后采取濾波措施。濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓不能突變的特性, 將電容與負載并聯(lián)，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。在濾波電路之后接入3.3V的穩(wěn)壓管，防止應答器距離閱讀器過近時，經(jīng)整流穩(wěn)壓后的輸出電壓值過大。具體電路如下所示：圖4.5 整流穩(wěn)壓電路3.應答器解調(diào)模塊對于閱讀器發(fā)送的編碼信號，應答器采用包絡檢波法解調(diào)，電路簡單，功耗低，滿足應答器設備的功耗要求。電路由

14、二極管電路和電容電阻組成，當電容放電速度大于充電速度時，其兩端的電壓可以保持在最大電壓處從而實現(xiàn)峰值檢波。圖中二極管D2用于鉗位，以抬升輸出電壓值。當信號幅度較小時，經(jīng)過二極管檢波后易引入噪聲，由TLC372構成的單限閥值比較器可以去除毛刺，提高數(shù)據(jù)解碼的準確性。具體電路如下所示：圖4.6 應答器解調(diào)電路五、 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計時，以MSP430單片機作為控制核心，利用其串口通信模式設置通信協(xié)議來完成數(shù)據(jù)的編解碼。軟件流程圖如下：圖5.1（a）閱讀器部分軟件流程圖 圖5.1（b）應答器部分軟件流程圖六、 數(shù)據(jù)測試與分析1. 閱讀器電源供給功率測量測量步驟：分別對閱讀器供、斷電5次，每次測

15、量電源電壓和供電電流，重復測量3次，計算得出每次電源的供電總功率，然后取平均值。所測得的數(shù)據(jù)如表6.1所示：表6.1閱讀器電源供給功率測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345平均值電壓/V6.56.56.56.56.56.5電流/A0.190.200.200.210.220.20功率/W1.231.301.301.361.431.32測量結果分析：閱讀器電源供給功率2W，在功耗方面滿足要求。2. 應答器有無識別功能測試測量步驟：固定閱讀器，接通電源，應答器無源工作。將應答器由遠及近緩慢移動，同時觀察閱讀器電路指示燈。該燈不停閃爍，表明識別到應答器，當燈停止閃爍時，停止移動應答器并標記該位置，再反方向緩慢移動

16、應答器至燈再次閃爍，標記此時位置。記錄兩次識別時線圈的間距平均值。用秒表記錄從閱讀器接通電源到閱讀器指示燈閃爍的時間間隔。重復5次，計算出平均耦合線圈最大間距及識別時間。所測得的數(shù)據(jù)如表6.2所示：表6.2 應答器有無識別功能測試數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345平均值響應時間/s0.80.90.91.01.00.92準確率100%100%100%100%100%100%最大間距/cm55.35.55.55.75.5測量結果分析：應答器無源工作時，識別其有無的距離可達5.5cm，識別正確率為100%，識別時間1s。3. 應答器編碼預置功能測試測量步驟：固定閱讀器，接通電源，應答器無源工作。預置應答器的4位

17、二進制編碼數(shù)據(jù)，按下發(fā)送鍵并將其由遠及近緩慢移動直至閱讀器正確顯示全部編碼，用秒表記錄應答器發(fā)送編碼至閱讀器正確顯示編碼的時間間隔，重復5次。計算出平均識別時間。所測得的數(shù)據(jù)如表6.3所示：表6.3應答器編碼預置功能測試數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345應答器預置值00001101010110010110閱讀器測得值00001101010110010110響應時間/s0.70.80.80.90.7測量結果分析：應答器無源工作時，系統(tǒng)的識別精確度很高，識別準確率可達100%，響應時間1s，編碼數(shù)據(jù)識別距離最大3.0cm。4. 應答器信息存儲功能測試測量步驟：固定閱讀器，接通電源，應答器無源工作。預置閱讀器的4位二進制編碼數(shù)據(jù)，按下發(fā)送鍵，斷開裝置電源后再接通電源，應答器發(fā)送存儲信息，并由遠及近緩慢移動直至閱讀器正確顯示全部編碼。重復5次，計算出平均識別距離。所測得的數(shù)據(jù)如表6.4所示：表6.4應答器信息存儲功能測試數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345閱讀器預置值10001001110000010101閱讀器測得值10001001110000010101測量結果分析：應答器具有信息存儲功能，其存儲容量大于兩個四位二進制數(shù)。裝置斷電后，應答器存儲的信息不丟失，并且閱讀器能準確識別存儲信息。系統(tǒng)具有在閱讀器端寫入、讀出應答器存儲信息的功能，識別精確度很高，識別