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无线识别装置（B题）摘要：本无线识别装置以PIC系列单片机（PIC16F777A及PIC16F73）为控制核心，信号采用调幅方式，应答器利用变压器原理实现与阅读器无线通信（反向散射调制），完成应答器的无源识别。系统中数据传输应用了容错编码技术，实现无线识别装置的可靠应答，功耗低，效率高。关键词：无线识别 无源 容错编码Abstract: This wireless identification system use PIC microcontroller (PIC16F777A and PIC16F73) as the controller, achieved through the semi-AM and transponder readers between the wireless communications, the completion of the passive transponder identification. System fault-tolerant data transmission coding technology has been applied to achieve a reliable wireless identification devices response, low power consumption, high efficiency. Keywords: Fault-tolerant encoding Passive RFID一、系统方案1、硬件方案选择方案一、信号调制采用调频方式进行。此方式发射采用电容三点式振荡，发射频率选择比较高的频率，如85MHz等。接收部分使用SONY的CAX1691收音机专用接收芯片，中频采用10.7MHz，市场上可以购买到现成的元件，这样就可比较快的实现功能，但此方案应答器发射电路的电流比较大，难以实现无源的发射。所以不选此方案。方案二、信号调制采用调幅方式进行。根据变压器原理，耦合得到的电压经整流得到直流电压，这样才有可能实现无源的应答器。发射电路在阅读器上,由外接电源提供，可以产生比较大的发射功率。应答器可以通过反向散射调制来实现数据的传递，为提高供电效率，阅读器采用半幅调制。阅读器通过发送ID和数据来改写相应应答器的EEPROM（本系统用FLASH程序存储器）数据。编码和解码都是由单片机的软件实现。所以本系统采用此方案。2、软件方案选择方案一、编码方式一般用引导码后跟随所需数据。引导码采用长时间的高电平与低电平，如长高电平100ms，低电平50ms，数据位用1KHz的矩形波，占空比4/5的为“1”、占空比1/5波为“0”，然后再发送编码数据和检错码（如CRC码）。此种方案如果直接通信而不经过无线调制是比较可靠的。但在此设计中要求要用无线传输，而且如果无线传输编码中有长时间的低电平或高电平，则硬件电路的不易实现整形和解调。所以不采用此方案。方案二、此方案也是采用引导码和检错的方式，但编码的频率是不同的。发送数据“0”时是发200HZ的方波1个周期，发送数据“1”时100HZ方波1个周期。采用引导码+特征码+ID+数据+数据反码，引导码为AAH,连续发8个字节，特征码55H，一个字节ID码，多个数据。此方案只要能识别100Hz和200Hz的频率就可以解出所需的码。引导码识别可以经过多次移位检测出引导码和识别码，而后接收有用的数据，并在数据后再加反码来检测有没有误码。100Hz和200Hz的检波和整形电路也较容易实现。所以软件采用此编码方式。3、整个系统的描述本系统的总体框图如图1.3.1图1.3.1阅读器长时间供电，每隔3秒发编码一次信号，最初0.5S发无编码信号，接着发送应答器的ID码（无码时发全0），再延时0.5S等待应答器发过来的码并接收，接收编码的整个过程大约需1S多，再识别显示。整个过程信号的传输都采用半调幅方式。阅读器线圈过来的电磁通过应答器线圈得到耦合电压，为应答器供电，发送信号时经过线圈反向散射调制来实现编码的传输。识别装置工作流程图见附录三。二、耦合线圈匹配理论本装置以电磁波为载体。通过相互耦由于就任器电源从线圈收到的微弱信号中取得，要求在不影响信号正常接收的前提下电磁波传递能量的效率尽可能高。合的线圈（天线）进行通信。下面分析两个相互耦合的线圈间的关系。图 2.0.0如图所示，发射机用理想电压源Us和输出阻抗Z1等效，L1是发射天线的电感，L2是接收天线的电感，Z2是L2的负载。M是L1、L2间互感，根据电磁学原理和基尔霍夫电压定律。有从式2.1.1可以得到以下两式：或这两个式子分别对应原边到副边和副边到原边的两种不同的等效电路。从图可以看出。当时负载Z2得到的功率最大。此时天线匹配最好。 三、硬件电路设计1、阅读器电路本设计的发射频率为4MHz，直接利用PIC16F877A单片机晶体振荡器产生，高频三极管9018用作射极跟随器，信号经调制后，由高频三极管放大，再经高频三极管C1971进行功率放大，并从10圈的线圈发射出去。线圈输出信号经电容耦合，检波二极管2AP9检出应答器的反向散射调制信号，再由LM358放大和整形后供单片机识别、解码。电路详见附录一。1）、ASK调制 调制级的核心是用作开关的检波管（如图3.1.1）。当ASK控制信号为高电平时，二极管关断，信号流经C20、C21、C6，并在C21中衰减一部分。当ASK控制信号为低电平时，二极管导通，C21相当于被短路，信号几乎无衰减的通过。从而对载波进行振幅键控调制输出端的负载是下级放大器的输入阻抗RL，约为500欧，C20、C6容抗很小。设载波幅度为UC。调制输入为高电平时，负载上得到的电压为：图3。1。1调制输入为低电平时：其中，故调制度为：可见，C21选择合适的值就可以得到合适的调制度。特别地，当C21=0pF时，调制度k=100%2）、高频功放高频功放原理图见附录一，交流等效电路如图3。1。2图3.1.2本电路工作频率为4MHz，相对于9018，C3355，C1971的干截止频率，可以不考虑器件的高频特性。从原理图不难求出由9018构成的射极跟随器，用作阻抗匹配，使单片机的震荡器不因负载过重而停振。其输入阻抗实验表明，这个负载可以被PIC16F877A的震荡器驱动。由于C1971用作丙类放大器，故其输入电阻不易确定。为于便于分析，可以把R视为以 C3355为核心的放大器的输出端内阻，C1971作为其外部负载。则放大器的电压放大倍数放大器输出电阻为300。谐振回路比较简单，不在此计算。末级功率放大器工作于丙类状态，基极馈电采用自给发射极偏置电路。在工作时可以产生发射结负偏压。根据丙类放大器理论和工程实践经验，导通角选择60度到70度，由于C3355输出幅度不可预知，这一点必须通过实验调整。3）、ASK解调具体电路见附录。该部分电路由检波器和整形电路两个单元构成 。本设计采用二极管包络检波，D1用于改善检波效果。本装置传送数据选用100Hz或200Hz的方波信号，而载波频率为4MHz，要求检波器能滤除4MHz的信号，检出200Hzr /的信号，因此RC并联路应满足：即的在满足条件的前提下，RC回路的时间常数应尽可能小。故取图示参数。运放LM358的单元A用作有源带通滤波器。该滤波器的传递函数为：带通滤波器的通频带在和之间软件要求在100Hz200Hz间。在噪声较小的环境中可适当展宽通频带，以改善波形。本设计中，实际通频带为72Hz339Hz。LM358的单元B用作比较器。本设计微控制器的硬件及其接口部分较简单，不攒述。2、应答器电路此电路是通过线圈过来的能量用桥式整流电路整出直流电压作为整机的电源。和应答器接近当阅读器，开始对应答器的储能电容充电，使电压快速上升。阅读器不断发送高频载波,保证应答器可以长期得到能量维持工作。当单片机PIC16F73检测到阅读器无发码时（即全调制），应答器开始向阅读器发编码，编码方式已在软件方案二简述过。当有发码时,应答器就接收阅读器发出的数据，并写到FLASH内，下次可以调用比较。应答器的解码电路通过提取敕流输出电压的包络进行放大，此放大只用一个三极管。电路见附录二。1）、ASK解调以9014为核心。R3、D6为9014提供稳定的偏压，并可补偿9013结电势的温漂。R10用作限流。并可减小从R2、C5进来的信号的损耗。9014导通时最大集电极电流.设应答器ASK有效信号的幅度是0.5V（此条件易满足），那么所以R2取470K。ASK调制电路与解调电路相似，不攒述。拔码开关利用PIC16F73内部上拉电阻，为降低功耗，检测开关状态时才使能上拉电阻。三、系统测试1、调试方法与仅器测试仪器：示波器、万用表、低频信号发生器（产生100Hz和200Hz频率用于早期的单片机软件调试）、单片机开发板等。测试方法：1）硬件调试：先期调试产生3V的电压，供PIC16F73工作。选用100Hz和200Hz的频率调制到电路里中，使发射和接收的方波形没有变形。硬件电路就可以调通了。2）软件调试：先用两个仿真器调试编解码的通信，可以读出对就的码字，而且调试频率分别为100Hz和200Hz，接着把程序写到芯片上，联机通信。2、测试结果：结果如下表阅读器供电电压9V经稳压器给PIC16F877供电为5V电流140mA功率9V 140mA=1.26W应答器耦合整流输出电压3V供电电流100uA线圈距离与显示正确率关系距高（cm）误码率（%）510051006100795895955100以上测试结果均符合或优于题目要求。附录一阅读器原理图附录二应答器原理图附录三应答器得电阅读器接收数据并刷新显示键盘检测应答器发本机ID键盘处理发全“0”要发数据否？发应答器ID应答器接收接收数据阅读器初始化识别