无线识别装置 张晓波 操振兴 陆坤.doc

无线识别装置摘要:作者：张小波 操振兴 陆坤指导老师：郑娟 、査长军、张倩、段惠敏 本设计为一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成。主要基于pt2262编码器和pt2272解码器为核心，射频卡以有源方式利用ASK调制将应答器所携带的信息调制并耦合出去,载波频率为4MHZ。应答器使用四个按键拨码开关进行编码设置，当任意按键拨下时，电路导通，开始工作，PT2262读取拨码开关值，并通过串口发送编码信号，此时有源晶振产生载波信号，编码信号再经ASK调制，从耦合线圈L1辐射出去。阅读器部分包括选频滤波、信号放大、包络检波、低通滤波以及解码显示等电路，选频滤波部分将应答器发出的信号接收交由LM3583构成的放大器进行信号放大；放大后的信号通过二极管包络检波电路检出并送至低通滤波电路得到所需的基带信号；再由PT2272解码芯片对该信号进行解码并通过显示电路识别出应答器发出的信息。整个电路具有结构简单、低功耗、低成本的特点，可用于读取一般的射频卡，识别距离可达56cm，能够应用于普通门禁、公交等系统中。关键词： ASK；PT2262/PT2272；耦合线圈；应答器；信号放大；滤波一.引言近年来，随着芯片技术，天线技术以及计算机技术的不断发展，RFID系统的体积，功耗越来越小，成本越来越低，功能日趋灵活，操作快捷方便，加上其擅长多目标识别，运动目标识别，方便物品跟踪和物流管理的突出特点，RFID系统日益广泛的应用于各种生产生活场所，扮演着越来越重要的角色，被评为“带来了一个进化的无线市场”。本设计的方案和任务如下：1、设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。系统方框图如下图一所示：2、装置中阅读器、应答器均具有无线传输功能，频率和调制方式自由选定。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。装置中的耦合线圈为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。线圈直径为6.60.5cm（可用直径6.6cm左右的易拉罐作为骨架，绕好取下，用绝缘胶带固定即可）。线圈间的介质为空气。两个耦合线圈最接近部分的间距定义为D。阅读器、应答器不得使用其他耦合方式。相关要求如下： 1、基本要求（1）应答器采用5V电源供电，阅读器用外接单电源供电。阅读器采用发光二极管显示识别结果，能在D尽可能大的情况下，识别应答器的有无。识别正确率80%，识别时间5秒，耦合线圈间距D5cm。（2）应答器增加编码预置功能，可以用开关预置四位二进制编码。阅读器能正确识别并显示应答器的预置编码。显示正确率80%，响应时间5秒，耦合线圈间距D5cm。 2、发挥部分（1）应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得（通过对耦合到的信号进行整流滤波得到能量），不允许使用电池及内部含有电池的集成电路。阅读器能正确读出并显示应答器上预置的四位二进制编码。显示正确率80%，响应时间5秒，耦合线圈间距5cm。（2）阅读器采用单电源供电，在识别状态时，电源供给功率2W。在显示编码正确率80%、响应时间5秒的条件下，尽可能增加耦合线圈间距D。（3）应答器增加信息存储功能，其存储容量大于等于两个四位二进制数。装置断电后，应答器存储的信息不丢失。无线识别装置具有在阅读器端写入、读出应答器存储信息的功能。（4）其他。二：系统设计2.1设计思路为达到设计要求，对于无线识别装置本设计采用这样的设计思想：阅读器所需电能由单电源供电， PT2262读取拨码开关值并对其进行编码，编码信号经过ASK调制后由振荡电路发射出去，此时阅读器线圈感应到由应答器发送来的编码信号通过检波电路检波和滤波整形之后发送给PT2272，PT2272对编码信号进行解码并在发光二极管上显示，二极管的显示与应答器的拨码开关值相对应，这样就完成了无线识别。2.2无线识别装置方案论证与比较2.2.1 系统方案2.1总体方案论证与比较方案一：如图1所示，采用单片机与有源晶振振荡器组成无线识别系统。阅读器：用串口通信方式扫描应答信号，接受到应答信号后，判别其是否有效，若有效则显示应答器信息，由发光二极管显示。应答器读取拨码开关状态，发送应答信号。特点：采用单片机异步串口通信方式，具有较高的显示正确率。但对于本设计任务，考虑到耦合能量有限，不足以驱动单片机。该方案不太合适。 89S5289S52耦合线圈耦合线圈无线传输应答器阅读器图1 无线识别装置方案一方框图振荡器拨码开关发光二极管检波整形 方案二：如图2所示，采用PT2262编码芯片，与PT2272解码芯片组成无线识别系统。应答器通过四位拨码开关进行卡号设置，PT2262对卡号进行编码并通过耦合线圈发射出去；阅读器通过耦合线圈接收信号并交给PT2272解码芯片译码输出应答器卡号，由发光二极管显示。特点：系统组成简单，成本低，功耗小，且PT2262起始工作电压低非常适合能量供应有限的场合。发光二极管PT2272解码单电源滤波整形包络检波接收信号功率放大图2 无线识别装置方案二方框图结合以上分析实际情况，我们采用方案二。3.无线识别装置各主要电路设计3.1 阅读器总体电路图3.2 应答器电路图这个模块介绍的是无线识别应答器的工作原理。如图3所示，应答器使用四个按键拨码开关进行编码设置，当任意按键拨下时，电路导通，开始工作，PT2262读取拨码开关值，并通过串口发送编码信号，此时有源晶振产生载波信号，编码信号再经ASK调制，从耦合线圈L1辐射出去。图3 应答器电路原理图3.3耦合线圈的匹配理论耦合线圈的匹配主要采用磁场耦合，通过电感与电容发生LC谐振。在指定的频率下，可以通过改变电感大小或者电容大小，从而达到谐振频率。当两个线圈发生谐振并且靠得比较近时，其中一个线圈里的电流所产生的磁场在另一个线圈中产生感应电动势。本设计中的耦合线圈根据大学生电子竞赛的要求采用直径约为0.5mm的漆包线密绕10圈形成直径为6.5cm的线圈，线圈总长2.14米，厚度为5mm。由圆形线圈的电感计算公式： （3-1）其中：N为线圈匝数；r为线圈的半径(cm)；b为线圈绕制的长度（cm）；c为线圈的厚度(cm)；耦合线圈1、2的电感计算值为14.1uH，实际测量两个线圈电感值都为11.2uH,可以看出电感线圈的计算值与实际值非常接近。线圈与可变电容组成并联谐振回路，线圈电感为11.2uH,可变电容容量为525PF，根据谐振频率公式： （4-2）可得谐振频率为：21MHZ到9MHZ之间。对回路进行谐振频率测量得到谐振频率为11.4MHZ。因而，阅读器采用4.000MHZ有源晶振产生接近与谐振频率的能源载波频率。应答器也采用4.000MHZ有源晶振作为载波频率。3.4 PT2262编码单元及PT2272解码单元在本设计中PT2262和PT2272是实现无线识别装置中识别的重要的两个芯片，PT2262用在应答器当中，用来读取拨码开关值并对其进行编码，而PT2272用在阅读器部分，是对应答器发送来的编码信号进行解码并在发光二极管上显示，显示结果与拨码开关值相同则实现了识别的功能。PT2262/2272芯片是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码芯片，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码。.图5 PT2262引脚图3.5无线识别装置工作流程图3.5.1阅读器流程如图6所示3.5.2应答器流程如图7所示 图6 阅读器流程图 图7 应答器流程图4.1基带信号与解调信号调试与测试4.2整机调试与测试4.2.1识别正确率测试测试方法：阅读器接+5V外接电源，将阅读器与应答器之间耦合线圈距离设置为5cm，拨动拨码开关改变应答器编码，观察阅读器显示输出的识别结果。测试时间：2011-7-15测试结果：（见表1） 表1 识别正确率与识别时间测试结果测试次数应答器编码阅读器识别结果101110111201010101301100110411011101511111111测试结果分析：在距离为5厘米的情况下，识别正确率率为100%，误码率为0。4.2.2识别距离测试测试方法：阅读器接+5V外接电源，将阅读器与应答器之间耦合线圈起始距离设置为1cm并且测试5次，然后记下正确率。然后逐次增加识别距离，每次增加0.5cm，重复上一次的过程。直到识别正确率80%，此时，耦合线圈之间的距离即为本识别装置的最大识别距离。测试时间：2011-7-15测试结果：（见表2）表2 识别距离测试结果测试组数识别距离（cm）识别正确率（%）第一组1100第二组1.5100第三组2100第四组2.5100第五组3100第六组3.5100第七组4100第八组4.5100第九组5100第十组5.5 80 第十一组60由表中的所数据课可知：该装置可以识别的距离为5.5厘米，当距离大于5.5厘米时该装置的识别正确率将大大降低！5 结语我们的设计完成了题目中的基本部分和部分发挥部分，电感耦合线圈在应答器与阅读器之间传送信息，实现了识别应答器有无信息。利用拨码开关实现了应答器编码预置四位二进制编码，阅读器能正确识别并显示应答器上预置编码。以上实现了基本功能，无线传输采用电感耦合。在测试中由于电感线圈受到外界磁场的影响会产生波形的失真和丢失，在没有干扰的情况下可以产生和恢复正常的波形，并且可以显示正确率大于