無(wú)線識(shí)別 劉永來(lái)

1、無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)方閣 譚瀟雄 劉利子摘要：本系統(tǒng)基于負(fù)載調(diào)制和ASK調(diào)制原理，以超低功耗單片機(jī)MSP430F449為控制核心，設(shè)計(jì)制作了一套無(wú)線識(shí)別裝置。整個(gè)系統(tǒng)由閱讀器、應(yīng)答器和耦合線圈組成，以4.194304MHz為載波頻率，通過(guò)電感耦合方式，以UART異步通信模式實(shí)現(xiàn)了閱讀器對(duì)應(yīng)答器的有無(wú)、編碼和存儲(chǔ)信息的識(shí)別，識(shí)別、顯示正確率為100%，響應(yīng)時(shí)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(shí)現(xiàn)，應(yīng)答器以模擬開(kāi)關(guān)TS5A3166實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)制來(lái)完成與閱讀器的通信。另外，閱讀器采用單電源供電，在識(shí)別狀態(tài)時(shí)，電源供給功率1.5W，應(yīng)答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得，整個(gè)系統(tǒng)功耗低，電路簡(jiǎn)單，功

2、能齊全，性能優(yōu)良。關(guān)鍵詞： MSP430F449；二進(jìn)制振幅鍵控；負(fù)載調(diào)制；UART異步通信一、 方案論證與選擇1、 題目任務(wù)要求與相關(guān)指標(biāo)分析設(shè)計(jì)任務(wù)要求本系統(tǒng)由閱讀器、應(yīng)答器和耦合線圈組成，閱讀器能識(shí)別應(yīng)答器的有無(wú)、編碼和存儲(chǔ)信息。閱讀器外接單電源，應(yīng)答器無(wú)源工作，使得本題的難點(diǎn)在于電能的無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)。發(fā)揮部分要求應(yīng)答器能量通過(guò)線圈耦合得到，閱讀器的功耗2W，則電能無(wú)線傳輸方案必須高效。應(yīng)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(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸方案以降低應(yīng)答器功耗。另外，為降低功耗，增大通信距離，電路的設(shè)計(jì)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(jī)編碼解碼組成無(wú)線通信系統(tǒng)，用串口通信方式實(shí)現(xiàn)閱讀器和應(yīng)答器的通信。MSP430系列單片機(jī)片內(nèi)具有硬件USART模塊，可以實(shí)現(xiàn)非常標(biāo)準(zhǔn)的串行編碼，編碼解碼非常靈活，并且其可以自動(dòng)從任何一種低功耗模式開(kāi)始工作。方案二：采用編解碼芯片PT2262與PT2272組成無(wú)線通信系統(tǒng)，PT2262接收單片機(jī)的按鍵碼制后對(duì)其編碼并通過(guò)線圈傳送，接收線圈接收信號(hào)后輸入PT2272解碼。這種通用串并轉(zhuǎn)換芯片可以較好的完成4位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的編解碼，誤碼率低，但可轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位數(shù)有限，且增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度。盡管單片機(jī)編解碼的讀寫(xiě)距離略小于利用專門(mén)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(shè)計(jì)時(shí)選用方案一實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼解碼。（2） 載波信號(hào)產(chǎn)生方案的比較與選擇方案一：采用有源晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)，有源晶振接入電源后即可產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，此方案的缺點(diǎn)是只能產(chǎn)生單一頻率。方案二：采用DDS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即將正弦波表存入存儲(chǔ)器中，根據(jù)頻率控制字通過(guò)尋址查表輸出波形數(shù)據(jù)，再經(jīng)DA轉(zhuǎn)換恢復(fù)原波形。此方案電路復(fù)雜，功耗大。綜合比較，系統(tǒng)對(duì)頻率沒(méi)有具體要求，且無(wú)需產(chǎn)生多個(gè)頻率，而系統(tǒng)功率受限，因此采用方案一產(chǎn)生載波信號(hào)。（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(lái)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(shí)現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)電路簡(jiǎn)單，抗干擾性差，功耗較低，需用功放級(jí)將調(diào)制后的信號(hào)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(lái)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(fù)雜。方案三：采用PSK調(diào)制體系，即利用載波的相位變化來(lái)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(fù)雜。當(dāng)通信距離為cm數(shù)量級(jí)時(shí)，采用適當(dāng)?shù)慕庹{(diào)方式能減小誤碼率，且從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)考慮，應(yīng)答器設(shè)備應(yīng)盡量減小功耗，簡(jiǎn)化電路。因此閱讀器向應(yīng)答器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)以ASK調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)。（4） 應(yīng)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(jìn)制數(shù)字調(diào)制

6、，其發(fā)射功率較大，傳輸距離較遠(yuǎn)。但電路相對(duì)復(fù)雜，所需供電功率較大，影響識(shí)別距離。方案二：負(fù)載調(diào)制，即根據(jù)變壓器的性質(zhì)，通過(guò)改變副邊線圈的阻抗來(lái)改變其在原邊線圈的反射阻抗，進(jìn)而影響線圈上的電壓特性。負(fù)載調(diào)制實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，在耦合距離內(nèi)，解碼的準(zhǔn)確率高。直接調(diào)制法所耗功率大，電路復(fù)雜。而負(fù)載調(diào)制原理簡(jiǎn)單，能量利用率高，利用包絡(luò)檢波就可以得到很好的解調(diào)波形。比較兩種方案，應(yīng)答器向閱讀器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用負(fù)載調(diào)制實(shí)現(xiàn)。二、 系統(tǒng)整體框圖整個(gè)系統(tǒng)由閱讀器、應(yīng)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(yīng)答器主要包括整流穩(wěn)壓模塊、ASK解調(diào)模塊及負(fù)載調(diào)制模塊。應(yīng)答器通過(guò)對(duì)模擬開(kāi)

7、關(guān)的通斷控制來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)制以傳輸編碼信號(hào)，閱讀器接收信號(hào)后先進(jìn)行包絡(luò)檢波，再經(jīng)過(guò)放大整形得到編碼信號(hào)，并在LCD上顯示。閱讀器以ASK調(diào)制方式向應(yīng)答器傳輸能量和數(shù)據(jù)，應(yīng)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(luò)檢波恢復(fù)出數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于單片機(jī)中。系統(tǒng)整體框圖如下：圖2.1 閱讀器組成框圖圖2.2 應(yīng)答器組成框圖三、 理論分析1. 耦合線圈電路設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，激勵(lì)可用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時(shí)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(shí)，電感和電容支路中電流最大，回路兩端可獲得最大電壓，對(duì)于應(yīng)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(shí)測(cè)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(fù)載調(diào)制的原理分析應(yīng)答器至閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)高頻段電感耦合系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種變壓器磁場(chǎng)耦合模型，即作為初級(jí)線圈的讀寫(xiě)器和作為次級(jí)線圈的應(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倍波長(zhǎng)，并且應(yīng)答器處于發(fā)送線圈的近場(chǎng)之間，變壓器耦合就有效，負(fù)載調(diào)制便可實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)載波頻率為4.1943MHz，其波長(zhǎng)為71.5m，而題目中兩線圈之間的距離為十幾個(gè)cm的數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)小于0.16倍波長(zhǎng)，因

9、此負(fù)載調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)。在電感耦合方式的系統(tǒng)中，負(fù)載調(diào)制有電阻負(fù)載調(diào)制和電容負(fù)載調(diào)制，設(shè)計(jì)時(shí)采用電阻負(fù)載調(diào)制，原理電路如圖3.2所示：圖3.2 電阻負(fù)載調(diào)制的原理圖二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)用于控制開(kāi)關(guān)S。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為1時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合，則此時(shí)應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL和Rmod并聯(lián)；當(dāng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為0時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL。所以在電阻負(fù)載調(diào)制時(shí)，應(yīng)答器的負(fù)載電阻值有兩個(gè)對(duì)應(yīng)值，即RL（S斷開(kāi)時(shí)）和RL與Rmod的并聯(lián)值RL/Rmod（S閉合時(shí)），其在閱讀器的反射阻抗也有對(duì)應(yīng)變化。電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程如圖3.3所示。圖中，(a)是應(yīng)答器上控制開(kāi)關(guān)S的二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信息；(d)

10、是對(duì)閱讀器電感線圈上電壓解調(diào)后的波形。圖3.3 電阻負(fù)載調(diào)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程四、 主要功能模塊設(shè)計(jì)（一）閱讀器主要模塊設(shè)計(jì)1.ASK調(diào)制模塊閱讀器向應(yīng)答器傳遞能量和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，以ASK調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)。ASK調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)由有源晶振提供。編碼數(shù)據(jù)由單片機(jī)MSP430F449的串口送出，以控制模擬開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。為提高能量傳輸效率，應(yīng)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?dāng)_。實(shí)際調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)波特率為9600 Bps時(shí)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(gè)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M(fèi)OS驅(qū)動(dòng)器UCC37321實(shí)現(xiàn)，以保證發(fā)射功率。UCC37321在10nF的負(fù)載上具有20ns的開(kāi)關(guān)速度，輸出電流峰值可達(dá)9A，外圍電路簡(jiǎn)單，用作驅(qū)動(dòng)器時(shí)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(luò)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(gè)30pF的電容。檢波得到的信號(hào)非常微弱，為提高接收電路的靈敏度，增大閱讀器和應(yīng)答器之間的通信距離，在后級(jí)將檢波后的信號(hào)放大。放大電路采用開(kāi)環(huán)放大，并在信號(hào)輸入端使用0.1uF電容接地，以濾除干擾信號(hào)。放大器的輸出經(jīng)整形后送入單片機(jī)

12、串口，以提高解碼的準(zhǔn)確率。具體電路圖如下所示：圖4.3 閱讀器解調(diào)電路（二）應(yīng)答器主要模塊設(shè)計(jì)1.負(fù)載調(diào)制模塊由于線圈通過(guò)空氣耦合的互感系數(shù)很小，為了達(dá)到最大程度的負(fù)載調(diào)制效果，必須使負(fù)載阻抗的變化盡可能大。因此選擇了導(dǎo)通電阻很低的高頻模擬開(kāi)關(guān)TS5A3166并聯(lián)在應(yīng)答器線圈兩端，用應(yīng)答器的編碼數(shù)據(jù)來(lái)控制模擬開(kāi)關(guān)的通斷，以改變等效到原邊的負(fù)載，引起原邊的電壓變化。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，為避免模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻過(guò)小而對(duì)負(fù)載造成短路狀態(tài)，在模擬開(kāi)關(guān)回路中串接入一電位器，并調(diào)節(jié)其阻值以達(dá)到最佳負(fù)載調(diào)制結(jié)果。具體電路圖如下所示：圖4.4 負(fù)載調(diào)制模塊2.整流穩(wěn)壓模塊應(yīng)答器作為無(wú)源設(shè)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(dòng)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(chǔ)能元件電容兩端的電壓不能突變的特性, 將電容與負(fù)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(dá)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(yīng)答器距離閱讀器過(guò)近時(shí)，經(jīng)整流穩(wěn)壓后的輸出電壓值過(guò)大。具體電路如下所示：圖4.5 整流穩(wěn)壓電路3.應(yīng)答器解調(diào)模塊對(duì)于閱讀器發(fā)送的編碼信號(hào)，應(yīng)答器采用包絡(luò)檢波法解調(diào)，電路簡(jiǎn)單，功耗低，滿足應(yīng)答器設(shè)備的功耗要求。電路由

14、二極管電路和電容電阻組成，當(dāng)電容放電速度大于充電速度時(shí)，其兩端的電壓可以保持在最大電壓處從而實(shí)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(dāng)信號(hào)幅度較小時(shí)，經(jīng)過(guò)二極管檢波后易引入噪聲，由TLC372構(gòu)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(zhǔn)確性。具體電路如下所示：圖4.6 應(yīng)答器解調(diào)電路五、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，以MSP430單片機(jī)作為控制核心，利用其串口通信模式設(shè)置通信協(xié)議來(lái)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(yīng)答器部分軟件流程圖六、 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析1. 閱讀器電源供給功率測(cè)量測(cè)量步驟：分別對(duì)閱讀器供、斷電5次，每次測(cè)

15、量電源電壓和供電電流，重復(fù)測(cè)量3次，計(jì)算得出每次電源的供電總功率，然后取平均值。所測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)量結(jié)果分析：閱讀器電源供給功率2W，在功耗方面滿足要求。2. 應(yīng)答器有無(wú)識(shí)別功能測(cè)試測(cè)量步驟：固定閱讀器，接通電源，應(yīng)答器無(wú)源工作。將應(yīng)答器由遠(yuǎn)及近緩慢移動(dòng)，同時(shí)觀察閱讀器電路指示燈。該燈不停閃爍，表明識(shí)別到應(yīng)答器，當(dāng)燈停止閃爍時(shí)，停止移動(dòng)應(yīng)答器并標(biāo)記該位置，再反方向緩慢移動(dòng)

16、應(yīng)答器至燈再次閃爍，標(biāo)記此時(shí)位置。記錄兩次識(shí)別時(shí)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(shí)間間隔。重復(fù)5次，計(jì)算出平均耦合線圈最大間距及識(shí)別時(shí)間。所測(cè)得的數(shù)據(jù)如表6.2所示：表6.2 應(yīng)答器有無(wú)識(shí)別功能測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)量次數(shù)12345平均值響應(yīng)時(shí)間/s0.80.90.91.01.00.92準(zhǔn)確率100%100%100%100%100%100%最大間距/cm55.35.55.55.75.5測(cè)量結(jié)果分析：應(yīng)答器無(wú)源工作時(shí)，識(shí)別其有無(wú)的距離可達(dá)5.5cm，識(shí)別正確率為100%，識(shí)別時(shí)間1s。3. 應(yīng)答器編碼預(yù)置功能測(cè)試測(cè)量步驟：固定閱讀器，接通電源，應(yīng)答器無(wú)源工作。預(yù)置應(yīng)答器的4位

17、二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)，按下發(fā)送鍵并將其由遠(yuǎn)及近緩慢移動(dòng)直至閱讀器正確顯示全部編碼，用秒表記錄應(yīng)答器發(fā)送編碼至閱讀器正確顯示編碼的時(shí)間間隔，重復(fù)5次。計(jì)算出平均識(shí)別時(shí)間。所測(cè)得的數(shù)據(jù)如表6.3所示：表6.3應(yīng)答器編碼預(yù)置功能測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)量次數(shù)12345應(yīng)答器預(yù)置值00001101010110010110閱讀器測(cè)得值00001101010110010110響應(yīng)時(shí)間/s0.70.80.80.90.7測(cè)量結(jié)果分析：應(yīng)答器無(wú)源工作時(shí)，系統(tǒng)的識(shí)別精確度很高，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)100%，響應(yīng)時(shí)間1s，編碼數(shù)據(jù)識(shí)別距離最大3.0cm。4. 應(yīng)答器信息存儲(chǔ)功能測(cè)試測(cè)量步驟：固定閱讀器，接通電源，應(yīng)答器無(wú)源工作。預(yù)置閱讀器的4位二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)，按下發(fā)送鍵，斷開(kāi)裝置電源后再接通電源，應(yīng)答器發(fā)送存儲(chǔ)信息，并由遠(yuǎn)及近緩慢移動(dòng)直至閱讀器正確顯示全部編碼。重復(fù)5次，計(jì)算出平均識(shí)別距離。所測(cè)得的數(shù)據(jù)如表6.4所示：表6.4應(yīng)答器信息存儲(chǔ)功能測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)量次數(shù)12345閱讀器預(yù)置值10001001110000010101閱讀器測(cè)得值10001001110000010101測(cè)量結(jié)果分析：應(yīng)答器具有信息存儲(chǔ)功能，其存儲(chǔ)容量大于兩個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)。裝置斷電后，應(yīng)答器存儲(chǔ)的信息不丟失，并且閱讀器能準(zhǔn)確識(shí)別存儲(chǔ)信息。系統(tǒng)具有在閱讀器端寫(xiě)入、讀出應(yīng)答器存儲(chǔ)信息的功能，識(shí)別精確度很高，識(shí)別