無線識別作品1第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日無線識別裝置任務

設計制作一套無線識別裝置。該裝置由閱讀器、應答器和耦合線圈組成，其方框圖見圖1。閱讀器能識別應答器的有無、編碼和存儲信息。閱讀器應答器耦合線圈外接單電源。D閱讀器應答器耦合線圈耦合線圈外接單電源

圖1無線識別裝置方框圖2第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日無線識別裝置任務說明

裝置中閱讀器、應答器均具有無線傳輸功能，頻率和調制方式自由選定。不得使用現有射頻識別卡或用于識別的專用芯片。裝置中的耦合線圈為圓形空芯線圈，用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導線密繞10圈制成。線圈直徑為6.6±0.5cm（可用直徑6.6cm左右的易拉罐作為骨架，繞好取下，用絕緣膠帶固定即可）。線圈間的介質為空氣。兩個耦合線圈最接近部分的間距定義為D。閱讀器、應答器不得使用其他耦合方式。

3第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日基本要求1、應答器采用兩節1.5V干電池供電，閱讀器用外接單電源供電。閱讀器采用發光二極管顯示識別結果，能在D盡可能大的情況下，識別應答器的有無。識別正確率≥80%，識別時間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。2、應答器增加編碼預置功能，可以用開關預置四位二進制編碼。閱讀器能正確識別并顯示應答器的預置編碼。顯示正確率≥80%，響應時間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。4第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日發揮部分1、應答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得（通過對耦合到的信號進行整流濾波得到能量），不允許使用電池及內部含有電池的集成電路。閱讀器能正確讀出并顯示應答器上預置的四位二進制編碼。顯示正確率≥80%，響應時間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。（21）2、閱讀器采用單電源供電，在識別狀態時，電源供給功率≤2W。在顯示編碼正確率≥80%、響應時間≤5秒的條件下，盡可能增加耦合線圈間距D。（20）3、應答器增加信息存儲功能，其存儲容量大于等于兩個四位二進制數。裝置斷電后，應答器存儲的信息不丟失。無線識別裝置具有在閱讀器端寫入、讀出應答器存儲信息的功能。（5）4、其他5第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日關鍵技術分析本題的難點在于發揮部分的實現，主要涉及電能的無線傳輸、數據傳輸及儲存等問題。發揮部分要求應答器采用線圈耦合供電，閱讀器的功耗要≤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，如果采用一般的無線數據傳輸解決方案，供電將難以滿足電路的要求，因此必須采用盡可能簡單的數據傳輸方案以降低應答器功耗。另外數據存儲部分對存儲器的功耗也提出了較高的要求，所以器件選擇也是一個非常重要的環節。6第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日系統整體框圖

圖2無線識別裝置系統方框圖7第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日應答器類型選擇

方案一：使用有源應答器，即應答器單獨使用電池供電。使用自帶的電源，電路工作穩定，可以使用多種調制方式，應答器還可以發射較大功率的信號，通信距離較遠。但是其受電池工作時間限制，不可能長期使用。方案二：使用無源應答器，即應答器的電源完全由閱讀器提供。由于全部用外部無線供電，供電功率很小，對應答器的低功耗要求高，這樣也限制了調制方式的選擇和通信距離。方案一易于實現，但只能達到本題的基本要求，為了完成發揮部分，建議選擇方案二。8第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日能量耦合和諧振頻率選擇采用無源應答器方案的關鍵是能量耦合。通過線圈傳輸能量，閱讀器的初級線圈和應答器的次級線圈之間的耦合系數決定了傳輸能量的效率。根據耦合線圈調諧匹配理論，應當讓耦合線圈工作在復諧振狀態，此時次級線圈能獲得最大能量。根據題意繞制的耦合線圈電感的實測值約為13uH。如載頻選得較高，那么與之諧振的電容則可能非常小，由于分布電容的影響，調試將十分困難。若載頻選得較低，則會降低能量發射和耦合的效率。綜合考慮選擇載波為4MHz。9第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日耦合線圈的諧振與匹配閱讀器射頻輸出端采用發射線圈（電感）和電容串聯構成諧振回路。由串聯諧振公式得匹配電容C約為120pF，可選取一個100pF和一個3～33pF的可調電容并聯得到。

為了提高應答器諧振回路Q值以獲取更大電壓，使低壓差穩壓芯片能夠在更遠距離工作，應答器采用并聯諧振回路。耦合線圈諧振電路示意圖3所示。

圖3無線識別裝置耦合線圈諧振電路示意圖10第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日調制方案比較方案一：負載調制本系統工作在HF段，耦合部分應以變壓器模型進行分析。利用變壓器的性質，將副邊（應答器）線圈折合到原邊（閱讀器）線圈，改變副邊負載的大小時，便能夠改變原邊的電壓特性。這就是負載調制效應。方案二：直接調制直接使用FSK、ASK等調制。發射功率較大，傳輸距離較遠。但電路相對復雜，所需供電功率較大，必將影響識別距離。直接調制法所耗功率過大，電路復雜。而負載調制原理簡單，能量利用率高，功耗控制良好，利用包絡檢波就可以得到很好的解調波形。調制方案建議采用方案一。

11第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日負載調制方案論證應答器至閱讀器的數據傳輸，對高頻段電感耦合系統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波長，并且應答器處于發送天線的近場之間，變壓器耦合就是有效的。只要兩線圈之間存在耦合，那么負載調制便是可實現的。我們選擇的載頻為4MHz，其波長為7.5米，而題目中對兩線圈之間的距離為十幾個cm的數量級，遠小于0.16波長，因此采用負載調制是可以實現的。12第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日負載調制（1）所謂耦合回路是由相互間有影響的兩個單振蕩回路組成，其中接入信號源的回路稱為初級回路，與它相耦合的回路連接負載，叫做次級回路。初、次級回路之間的耦合分為電感耦合和電容耦合，這里主要說明電感耦合。在耦合回路中，初級的能量和功率通過磁場耦合到次級上，同時初級和次級對另一個回路的影響等效與在另一回路上串聯一個電抗元件，稱為反射阻抗。次級對初級的反射阻抗Z=，可見反射阻抗與次級回路的阻抗成反比。13第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日負載調制（2）負載調制即是通過改變次級回路阻抗，從而改變反射阻抗，繼而改變初級上的電壓，實現對初級負載電壓的幅度調制。14第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日負載調制（3）由于線圈通過空氣耦合的互感系數很小，為了達到最大程度的負載調制效果，必須使負載的變化盡可能大。因此可以選擇使用導通電阻很低的高頻模擬開關并聯在應答器線圈兩端，用應答器的編碼數據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，因此可以采用簡單的包絡檢波電路來解調出原邊電壓的變化，即得到應答器的編碼數據。在本系統中，通過控制應答器電源和地之間的模擬開關的通斷來改變Z，導通時阻抗接近0Ω，反射阻抗為無窮大；截止時導通電阻很大，反射阻抗很小。初級回路的等效阻抗變化較大，因而負載調制的效果明顯。15第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日數據編碼、解碼方案方案一：單片機編解碼。由于單片機很容易實現各種邏輯，其編碼解碼可以非常靈活，尤其是單片機自帶的UART串行接口可以實現非常標準的串行編碼。但是單片機的功耗較大，在應答器端依靠感應電磁場供電的情況下，應答器和閱讀器之間的有效通信距離會受到較大的影響。方案二：利用通用串并轉換芯片編解碼。這種通用串并換芯片可以較好的完成4位的二進制數據的編解碼，并且功耗低，對工作環境要求比較低。不足之處是可轉換的并行數據位數有限。16第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日數據編碼、解碼方案選取一般來說，方案一是在方案二已經實現的基礎上，才會加以考慮的。因為對于無線識別這個題目來說，識別的距離和響應時間才是關鍵所在。因此，考慮到功率裕量和對于題目分數的取舍，優先采用第二套方案，實現簡單的4位二進制編碼、解碼功能，然后再在此基礎上，通過加入單片機而實現更多的擴展功能。盡管單片機方案的讀寫距離略小于利用專門串并轉換編碼、解碼芯片的方案，但是其具有很大的靈活性，不僅可以設置芯片的ID，而且可以在芯片內部存儲一定的數據及狀態信息，具有更加寬闊的實用性。采用低功耗的單片機（如MSP430）可以在一定程度上彌補單片機方案的功耗過大問題。17第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日載波產生方案選取方案一：采用有（無）源晶振。有源晶振只要加上電源就可以產生頻率穩定的載波。缺點就是不能產生任意頻率的載波。方案二：直接數字頻率合成(DDFS)。將正弦表存入存儲器中，通過尋址查表輸出波形數據，再經DA轉換濾波恢復原波形。此方案缺點就是電路復雜、功耗較大。方案三：采用LC振蕩產生所需頻率。方案論證：

從題目要求來看，對頻率沒有具體要求，而且無需產生多個頻率，由于本套系統功率受限，建議采用方案一。18第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器解調方案選取方案一：包絡檢波法，這是最簡單的幅度調制解調方式。優點是電路結構簡單，方便調試。缺點是靈敏度及線性度不夠高。方案二：相干解調法，優點是降低或者消除了相位差θ對接收信號的影響。缺點是需要載波提取等一系列的電路，增加了整個電路的功耗和復雜程度。方案論證：

設計中識別距離比較近，檢測信號較強，包絡檢波法就能夠完成解調功能，且電路簡單，功耗低。綜合考慮選擇方案一。19第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器功放方案選取應答器由閱讀器通過無線耦合的方式供電，因此對閱讀器的發射功率要求較高，應選用功率放大器來提高發射功率。方案一：采用集成芯片。現有許多高頻大功率的集成放大器(如AD815)可以用來設計高頻功放。集成功放具有穩定度高，需要調整的參數少的特點，缺點是效率較低（集成功放一般采用線性放大），不滿足系統對功耗及傳輸距離的要求。方案二：采用分立元件的丙類放大器。采用分立元件的高頻電路受分布參數影響大，而且不易調整，但其電路結構比較靈活，對應于不同要求的信號，可以設計不同結構的放大器以獲得最大的效率，而且輸出功率可以設計的較大，價格也相對低廉。20第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器功放方案論證題目中限定整個系統的功耗為2W，假定發射功率為1W，丙放的效率為75％，則功放上消耗的功率為330mW，但在實際應用中，丙放的效率不可能達到75％，故輸出功率需留有一定裕量。功放三極管采用C1970，其集電極耗散功率可達5W，功率增益大于9.2dB，完全可以滿足題目的要求。此外，為了讓天線線圈上獲得盡可能大的功率，還需對功放末級進行阻抗匹配。21第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器發射電路設計（1）閱讀器部分主要包括載波發生電路、功率放大電路和AM解調電路，下面分別介紹。載波發生及驅動電路：直接采用有源晶振產生載波信號，為了推動后級的丙類功放，要求前級有一定的電流和功率驅動能力，但引入中間放大器會增加額外的功率損耗，使效率降低，同時也增加了電路各級之間匹配的復雜程度，故采用多個74HC04反相器的并聯來增加驅動能力。22第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器發射電路設計（2）載波發生及緩沖電路：

23第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器發射電路設計（3）功率放大電路：

經實測，讀寫器天線回路在4MHz頻率下的阻抗約為20歐姆，天線Q值約為17,經計算滿足傳輸帶寬的要求（設計傳輸速率為300bit/s<<B=fc/Q）。C1970采用數字電路驅動，其輸入阻抗匹配電路可以從簡，濾波后用一個0.1uF電容直接耦合到C1970基極。根據C1970的輸出阻抗進行輸出匹配，保證功率的最大傳輸。24第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器發射電路設計（4）設1970的輸出功率為1W，電源電壓12V，飽和管壓降Vces=2V，根據丙類功放的最佳負載阻抗計算公式：計算出C1970的最佳輸出匹配阻抗為50歐姆，C1970的輸出阻抗可等效為50歐姆電阻和10pF左右的電容并聯。為便于后級匹配，將集電極饋電線圈兼作諧振回路，以抵消輸出電容的影響，將C1970輸出匹配為50歐姆的純阻。然后輸出經過一個50-50歐姆的π型低通濾波器濾波，接著通過一個50-20歐姆“倒L”型低通濾波器，最后接上已調諧振的耦合線圈回路進行匹配輸出。調節各個可變電容，使接收端感應電壓達最大即達到了阻抗匹配狀態。25第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器發射電路設計（5）功率放大電路圖：26第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器接收電路設計接收解調電路：

應答器采用的是負載調制，在接收電路中只需要經過檢波、放大、比較整形即可以還原出應答器的數字信號。檢波部分采用倍壓檢波電路，這種電路對輸入的靈敏度高，非常適合于解調負載調制在發射端引起的微小變化。由于發射功率比較大，檢波后的信號包含非常大的直流分量，因此，采用一個LC串聯回路來濾除直流分量和高頻分量，然后送往由運放構成的放大器，最后進入比較器整形。27第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日閱讀器接收電路設計接收解調電路圖：28第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日應答器電路設計（1）應答器電路包括諧振選頻、整流濾波、穩壓、上電復位、數據編碼、負載調制幾個部分。電源部分：信號選頻部分主要是選擇閱讀器發射的高頻信號，應答器線圈與C1及電路后面等效電容構成并聯諧振電路，經整流濾波給后級提供電源。電路中采用二極管全波整流，以獲取足夠高的電壓供給后級使用。29第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日應答器電路設計（2）負載調制部分：主要通過一個模擬開關來實現，由芯片的數據輸出口控制模擬開關TS5A3366通斷，實現負載調制。當模擬開關接通時，次級線圈的反射阻抗并聯到讀寫器線圈上，與其共同組成丙放的輸出阻抗，從而使諧振頻率偏移，丙類功放輸出失諧，使丙類功放的輸出電壓減小；當模擬開關斷開時，反射阻抗發生變化，使讀寫器線圈電壓升高。在讀寫器端可以通過檢波方式檢測輸出電壓變化，從而得到應答器的解調信號。30第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日應答器電路設計（2）采用低功耗編解碼芯片PT2262和PT2272，完成應答器預置編碼和閱讀器譯碼顯示。31第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日不可擦寫應答器的識別流程根據以上方案和電路設計，完成了具有基本功能和大部分擴展功能，采用集成編碼解碼芯片的設計，其預置功能在應答器處進行，識別流程如下：32第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日發揮部分功能設計（1）為了完成發揮部分中數據存儲功能，必須在應答器中加入具有數據處理能力的單片機，通過單片機讀寫IO口預置的編碼數據，再通過UART接口與外部通信。由于耦合能量有限，只能使用低功耗的單片機，經過對比，選用TI的MSP430系列單片機。其功耗為250uA/MIPS。閱讀器端直接采用51系列單片機