无线识别装置设计报告摘要本无线识别装置主要由阅读器和应答器组成。
阅读器包含高频接收模块、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。
高频接收模块以单片集成接收芯片MC3362为核心，结合MC145151构成锁相回路，接收应答器发送的信息。
应答器由耦合元件以及高频发射模块组成，其工作所需能量全部由耦合线圈提供，采用自动开关控制应答器与电源的通断以降低功耗。
C8051单片机系统作为数据发送的控制部分，程序设计采用C语言在Keil 51的编译器上编程实现，经测试，整机功能齐全，各项指标均达到设计要求。
关键词：阅读器应答器耦合线圈MC33622 系统方案设计2.1 总体设计方案本系统主要由阅读器和应答器组成，阅读器将振荡器的振荡信号放大后经耦合线圈辐射出去；应答器一方面从耦合线圈得到激励信号，另一方面将所得信号经调频整流和稳压后送入发射机和单片机为其提供能量，采用自动开关控制发射机电源通断以降低功耗。
总体设计方案图如图1 所示。
图1 总体设计方案2.2方案论证与选择（1）总体方案论证与选择方案一：采用时分方式，阅读器间断发送大功率的载波信号，应答器从耦合线圈获得载波信号后，部分能量经过高频整流后提供给单片机作为电源；另一部分信号经过延时，被送入移相网络，移相网络根据单片机提供的编码对信号调相，调相后的信号重新返回到天线进行发射，阅读器根据收到的信号解调出预置编码，方案框图如图2所示。
图2 总体方案一方框图方案二：采用频分方式，阅读器发射与应答器信号不同频率的大功率的高频信号，作为应答器的能源。
应答器收到高频信号后将其高频整流作为整个应答器的电源，应答器的发射系统根据单片机提供的编码完成信号的调制及发射。
方框图如图3所示。
方案选择：方案一阅读器由开关控制，耗能较小，但其收发信号图3 总体方案二方框图调谐在同一频率上，容易形成干扰，增大误码率；方案二的收发信号载波频带相隔较远，相互干扰很小，误码率低，故采用方案二。
（2）应答器电路方案论证与选择应答器发射电路采用专用的调频发射芯片MC2833，使用其典型应用电路，实现调频。
方案一：单片机所需能量由耦合线圈得到的信号经过整流、滤波后得到。
其原理图如图所示4。
该方案电路相对简单，但由于在电压达到需求值之间发射机一直处于连通状态，能量损耗大，而耦合所得能量有限，不利于系统的正常工作。
图4 应答器电路方案一框图方案二：方案二在方案一的基础上增加自动开关电路，在电压达到需求值之前发射机处于断开状态，减少能量损耗，提高电路功效，其原理图如图5所示。
图5 应答器电路方案二框图方案选择：应答器能量全部由线圈从阅读器线圈耦合得到，对功效的要求较高，为此选择方案二。
（3）阅读器接收电路方案论证与选择方案一：采用常规的调频接收芯片（如CXA1691），调整本振频率使得接收频率范围落在30MHz-40MHz之间，但精度和稳定度不易达到要求。
方案二：采用窄带调频接收专用芯片MC3362，结合MC145151，采用锁相环电路进行频率合成，形成闭环控制；鉴频器的灵敏度较高，能得到精度和稳定度很高的频率信号。
方案选择：基于以上分析，本系统选用方案二，其框图如图6所示。
图6 阅读器接收电路方案二 3理论分析与计算3.1耦合线圈的匹配分析与计算题目要求耦合线圈直径为6.6cm ，漆包线直径不大于1mm ，绕制10圈， 算得漆包线总长度106.6⨯⨯=πcm l =207cm=2.07m 一般取线圈总长度为波长的41，则波长λ=2.07⨯4=8.28（m ）频率M H z2.36)(28.8)(3/108=⨯==m s m c f λ 所以调制信号的载频为36.2MHz 。
3.2阅读器发射电路分析与计算因为调频信号的频率为36MHz ，为了减小其干扰，同时兼顾能量传输效率以及减小功放电路制作难度，阅读器功率发射电路的频率设定为3MHz 左右。
题目要求阅读器电源功率不大于2W ，其中大部分被发射机消耗，取发射机效率为50%，则最大输出功率小于1W ，考虑实际情况，发射功率取0.8W 较佳。
3.3阅读器接收电路分析与计算阅读器接收电路采用以窄带调频接收专用芯片MC3362核心的调频接收解调电路，它采用了二次混频技术，其中高、低中频分别取常用的10.7MHz 和455KHz （该频段有现成的滤波器件），因此第一本振频率为36MHz-10.7MHz=25.3MHz为了提高接收灵敏度，本振频率必须相当稳定，因此采用了锁相环技术，（采用集成锁相芯片MC145151）。
在锁相环路中，基准频率源选用4.194MHz 晶振，以2048Hz 作为鉴相参考频率，因此必须对基准频率进行R 分频，分频比为R=Hz2048194.4MHz=2048同时对本振信号进行N 分频，因为本振频率为25.3MHz ，所以N =ffRvc 0=HzMHz20483.25=123543.4 应答器电路分析与计算由于应答器电路能量来自耦合线圈，存储在大电容中，所有有源器件必须采用微功耗芯片，因此单片机系统采用C8051芯片，最小工作电流仅20微安，以MC2833为核心的发射系统也工作在低功耗状态，工作电压在3-6V ，工作电流约5-10毫安，而感应线圈的电流约为0.5毫安，设存储电荷时间为5秒，则发射系统每次发射时间约为T= 0.5mA*5S/5mA=0.5S 电容容量约为C=0.5mA*5S/6V=415uF 实际可取330uF-470uF 。
因为耦合的高频电源信号的频率为3.2MHz ，普通的整流二极管不能满足要求，因此可采用高频检波二极管2AP9，实际效果不错。
因为发射时间为0.5S ，而其它时间不能向发射电路提供能量，因此采用了微功耗的自动开关电路。
只有存储的能量足够后才自动向发射电路提供能量。
4 单元硬件电路与程序设计4.1 阅读器电路设计阅读器主要由振荡器、高功放、接收解调电路以及单片机小系统等组成。
由振荡器和功放组成能量发射电路，振荡器采用普通的LC 振荡器，而功放电路以芯片THR300-1为核心，具体电路如图7所示。
图7 功率放大电路图图中12uH 的电感就是耦合线圈，它和220P 的电容组成谐振网络，提高功放的效率。
它的输入激励电压约600mV 。
接收及解调电路以MC3362和MC145151为核心，通过二次混频，获得455KHz 的中频信号，限幅后，经过鉴频解调出数据信号，其后送入单片机，其原理框图如图8所示。
图8 阅读器电路原理图4.2 应答器电路设计应答器主要由整流滤波电路、自动开关、发射电路和单片机小系统组成，图9 应答器电路原理图发射电路采用集成专用发射芯片MC2833。
为了满足天线发射接收要求，根据前面的分析计算，发射系统使用12MHz晶振，通过三倍频使载波频率调谐到36MHz。
4.3识别装置工作流程图识别装置工作流程图如附录图4所示4.4总体电路图总体电路图如附录图5 所示。
5 软件设计系统软件分为两部分，分别为阅读器的软件和应答器的软件。
阅读器的软件主要负责数据的接收、处理和显示等功能的实现；应答器的软件的功能较简单，主要是负责预置编码的读入和发出，具体流程图分别如附录图6 和图7所示。
+6 系统功能、指标测试功能测试所用仪器为卷尺和秒表。
测试时不断增大两线圈间的距离，测量其识别时间及识别结果，应答器采用电池供电的测试结果如附表1所示。
应答器无电源的测试结果如表1所示。
1 2 3 4 5 6 7 8距离（厘米） 5 5 5 5 5 5 5 5识别时间(秒) 5 5 4 5 5 5 4 5预置编码0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111识别结果(T/F) T T T T F T T T9 10 11 12 13 14 15 16距离（厘米） 5 5 5 5 5 5 5 5识别时间(分) 5 4 5 5 5 5 5 5预置编码1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111识别结果(T/F) T T F T T T T T表1 系统功能、指标测试结果表7 结论本无线识别装置主要包括阅读器和应答器两大模块。
阅读器采用单电源10V供电，应答器工作所需能量由耦合线圈提供，系统实现了无线识别应答器的有、无以及其预置编码的识别与显示。
采用电池供电时，识别时间非常小，识别准确率为100%，而采用耦合线圈供电时，识别时间增大，但都小于5S，准确率为87.5%，识别距离固定为5cm，完成了所有基本功能，发挥部分的前两部分也基本实现，而且阅读器还具有计时功能，作为其它功能的完成。
8 参考文献[1] 全国大学生设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1999~2005）[M].北京：北京理工大学出版社，2005.[2] 黄智伟.无线发射与接收电路设计[M].北京：北就航空航天大学出版社，2004.[3] 谢自美.电子线路设计.实验.测试.[M].湖北：华中理工大学出版社，2000附录图1 MC2833 内部及外围电路图图2 MC2833 引脚图图3 MC362 与MC145151连接图图4识别装置工作流程图图5系统总体电路图6 接收机软件流程图图7 发射机软件流程图1 2 3 4 5 6 7 8距离（厘米） 5 5 5 5 5 5 5 5识别时间(秒) 1 1 1 1 1 1 1 1预置编码0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 识别结果(T/F) T T T T T T T T9 10 11 12 13 14 15 16 距离（厘米） 5 5 5 5 5 5 5 5识别时间(分) 1 1 1 1 1 1 1 1预置编码1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 识别结果(T/F) T T T T T T T T表1 系统功能、指标测试结果表。