无线识别装置.docx
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无线识别装置
无线识别装置
1.设计任务要求
要求是基于耦合线圈的无线识别装置。
系统由阅读器与应答器两部份组成：
阅读器由PT2272、耦合线圈、发光二极管等组成；应答器由SC2262、耦合线圈、拨码开关等组成。
阅读器采用单电源供电，应答器能量全数来自耦合线圈，无线数据传输采用串口异步通信与ASK调制等方式实现。
阅读器能够识别靠近的应答器并显示识别结果，显示正确率≥80%，响应时间≤5S,识别距离D≥5cm。
2.方案论证与选择
整体方案论证与比较
方案一：
如图所示，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，判别其是不是有效，如有效则显示应答器信息，并蜂鸣提示。
应答器：
当靠近阅读器时，通过线圈耦合取得工作能量，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。
该方案不太适合。
方案二：
如图所示，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，本钱低，功耗小，且PT2262起始工作电压低超级适合能量供给有限的场合。
结合以上分析实际情况，咱们采用方案二。
调制方式论证与比较
方案一：
频移键控（FSK）。
传输速度快，数据正确率高，但调制电路复杂，本钱高，尤其功耗较高，而且解调电路较为复杂。
本题目要求低功耗，且对通信指标要求不是很苛刻，如传输数据正确率≥80%，响应时间≤5S，故不宜选用该方案。
方案二：
幅移键控（ASK）。
调制电路简单，功耗较低，常常利用于简单的低速数据通信，解调电路也十分简单，知足本设计任务要求，综合考虑咱们选用该方案。
555时钟电路的控制对象论证与比较
方案一：
用555时钟电路控制阅读器和应答器，也就是在阅读器和应答器当中都利用555时钟电路。
当阅读器向应答器辐射能量时应答器只接收能量，当应答器进行编码并发射时阅读器停止向应答器辐射能量而只接收应答器发来的编码信号并对其进行解码和显示，但在实际工作中，很难保证阅读器和应答器同步，所以不采用此方案。
方案二：
用555时钟电路控制应答器，阅读器不利用该电路。
这样的设计就是让阅读器不断地工作，按时电路控制应答器接受能量、储能和编码并发送，但因为应答器的输出功率过小，若是阅读器那里持续辐射信号，阅读器就无法接收到应答器的信号，所以也不采用此方案。
方案三：
用555时钟电路控制阅读器，应答器不利用该电路。
也就是应答器会不断地工作，而阅读器间歇的工作，这样就可以够很好的保证阅读器能够接收到应答器发送的编码信号并进行解码显示。
所以本设计中采用此方案。
功率放大电路设计的论证与比较
方案一：
采用3355和2053两种三极管的功率放大电路，如图所示。
图功率放大电路方案一
这个放大电路理论上能够知足本设计的需要，但在实际操作的进程中因为实验室的接地不好，电烙铁带电，3355很容易烧坏，因此本设计中不采用该方案。
方案二：
采用9014和2053的功率放大电路，用9014代替3355，如图。
图功率放大电路方案二
该电路不仅能够知足本设计的需要而且9014不易烧坏、工作也比较稳定，因此本设计中采用该方案。
可是由于Multisim电路仿真中没有中周的仿真模型，所以仿真电路仍然利用方案一。
3无线识别装置整体电路设计
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，首先振荡电路产生电能，通过放大电路放大后由线圈发射给应答器，应答器线圈接收到能量信号后对该信号进行放大整流为应答器的提供所需的工作电压，这样就实现了应答器的无源，然后应答器中有了电能后，PT2262读取拨码开关值并对其进行编码，编码信号通过ASK调制后由振荡电路发射出去，此时阅读器线圈感应到由无源式应答器发送来的编码信号通过检波电路检波以后发送给PT2272，PT2272对编码信号进行解码并在发光二极管上显示，二极管的显示与无源式应答器的拨码开关值相对应，这样就完成了无线识别。
阅读器部份
如图所示，电能由振荡电路产生经后续多级放大电路放大，通过耦合线圈发送出去；阅读器通过耦合线圈接收应答器发送的信号，信号经检波电路检波后送给PT2272串口接收，PT2272对编码信号进行解调后输出识别结果。
振荡电路与检波电路是独立周期工作的，周期由555时钟电路产生，独立工作由继电器控制。
图阅读器组成方框图
无源式应答器部份
如图所示，应答器通过耦合线圈谐振耦合获取能量，再经放大整流电路向储能电容充电取得系统工作所需电能；当电容电压经电压判断电路判断达到指定幅值时，应答器开始工作，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，从耦合线圈辐射出去。
阅读器整体电路图
如图所示，有源晶振产生10MHz的方波，再通过LC二阶低通滤波器滤去高次谐波，取得10MHz的正弦波。
由于产生的方波功率较小，所以要经两级谐振功率放大电路取得高功率输出的正弦信号。
图无源式阅读器电路图
无源式应答器整体电路图
为了实现发挥部份的功能，本设计采用无源式应答器设计。
如图，经线圈耦合取得高功率的正弦信号，要为应答器里的PT2262提供电源，必需将交流电转换为直流电。
电路里的桥式整流电路就是将交流电换成直流电，电容滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波。
图无源式应答器电路图
4主要参数设计
耦合线圈谐振频率计算
本设计中的耦合线圈按照大学生电子竞赛的要求采用直径约为的漆包线密绕10圈形成直径为的线圈，线圈总长米，厚度为5mm。
由圆形线圈的电感计算公;
（4-1）
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；圈一、2的电感计算值为，实际测量两个线圈电感值都为,可以看出电感线圈的计算值与实际值超级接近。
线圈与可变电容组成并联谐振回路，线圈电感为,可变电容容量为5～25PF，按照谐振频率公式：
（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取得谐振频率为。
因此，阅读器采用有源晶振产生接近与谐振频率的能源载波频率。
应答器也采用有源晶振作为载波频率。
Multisim仿真电路中无源晶振电路产生约10MHz的方波。
二阶LC低通滤波电路参数计算
按照归一化LPF来设计巴特沃斯型低通滤波器，指的是特征阻抗为1Ω且截止频率为1/（2π）的低通滤波器的数据。
用这种归一化低通滤波器的设计数据作为基准滤波器，依照下面的设计步骤，就可以够简单的计算出具有任何截止频率和任何特征阻抗的低通滤波器。
首先选择归一化低通滤波器数据，其次按照需要进行截止频率变换，最后进行特征阻抗变换。
滤波器的截止频率的变换是通过先求出待设计滤波器的截止频率与基准滤波器频率的比值M，在用这个M去除滤波器中的所有元件来实现的。
；
滤波器的特征阻抗的变换是通过先求出待设计滤波器的特征阻抗与基准滤波器特征阻抗的比值K，在用这个K去乘基准滤波器中的所有电感元件和用K去除滤波器中的所有电容元件来实现的。
；
经计算得L=,C=318PF。
仿真结果显示经此二阶低通滤波器产生约10MHZ的正弦波。
谐振功率放大电路参数计算
谐振功率放大电路中LC选频网络谐振于基频信号，也就是经滤波器产生的正弦波。
可知选频网路的谐振频率为10MHz，选择电容为68PF，按照谐振频率的公式
计算得电感值。
仿真结果显示经一级放大可取得10~20倍的放大，由此通过两级放大电路可以取得符合要求的传送信号。
5单元电路设计
阅读器发射电路分析
主振电路采用有源晶振作为振荡器，频率稳定，电路简单，调试容易而且输出幅度大。
有源晶振输出的方波，通过二阶低通滤波器滤除高次谐波，取得稳定的正弦波输出，经Q6及其外围电路组成的第一级放大电路后送至由Q9及其外围电路组成的功率放大电路进行功率放大，最后输出至C45和L21组成的并联谐振回路辐射出去，为应答器提供能量。
如图
图阅读器发射电路图
．阅读器接收电路分析
如图中，从555来的控制信号通过74LS04反相后控制继电器的吸合，当继电器吸合时，C1与耦合线圈接通，Q1及其外围电路组成了和电压放大电路，放大后的信号经二极管检波后送至LM311进行比较，还原波形。
图阅读器接收电路图
电源单元
在阅读器设计中，有源晶振单元和PT2272解码芯片利用5V电源，功率放大单元采用8V供电，因此，利用三端集成稳压器LM7805为有源晶振单元和PT2272解码芯片提供5V电源，而功率放大单元所需的8V由外接电源直接供给，本着简练实用的原则，电源电路如图所示。
图阅读器电源单元电路
555时钟单元
555时钟单元在本设计中也起到了关键的作用，它控制着阅读器的工作状态，当555输出高电平时控制振荡电路开始工作，并向应答器辐射能量；当555输出低电平时振荡电路停止工作而2272芯片开始工作，对发来的信号进行解码并显示。
555时钟单元采用LM555芯片，LM555是美国国家半导体公司的时基电路，是利用极为普遍的的一种通用集成电路。
LM555功能壮大、利用灵活、适用范围广，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，别普遍用于各类电子产品中。
LM555引脚图及各引脚说明见图和表。
图引脚图
表LM555各引脚说明
编号
名称
说明
1
GND
地线
2
TRIGGER
触发
3
OUTPUT
输出
4
RESET
复位
5
CONTROL
VOLTAGE
控制电压
6
THRESHOLD
阈值
7
DISCHARGE
放电
8
V+
电源
LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管组成，如图所示，是模拟电路和数字电路的混合体。
其中6脚为阈值阀，是比较器的输入；2脚为触发器，是下比较器的输入；3脚为输出端，有0和1两种状态，它的状态由输入端所加电平决定；7脚为放电端放电端，是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输出端的状态决定；4脚为复位端，低电平时可使输出端为低电平；5脚为控制电压端，可以用它改变上下触发电平值；8脚为电源，1脚为地。
图LM555时基电路内部结构图
LM555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以VCC表示；从图内部结构图上可以看出，上比较器A1的5脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2VCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在VCC/3上。
在这个图中1脚为地；2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。
当触发器接收到上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；当触发器接受下比较器A1从S脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出高电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1VCC/3，此时3脚输出高电平。
6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2VCC/3，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必需大于1VCC/3时才有效。
3脚在高电位接近电源电压VCC，输出电流最大可达200mA。
4脚是复位端，当4脚电位小于时，无论二、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。
5脚是控制端。
7脚是放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并非输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。
一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的R-S触发器，如图所示。
这个特殊的触发器有两个输入端：
阈值端（TH）可以看成是置零端R，要求高电平；触发端（TR）可以看成是置位端S，低电平有效。
它只有一个输出端OUT，OUT可等小城触发器的Q端。
放电端（DIS）可以看成有内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制：
反Q=1是DIS端接地；反Q=0时DIS端悬空。
另外这个触发器还有复位端R，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。
图LM555等效为R-S触发器
图就是本阅读器的时钟单元，其中555，R1，C3，R2组成了周期为3秒左右，占空比为5/6的时钟电路，3脚与有源晶振和继电器相连，用9014的导通与截止来控制晶振的工作与否，而继电器是控制耦合线圈与检波电路的通断。
具体来讲就是当555输出为‘1’时，9014导通，有源晶振模块开始工作，继电器控制的耦合线圈与检波电路的断开；当555输出为‘0’时，有源晶振模块停止工作，而由继电器控制的耦合线圈与检波电路的连接，从而使PT2272模块开始工作。
图LM555时钟单元
这里需要指出，之所以采用这样的控制方式是因为当应答器向阅读器发射编码信号时的输出功率过小，若是阅读器正在向外辐射能量，那么阅读器就无法接收到应答器的信号，所以阅读器必然要间歇的向应答器辐射能量，以保证阅读器能够接收到应答器发射来的编码信号。
在本设计中，555输出的时钟占空比为5/6，既使555大多数时间都输出高电平，既有效信号，因为周期是3秒，采用这样的占空比可让晶振电路工作秒，停止秒，这样阅读器就可以够有秒的时间来接收应答器发来的编码信号了
无源式应答器的电源单元
如图是应答器的电源单元，D6～D9组成了桥整流，C1为整个应答器贮存能量，图中L1就是应答器的耦合线圈。
图无源式应答器电源单元
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用在无源式应答器当中，用来读取拨码开关值并对其进行编码，而PT2272用在阅读器部份，是对无源式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。
虽然PT2272与无源式应答器的电路设计无关但考虑到两个芯片关系密切，而且是本系统中的重要组成部份，所以在此一并介绍。
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，是目前在无线通信电路中作地址编码识别最常常利用的芯片之一。
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。
PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码通过两次比较查对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。
PT2262特点：
一、CMOS工艺制造，低功耗
二、外部元器件少
3、RC振荡电阻
4、工作电压范围宽：
五、数据最多可达6位
六、地址码最多可达531441种
PT2262编码芯片引脚图如图所示；各引脚功能如表所示。
图PT2262引脚图
表各引脚功能
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”
.01（悬空）,
D0-D5
7-8、10-13
数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
TE
14
编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
Dout
17
编码输出端（正常时为低电平）
PT2272解码芯片引脚图，如图所示；各引脚功能如表所示。
图PT2272解码电路引脚图
表PT2272各引脚功能表
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）,必须与2262一致,否则不解码
D0-D5
7-8、10-13
地址或数据管脚,当作为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
DIN
14
数据信号输入端，来自接收模块输出端
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
VT
17
解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）
PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就可以一直维持对应的电平状态，直到下次数据发生转变时改变。
M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是不是发射相对应，可以用于类似点动的控制。
后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4），对应的地址编码应该是8位，若是采用6路的并行数据时（PT2272-M6），对应的地址编码应该是6位。
在通常利用中，咱们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：
悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有PT2262和PT2272的地址编码完全相同，才能配对利用，所以PT2262和PT2272在出厂时八位地址编码端全数悬空，这样可以很方便选择各类编码状态，若是想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的1～8脚设置相同即可，例如将PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么PT2272只要也一样第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就可以实现配对。
当二者地址编码完全一致时，D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。
在本设计中PT2272采用的是锁存型的芯片，即PT2272-L4，这种芯片可以有较高的稳定性。
以上就是对本设计中编码单元PT2262芯片和解码单元PT2272芯片的介绍，PT2262和PT2272的工作进程是：
阅读器上电后，无源式应答器接收到阅读器提供的电能PT2262就开始不断地工作，PT2262读取拨码开关值并对其进行编码，编码信号通过ASK调制和晶振电路后通过线圈发射出去，应答器接收到编码信号后通过检波电路把信号发送至PT2272，PT2272对该信号进行解码并使发光二极管显示结果。
6仿真分析
振荡电路仿真分析
因为电路信号频率达到10MHz,所以电路仿真分析利用Multisom。
该仿真软件在高频通信电路能达到较好的仿真结果。
如图所示，振荡电路仿真波形周期,即10MHz的方波。
图振荡电路仿真波形图
6．2低通滤波电路仿真分析
二阶低通滤波电路能滤去高次波。
波有丰硕的高次谐波，通太低通滤波器能取得正弦波。
如图所示，
图低通滤波仿真图
功率放大电路仿真分析
如图所示，仿真结果显示经一级功率放大可取得4~5倍的放大，由此通过两级放大电路可以取得符合要求的发送信号。
一级功率放大电路仿真图
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