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1、毕 业 设 计无线射频识别系统的设计学生姓名： 专业班级：电子信息工程2009级3班指导教师： 副教授学 院：机电工程学院2013年6月东北林业大学毕 业 设 计 任 务 书无线射频识别系统的设计学生姓名： 专业班级：电子信息工程2009级3班指导教师： 副教授学 院：机电工程学院2012年12月10日题目名称：无线射频识别系统的设计任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）一、内容本设一个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分组成。阅读器采用单电源供电，应答器能量全部来自耦合线圈，无线数据传输采用串口异步通信与FSK调制等方法实现。阅读器能够识别靠近的应答
2、器并显示识别结果。二、 计划、时间安排第七学期1、第19周 查阅、收集资料，撰写开题报告第八学期2、01-02周 毕业实习；3、03-03周 确定设计方案，开题答辩；4、04-07周 按要求完阅读器与应答器电路设计；5、08-10周 按要求完成各单元电路组装与调试；6、10-13周 按要求完成系统调试及设计文档撰写；7、14-16周 撰写设计说明书、准备答辩。三、完成工作量与水平具体要求1、单片机采用内部有4KB程序存储器的AT89C51；2、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6.60.5 cm；3、应答器能量全部来自耦合线圈
3、，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；4、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。其中： 参考文献篇数：说明书字数：外文翻译：10篇以上（含3篇外文）10 000字以上一篇与本设计相关的文章（1 000外文单词以上）专业负责人意见签名：年 月 日 无线射频识别系统的设计摘要本系统采用MCS-51系列单片机为控制器，其中nRF401芯片作为无线收发的核心部件，而5位8段数码
4、管用于显示收发信息，另外还配备有相应的外围设备。系统由阅读器，控制器和线圈三部分组成。单片机控制阅读器发出信号，应答器接收到信号后返回确认信息。阅读器可以接收并识别应答器中的预置四位二进制编码，并在LED上显示阅读结果。当应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合时，处于阅读器天线的交变磁场中的应答器就能从磁场获得最大能量。同时，与应答器线圈并接的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成反作用，从而引起阅读器线圈回路变换阻抗ZT的变化，即接通或关断应答器天线线圈处的负载电阻会引起阻抗ZT的变化，从而造成阅读器天线的电压变化。根据这一原理，可以通过数据变化控制应答器线圈实现数据的回收。关键词无线
5、识别；nRF401；应答器；阅读器The Design of Wireless identification systemAbstractThe system takes of the MCS-51 SCM as controller, which nRF401 transceiver chip as the core wireless Transceiver components, and 5 bits 8 segments digital tubes for showing the messages, is also equipped with the appropriate periph
6、eral equipments. The system is composed of three parts that is reader, controller and coils. The SCM controls the reader sending a signal, then transponder sends back the confirm information when it receives the signal. The reader can receive and identify the preset four binary codes in the transpon
7、der, and shows the result on the LED display. When its frequency is equal to the natural resonant frequency of reader, the transponder in the alternating magnetic field of the reader antenna will get the most energy from the magnetic field. At the same time, the resistance which is parallel to the t
8、ransponder coil changing through mutual inductance reacts to the reader coil caused counterproductive, thus leading to the change of the reader coil loop transformation impedance ZT, that is, connecting or cutting off the transponder antenna coil resistance will cause the load the change of ZT imped
9、ance, resulting in the change of the reader antenna voltage. According to this principle, we can realize receiving the data again by controlling the transponder coil based on the changed data.Keywordswireless identification; nRF401; transponder; reader目录摘要Abstract1 绪论11.1 无线射频识别系统的概述11.2 无线射频识别系统的研究
10、11.2.1 研究背景11.2.2 研究意义21.3 国内外无线射频识别系统的发展及现状21.4 主要内容与安排42 无线射频识别系统整体方案52.1 总体系统方案论证与比较52.2 调制方式论证与比较62.3 555时钟电路控制对象论证与比较63 系统硬件电路设计83.1 阅读器电路分析与设计83.1.1 阅读器单片机最小系统设计83.1.2 阅读器发射电路93.1.3 耦合线圈的配置原理143.2 应答器电路分析与设计153.2.1 应答器电源电路153.2.2 应答器发射电路及单片机164 系统软件设计174.1 阅读器程序设计174.1.1 阅读器主程序设计174.1.2 阅读器有源无
11、编码测试子程序184.1.3 阅读器4位编码测试子程序184.1.4 阅读器上传数据测试子程序184.1.5 阅读器下载数据测试子程序194.2 应答器程序设计194.2.1 应答器主程序设计194.2.2 应答器识别数据返回数据子程序204.2.3 应答器识别命令返回编码子程序204.2.4 应答器识别数据存储数据子程序214.2.5 应答器识别命令返回数据子程序215 测试方法与数据225.1 耦合线圈电感量大小与谐振频率225.2 整机调试与测试225.2.1 识别正确率和识别时间测试225.2.2 识别距离测试225.2.3 识别功耗测量235.2.4 初级线圈包络仿真图形和实测图形2
12、3结论25参考文献26附录27致谢581 绪论1.1 无线射频识别系统的概述无线射频识别(RIFD:Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人为干预，可工作于各种恶劣环境。无线射频识别技术可识别调整运动物体并可同时识别多个标签，并可对标签所储存的信息进行读写,操作快捷简便1。无线射频识别系统能实现自动信息识别，从而为人们日常生活和工作带来了极大的方便，节约了大量的人力和时间，快捷、准确的信息识别提高了现代管理的科学性、先进性2。1.2 无线射频识别系统的研究1.2.1 研究背景伴随着时
13、代的进步，人们认识到了科技的力量。对科学的探索永无止境，在21世纪的今天，人们在科学方面的探索达到的一个前所未有的水平。而无线传感器网络被认为21世纪，最具有影响力的改变世界的10大技术之一3。它是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户，然后通过相应的规则进行。通过无规则的大规模的部署传感器节点至目标区域，对目标区域进行监测，无线传感器网络将会改变与客观世界的交互方式。其在定位、医疗、环境监测等许多方面都将
14、给我带了巨大的方便，其研究充满的巨大的潜力。但是在无线传感器网络的具体应用中，不知道传感器位置而感知的数据是没有实际意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，才能实现对外部目标的定位和追踪。而节点位置信息的获得又可以使网络设计者优化无线传感器网络在其它方面的应用，比如对路由算法的优化、联合信号处理、通信开销的优化、基于位置的信息查询等。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，因此必须采用一定的机制与算法实现4。定位感知领域又诞生了一门可以引领时代前进的新技术射频识别技术，即RFID（Radio Frequency
15、 Identification）。射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术5。是集计算机技术、信息采集处理技术、无线数据传输技术、网络数据通信技术和机械电子自动控制技术等多学科综合应用为一体的自动化控制系统。射频识别技术利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象，并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷、可识别高速运动的物体，且可同时识别多个标签等许多优点。 但是RFID抗干扰性较差，而且有效距离一般小于10m，这对它的应用是个
16、限制。而无线传感器网络的定位精确度不是太高，这对无线传感器网络的应用也产生了一些影响。如果将无线传感器网络同RFID结合起来，利用RFID精确的定位性能，并且利用无线传感器网络高达100m的有效半径，形成RFID传感器网络。在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都会有重要的科研价值和实用价值，因此具有十分广阔的应用前景。1.2.2 研究意义RFID在无线传感器网络应用就是综合了RFID和无线传感器网络的技术特点，它继承了RFID利用射频信号自动识别目标的特性，同时实现了无线传感器网络主动感知与通信的功能。因此，RFID无线传
17、感器网络能够更加精确的得到节点甚至整个网络的信息，对控制中心采取下一步措施起着莫大的帮助。RFID传感器网络中，传感器节点往往是随机布置在工作区域当中，大量节点位置在监测区域中是随机的、未知的6。虽然两者结合能够极大的改善系统的，能够优缺点互补，但是其依然具有一些比较严重的问题，比如：工作频率选择、RFID天线研究、防冲突技术研究、安全与隐私问题。由于在实际运用中，如定位、监测都必须熟知节点的分布的具体位置，所以，要对这些节点进行良好的识别。只有明确的识别这些节点，传感器网络才是有意义的。所以为了防止识别中的冲突问题，必须对其算法进行研究，改进，争取提出像ALOHA 算法这样高效的算法，并且能
18、够提出更为合理，更加具有实用性的算法。这样带动该项技术的发展。1.3 国内外无线射频识别系统的发展及现状目前，国内外学者都在对RFID无线传感器网络进行具体研究，但是其中还面临着许多问题，需要这一代的人对其进行更加深入的研究，对具体的算法和结构进行优化。让该技术能真正的改变生活。当前，RFID 技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲突技术和安全与隐私保护等方面。目前国内外比较突出的项目研究有：美国从20世纪90年代开始，就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成的无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(Smart Dust)、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系结构研究(
19、SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要的无线传感器网络的研究项目。自2001年起，美国国防部远景研究计划局(DARPA)每年都投入千万美元进行RFID无线传感器网络技术的研究，并在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力，把RFID无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利
20、诺斯大学等许多著名高校也进行了大量RFID无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究7。美国的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、Texas Instruments等)通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段8。除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对RFID无线传感器网络表
21、现出了极大的兴趣，并各自展开了该领域的研究工作。 我国的RFID无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进无线传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题9。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传
22、感器网络研究直接相关10。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对RFID无线传感器网络技术而设立的。我国的二代身份证采用了13.56MHZ的RFDI技术作为其内核技术，在防伪方面取得了重大的突破。这些都是国家在RFID无线传感器网络中的具体研究11。1.4 主要内容与安排本设计以无线射频识别系统的设计为研究内容，对国内外无线射频识别系统的现状进行详细了解后，结合自己所学知识，以AT89C51为控制芯片，搭建了一个无线射频识别系统，实现标签的识别、与数据传送等功能；对硬件
23、电路、软件流程的设计做了详细的阐述。2 无线射频识别系统整体方案2.1 总体系统方案论证与比较方案一：用nRF401芯片代替传统的无线数传产品。它可以提供433MHz的振荡频率，且工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低。更重要的，它使无线设计简单化了。电感耦合系统，本质上来说是一种互感耦合，即作为初级线圈的阅读器和作为次级线圈的应答器之间的耦合。如果应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合，则处于阅读器天线的交变磁场中的应答器就能从磁场获得最大能量。同时，与应答器线圈并接的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成反作用，从而引起阅读器线圈回路变换阻抗ZT的变化，即接通或关断应答
24、器天线线圈处的负载电阻会引起阻抗ZT的变化，从而造成阅读器天线的电压变化。根据这一原理，可以通过数据控制应答器线圈并接负载电阻的接通和断开，使这些数据以调幅的方式从应答器传输到阅读器。在阅读器端，对阅读器天线上的电压信号进行包络检波，并放大整形得到所需的逻辑电平，实现数据的回收。传输距离是简易无线电系统的综合性技术指标，单工系统最大作用距离为： （2-1）其中Pt天线的有效功率，Smin接收机的最小检测功率，Gt，Gr分别是发射机和接收机的增益，K在实验条件下基本为常量。本系统可分为几个模块：1、应答器单片机控制模块；2、阅读器单片机模块；3、无线传输模块；4、键盘显示、发光二极管模块；5、数
25、据存储模块。如图2-1所示。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。nRF401的Gt，Gr和Smin都比传统的无线数传产品的好，且电路简单。图2-1无线识别装置方案一方框图方案二：如图2-2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，但该芯片不可编辑，故本方案不适合。图2-2 无线识别装置方案二方框图结合以上分
26、析实际情况，采用方案一。2.2 调制方式论证与比较方案一：负载调制。本系统工作在HF段，耦合部分应以变压器模型进行分析。利用变压器的性质，将副边（应答器）线圈折合到原边（阅读器）线圈，改变副边负载的大小时，便能够改变原边的电压特性。这就是负载调制效应。因设计过程复杂而不采用本方案。方案二：频移键控（FSK）。虽然调制电路复杂，成本高，尤其功耗较高，而且解调电路较为复杂。但传输速率快，数据正确率高。尤其是抗干扰能力强。故选用该方案。方案三：幅移键控（ASK）。调制电路简单，功耗较低，常用于简单的低速数据通信，解调电路也十分简单，但抗干扰能力不强，综合考虑不选用该方案。2.3 555时钟电路控制对
27、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使用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，阅读器不使用该电路。这样的设计就是让阅读器不停地工作，定时电路控制应答器接受能量、储能以及编码并发送，但因为应答器的输出功率太小，如果阅读器那边连续辐射信号，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
28、使用该电路。也就是应答器会不停地工作，而阅读器间歇的工作，这样就能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。3 系统硬件电路设计该控制系统采用MCS-51系列单片机作为核心控制器，nRF401芯片作无线收发的核心部件，5位8段数码管显示模块显示信息。5位8段数码管是由5个相同的由8段发光二极管组成数码管，可以显示字母和数字。键盘部分为44矩阵键盘。无线传输部分采用手工绕制线圈，利用nRF401提供的振荡频率发送和接受数据并在无源时负责给应答器提供电源，以保证数据通信顺利完成。3.1 阅读器电路分析与设计阅读器总体设计框图如图3-1所示。图 3-1
29、阅读器系统总体框图电路的设计关键点主要是：如何把信号从线圈发射和接收回来，使之有较好的准确性；因此采用nFR401做发射和接收。3.1.1 阅读器单片机最小系统设计本系统采用了24C64作为外置内存，而24C64采用了I2C总线，I2C总线增加了高速模式（HS模式），它将位速率增加到3.4Mbit/s，而且它还具有极低的电流消耗，抗高噪声干扰，电源电压范围宽，工作的温度范围广和以下的优点：（1）单信号供给电压4.5V5.5V；（2）低功耗CMOS技术；（3）组成结构42568或82568；（4）两对双口I2C总线；（5）工作频率100KHz；（6）百万次擦写。串行通信接口采用德州仪器公司（TI
30、）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。LED显示器采用5位共阴式数码管。每一位数码管的电流大约为10mA。若将无用的位消隐，则会增加显示位的亮度，故实际中会消隐无用的位以增加显示亮度。选用二与门DS75451为LED位选，集电极开路的非门LED的段驱动，为保证每位LED的驱动电流，选择其上拉电阻位500。具体实现电路
31、如图3-2和3-3所示：图 3-2 阅读器键盘电路图 3-3 阅读器显示电路3.1.2 阅读器发射电路nRF401是北欧集成电路公司（NORDIC）的产品，是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片。它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可达到20Kbit/s，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。nRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线12。它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.
32、92/434.33MHz）,工作电压范围可以从2.7V-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效13。天线接口设计为差分天线以便于使用低成本的PCB天线nRF401还具有待机模式这样可以更省电和高效nRF401的工作电压范围可以从2.7-5VnRF401满足欧州电信工业标准(ETSI)EN300 200-114。nRF401是一个为433MHz ISM频段设计的单片UHF无线收发芯片15。采用抗干扰能力强的FSK调制解调技术，工作频率稳定可靠，外围元件少，功耗极低16。其最高20Kbit/s的工作速率完全可以满足本系统的要求。nRF401的ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输
33、入，以及发送时发射功率放大器PA的输出17。连接nRF401的天线可以以差分方式连接到nRF401，一个50的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。对比传统的鞭状天线或单端天线，不仅节省空间和生产成本，机构上也更稳固可靠，而且它的设计比较简单，这样更容易实现其功能。发送和接收频率问题：为了获得最好的RF性能，发射和接收频率误差不能超过70ppm（30KHz）。这就要求晶体的稳定度不能低于35PPM，频率的差异将会导致接收机灵敏度产生-12dB/倍程的损失。例如一个20ppm频率精度和在温度范围内25PPM稳定度的晶体，最大的频率误差将会超过45ppm。如果发射机和接收机工作
34、在不同的温度环境，在最差的情况下两边的误差将会超过90ppm，其结果将会导致接收机灵敏度下降将近5dB。ANT1和ANT2是接收时LNA的输入以及发送时功率放大器的输出连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的在天线端推荐的负载阻抗是400它采用的是一个典型的采用差分天线方式原理图功率放大器输出是两个开路输出三极管配置成差分配对方式功率放大器的VDD必须通过集电极负载当采用差分环型天线时VDD必须通过环型开线的中心输入一个50的单端天线或测试仪器也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。引脚功能如表3-1所示：表3-1 引脚功能描述管脚名称功能说明1XC1输入晶振输入4FI
35、LT1输入环路滤波器5VCO1输入VCO电感6VCO2输入VCO电感9DIN输入数据输入10DOUT输出数据输出11RF PWR输入发射功率设置12CS输入频道选择CS=0-433.92MHz(channel#1)CS=1-434.33MHz(channel#2)15ANT2输入/输出天线终端16ANT1输入/输出天线终端18PWR_UP输入节电控制PWR_UP=0-Power down（待机模式）PWR_UP=1-Power up (操作模式)19TXEN输入发射/接收控制TXEN=0-接收模式TXEN=1-发射模式20XC2输出晶振输出重要时序参数：（1）TX与RX之间的切换当从RX切换到
36、TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时，数据输出脚（DOUT）要至少3ms以后有数据输出18。（2）Standby与RX之间的切换从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tSR时间后,DOUT脚输出数据才有效。对 nRF401来说，tST最长的时间是3ms。从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST19。（3） Power Up与TX间的切换nRF401的工作模式真值表见表3-2表3-2 nRF401工作模式真值表输入电平工作模式TXENCSPWR_UP频道模式0011TX0112TX1011RX1112RXXX0待机主要技
37、术指标如表3-3：表3-3 主要技术指标参数数值单位频率433.92/434.33MHz调制方式FSK调制度15KHz最大输出发射功率400,3V10dBm灵敏度400,BR=20kbit/s,BER10-105dBm最大速率20Kbit/s工作电压2.7-5.25V接收电流250uA发射电流-10dBm输出8mA待机电流8uA阅读器发射电路不仅仅要提供信号的发射，同时也要发射应答器正常工作所需要的电能。采用了4MHz的晶体振荡器，经过功率放大，驱动由线圈和电容构成的并联谐振电路。为了获得更好的RF性能，设计PCB时直流供电离VDD脚尽可能近，且nRF401的电源应与数字电路分离，避免长的电源
38、走线，所有元件地线，VDD连接线，VDD去藕电容必需离nRF401近。nRF401无线收发芯片的内部结构框图如图3-4所示，内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。图3-4 nRF401内部结构框图晶振电路和等效电路见图3-5，nRF401与单片机共用的是同一个晶振，具体如图3-6所示。图3-5 晶振电路及其等效图图3-6 nRF401与单片机共用一个晶振用单片机的I/O口对读、写控制口控制nRF401的DIN、DO
39、UT、TXEN、PWR_UP、CS这五个脚。通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送、接收数据或进行状态转换。具体实现电路如图3-7所示：图 3-7 阅读器发射接收电路其中，DIN端口接单片机的TXD，DOUT端接单片机的RXD，TXEN， PWR_UP，CS端接单片机的I/O口。当从加电到发射模式时，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便频率合成器进入稳定状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。发射时TXEN=1，接收时TXEN=0，在接收和发射中要有适当的延时。3.1.3 耦合线圈的配置原理对于电感耦合系统来说，
40、只要应答器线圈处于发送天线的近场之内，则互感耦合就是有效的。下面介绍一下电磁感应：当线圈中的电流转变时，转变中的电流生成一转变中的磁场。在磁场作用范围中的第二条电线，会感受到磁场的转变，于是自身的耦合磁通量也会转变（dB/dt）。因此，第二个线圈内会有电动势，这电动势被称为感应电动势或变压器电动势。如果线圈的两端是连接着一个电负载的话，电流就会流动。耦合线圈就是通过电磁感应（即将一个波动的电流或电压在一个线圈（称为初级线圈）内产上磁场，在同一个磁场中的另外一组或几组线圈（称为次级线圈）上就会产生相应比例的磁场（与初级线圈和次级线圈的匝数有关）的互感作用能传递电信号。同时也包括载运的模拟或数字信
41、息。将被编码的数字信号调制到载波里可以实现传递数字信号。根据题目所设置的要求，选用漆包线直径为0.76毫米，所绕制的两个线圈L1、L2，测试得其电感量分别为12.00H和12.49H，在4MHz频率上测得其Q值约为56左右，折算成等效串联损耗电阻约为5.5欧姆。如果要实现耦合线圈的匹配，为了实现最大的能量传输，初、次级两端分别设置成并联谐振。设计中谐振频率取4MHz，则通过谐振计算公式，算得初、次级的谐振电容分别为131.93pF和126.65pF。实际电路调试通过电容微调可得到最佳匹配。3.2 应答器电路分析与设计应答器总体设计如图3-8所示：图 3-8 应答器系统总体框图应答器具有如下特点
42、：（1）工作频率为国际通用的数传频段； （2）FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合； （3）采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好； （4）灵敏度高，达到-105dBm（nRF401）； （5）功耗小，接收状态250 A，待机状态仅为8A（nRF401）； （6）最大发射功率达 +10dBm ；（7）低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求； （8）具有多个频道，可方便地切换工作频率 ；（9）工作速率最高可达20Kbit/s（nRF401）； （10）仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试； （11）因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的
43、使用距离最远可达1000米（与具体使用环境及元件参数有关）。3.2.1 应答器电源电路应答器电源电路如图3-9所示，桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。正弦信号在正半周时，对D3和D4加正向电压，D3和D4导通；对D2和D5加反向电压，D2和D5截止。电路中构成R22、D4、R23、D6、D3的回路。对D2和D5加正向电压，D2和D5导通；对D3和D4加反向电压，D3和D4截止。电路中构成D5、R23、D6、D2、R22的回路。如此重复下去，线圈得到的交流正弦波通过整流桥后便得到全波整流电压直流正弦波，再经过电容、稳压管后变成电压稳定的直流供电。图 3-9 应答器电源电路3.2.2 应答器发
44、射电路及单片机应答器发射电路与阅读器相同，都采用nRF401做为发射电路，采用了4MHz的晶体振荡器。用单片机的I/O口RXD、TXD、P01、P02、P00分别控制芯片nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWR_UP、CS这五个引脚。通过单片机根据需要进行是否发送转换控制或进行状态转换。具体实现电路如图3-10所示：图3-10应答器发射电路及单片机4 系统软件设计4.1 阅读器程序设计4.1.1 阅读器主程序设计通过单片机对电路进行控制，当软件程序调用不同的键值就会引发不同的操作。下面是具体的键值意义。当程序调用41H时表示将要实现系统的有源识别功能，应答器无编码。41H: 有源识别
45、应答器无编码；42H: 有源识别 应答器有4位编码；43H: 无源识别 应答器有4位编码；44H: 有源识别应答器存储数据；45H: 有源识别应答器上传存储数据。阅读器采用HD7272A控制44键盘，初始化包括串行口和nRF401初始化，初始化后等待按键，然后判断是不是功能键，不是继续等待按键，是则转到相应的模块。（1）有源无码测试（2）四位编码测试（3）上传数据测试（4）下载数据测试具体流程图如图4-1所示。图 4-1 阅读器主程序流程图4.1.2 阅读器有源无编码测试子程序有源无码测试时，先输入4位数字发送并接收显示，如果接收失败则继续接收，如图 4-2所示。图4-2阅读器有源无编码测试子
46、流程图4.1.3 阅读器4位编码测试子程序4位预置编码测试时，接到发送命令后接收并显示。如果接收失败则继续接收，如图4-3所示。图4-3阅读器4位编码测试子流程图4.1.4 阅读器上传数据测试子程序下载数据测试时，先输入4位数字发送并接收显示，如果接收失败则继续接收，如图 4-4所示。图4-4阅读器上传数据测试子流程图4.1.5 阅读器下载数据测试子程序下载数据测试时，接到发送命令后接收并显示。如果接收失败则继续接收，具体如图4-5所示。图4-5阅读器下载数据测试子流程图4.2 应答器程序设计4.2.1 应答器主程序设计应答器在开始及初始化后，便进入等待状态，等待接收。接收到后依次检查是以下四种检测的哪一种。四种检测分别为有源无码测试、4位编码测试、上传数据测试、下载数据测试。分别进入对应的识别数据返回数据、识别命令返回编码、识别数据存储数据、识别命令返回数据子程序，如图4-6所示。图4-6应答器主程
