基于耦合线圈的匹配理论的无线识别装置设计

学号: 11034020237 毕业设计说明书基于耦合线圈匹配理论的无线识别装置设计The design of wireless identification device based on the theory of coupling coil matching学院:计算机与电子信息学院 专业:电气工程及其自动化 班级: 电气 11-2学生: 张健伟指导教师: 熊建斌(副教授) 设计时间 2015 年 1 月 1 日至 2015年 6 月 7 日广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书本人郑重承诺：基于耦合线圈的匹配理论的无线识别装置设计毕业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在 熊建斌指导教师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名： 2015 年 5 月 20 日专业负责人批准日期毕 业 设 计 任务书院（系）：计算机与电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班 级：电气11-2班学生：张健伟 学号：11034020237 一、毕业设计课题 基于耦合线圈的匹配理论的无线识别装置设计二、毕业设计工作自2015年1月1日起至2015年6 月7日止三、毕业设计进行地点广东石油化工学院 四、毕业设计的内容要求本题设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。装置中阅读器、应答器均具有无线传输功能，频率和调制方式自由选定。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。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（可用直径6.6 cm左右的易拉罐作为骨架，绕好取下，用绝缘胶带固定即可）。线圈间的介质为空气。两个耦合线圈最接近部分的间距定义为D。阅读器、应答器不得使用其他耦合方式。本课题具体较强的应用环境。 要解决的问题：（1）耦合线圈的匹配理论（2）阅读器发射电路分析和接收电路分析 指导教师熊建斌接受毕业设计任务开始执行日期2015年2 月30日学生签名张健伟广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：高干扰石化环境下无线识别装置的设计与实现摘 要随着科技的飞速发展，工业生产也趋向于高科技化、智能化。我国工业产业经过几十年的发展，近几年进入快速增长期，经济的飞速发展使人们对产业稳定性的需求越来越高，近几年厂家也越来越重视生产环节的稳定做出了许多配套设施，产业的稳定的系统既是生产环节中重要的系统，也是经济快速发展的重要因素，射频识别技术发展极大程度的带动了产业的稳定性和抗干扰能力的发展。与此同时，由于射频识别技术的优势，国家对射频识别技术的发展一直都给予政策上的鼓励。本文设计了一个基于耦合线圈的匹配理论的无线识别装置，从原理、硬件等方面分别阐述了如何将无线射频识别技术运用于实际的无线识别系统当中。首先，本文阐述了有关射频识别技术的国内外发展现状和射频识别技术所面临的难题、挑战。然后，介绍了射频识别技术的设计方案，重点描述了射频识别技术中的技术要求和理论方法，包括射频识别技术的概述、耦合线圈的匹配理论和系统功能要求。其次，简介了无线识别装置的硬件设计、安装调试方案。最后，对设计的无线识别装置进行整体性测试和分析。本系统基本可以实现本设计的技术要求指标，实现了通过耦合线圈使得阅读器和应答器进行信息的交流。但因本人技术有限，对射频识别装置的研究还有待提高，这需要在未来的学习和研究中继续加强。关键词：射频识别技术 耦合线圈的匹配理论 阅读器 应答器AbstractWith the rapid development of technology, industrial production tends to be high-tech and intelligent. Industry of our country industry after decades of development, in recent years entered a period of rapid growth, the rapid development of economy make people increasingly high demand on the stability of the industry. In recent years, manufacturers pay more and more attention to the stability of the production process to make many facilities, stable industry system is not only the production link system, rapid economic development is an important factor, radio frequency identification technology development drives the development of industry stability and anti-interference ability greatly. At the same time, the development of radio frequency identification technology has always been encouraged by the advantages of RFID technology.In this paper, I designed a wireless recognition device based on the matching theory of the coupling coil. From the principle, hardware and respectively expounds the how to use the radio frequency identification technology in practical wireless identification system.Firstly,this paper expounds thedevelopment status,challengesproblem of radio frequency identificationtechnology at home and abroadand face recognitionface.And then, this paper introduces the design of radio frequency identification technology and realization scheme of radio frequency identification technology in the technical requirements and the theoretical method is described in detail, including radio frequency identification technology overview, coupling coil matching theory and the system functional requirements.Secondly,the hardware design,introduces thewirelessidentification device installation andimplementation.Finally,thetestandanalysis of wirelessidentification devicedesign.This system can realize the design of the technical requirements, through the coupling coil makes the reader and transponder information exchange.But because of my limited technology and research of radio frequency identification device still need to be improved, the need to continue to strengthen in the future study and research.Key words： Radio frequency identification technology The matchingtheory of couplingcoil Transponder Reader广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于耦合线圈的匹配理论的无线识别装置设计目录摘要iAbstract1第一章绪论11.1研究的背景及意义11.2国内外现状21.2.1国外现状21.2.2国内现状41.3本大论文的架构51.4本章小结5第二章总体框架的设计与原理62.1总体框架设计62.2耦合线圈的匹配理论92.3 PT2262/2272102.4 LM555原理122.5本章小结13第三章硬件模块的设计143.1设计思路143.2 设计方案143.2.1总体方案论证与比较143.2.2 调制方式论证与比较153.2.3 555时钟电路的控制对象论证与比较163.2.4功率放大电路设计的论证与比较163.2.3 阅读器部分173.2.4 应答器部分183.3硬件的设计193.3.1 阅读器主要电路193.3.2应答器主要电路193.3.3时钟单元电路203.4阅读器发射电路分析213.5阅读器接收电路分析213.6本章小结22第四章无线识别装置的工作流程与测试234.1 识别装置工作流程图234.1.1 阅读器工作流程图234.1.2 应答器工作流程图244.2整机调试与测试244.2.1耦合线圈电感量大小与谐振频率244.2.2识别距离测试254.2.3识别正确率与识别时间测试254.2.4识别时功耗测量254.3装置的改进方案254.6本章小结26第五章总结275.1总结275.2展望未来27参考文献29致谢31附录32第一章 绪 论第一章 绪 论1.1研究的背景及意义随着科技的飞速发展，工业生产也趋向于高科技化、智能化。我国工业产业经过几十年的发展，近几年进入快速增长期，经济的飞速发展使人们对产业稳定性的需求越来越高，近几年厂家也越来越重视生产环节的稳定做出了许多配套设施，产业的稳定的系统既是生产环节中重要的系统，也是经济快速发展的重要因素，射频识别技术发展极大程度的带动了产业的稳定性和抗干扰能力的发展。与此同时，由于射频识别技术的优势，国家对射频识别技术的发展一直都给予政策上的鼓励。虽然中国企业的信息化水平还比较低，但中国企业还在更快速地发展中。今年中国有超过40家企业进入世界500强，更多的本地企业是跨国企业的快速增长，这些企业不断完善和改进他们的管理要求，必然会加快信息化建设和发展，在这一方面，中国企业是有优势可谈的，但企业信息化必将为RFID的发展带来一个很好的机会。随着信息化进程的不断更新，中国企业中的RFID应用技术将会实现从离散的点到一个整体面上，逐步拓展到更宽广的应用领域。目前在商品物流管理过程中，条形码是产品识别的主要手段，但条形码仍存在许多无法克服的缺点。而RFID是可擦写的、使用时不需对准标的、同时可读取多个、坚固全天候使用，可不需人力介入操作，具有独特的优势。所以条形码是有可能被RFID标签替代的，射频识别技术在未来的物流领域将会被广泛应用。在物流中，从采购、存储、包装、装卸/搬运、运输、流通加工、配送、销售到服务，都是物流上环环相扣的业务环节和流程，它们之间是相辅相成又相互制约的。在物流运作时，企业必须实时地、精确地了解和掌握整个物流环节上的商流、物流、信息流和资金流这4者的流向和变化，使商流、物流、信息流、资金流以及各个环节、各个流程都协调一致、相互配合，才能发挥其最大经济效益和社会效益。然而，由于实际物体的移动过程中，各个环节都是处于运动和松散的状态，信息和方向常常随实际活动在空间和时间上移动和变化，结果影响了信息的可获性和共享性。而无线射频自动识别技术RFID，正是有效解决物流管理上各项业务运作数据的输入/输出、业务过程的控制与跟踪，以及减少出错率等难题的一种新技术。当今，随着经济全球化的趋势在不断增强，全球经济一体化的步伐在加快，竞争更加激烈，竞争的形式已由企业之间的竞争转变为供应链之间的竞争，同时客户的消费需求也在朝多样化、个性化方向发展。在这种竞争环境下，必须实现跨企业的供应链协作，改变原来传统的信息系统，采用先进的信息技术，进行供应链的优化和重组，实现供应链上的信息共享与业务集成，提高对市场与需求的响应能力，缩短订货提前期，降低库存水平，提高物流效率，减少递送时间，提高信息的获取能力和传递能力，提高供应链整体的竞争力。同时，信息技术的迅速发展和其成本的不断降低，使得供应链管理能够不断采用新型的信息技术来完成上述目标，极大地提高了供应链的运作效率与效益。目前RFID被广泛采纳应用。它主要应用以下几个方面：车辆自动识别管理；高速公路收费及智能交通系统；货物的跟踪、管理及监控；仓储、配送等物流环节；电子钱包、电子票证；生产线产品加工过程自动控制；动物跟踪和管理。而当今我国物流发展存在很多制约因素，远远跟不上国际物流的发展速度,所以研究射频技术对我国物流发展有着很重要的意义。本文设计了一个基于耦合线圈的匹配理论的无线识别装置，具有较高的应用环境。1.2国内外现状1.2.1国外现状RFID的基本技术原理首次出现于二战时期，最初是盟军识别敌我双方的飞机和军舰就是通过无线电数据技术来实现的。战后，由于需求的成本高，该技术基本上仅仅应用于军事领域，民用领域并没有得到很好的推广与应用。直到上世纪的80、90年代的，不断随着电子和芯片技术得到了较好地广与改进应用后，RFID技术应用到道路交通收费等各种民用领域上的情况首次出现在欧洲。RFID迎来新的发展时期时已到二十一世纪初，世界各国开始普遍关注在民用领域RFID的价值，尤其是在西方发达国家，RFID技术被广泛应用于自动化声场、访问控制、道路收费、停车场管理、个人ID识别、跟踪货物动向等民用领域中，其应用范围还在不断扩大与发展。在产业方面，美国的TI、英特尔等集成电路制造商目前都在RFID领域投入巨资用于芯片开发，Symbol等已经研发出一种扫描器可以同时可以阅读条形码和RFID1。IBM、Microsoft和惠普等也在积极支持对RFID的应用并开发其相应软件及系统以实现其应用价值。在美国已经逐步应用RFID技术到交通、现场车辆管理、个人身份ID识别等领域。此外，值得我们注意的是RFID应用这一技术的主要积极推动者是来自于美国政府。根据合同规定，美国防部自2004年10月1日以后，RFID标签都会使用在所有军需物资；美国食品及药物管理局推荐制药商等厂家从2006年起利用RFID跟踪最为常见额假冒伪劣药物；美国社会福利局于2005年年初对RFID技术追踪SSA各种表格和手册得到了正式的使用2。 欧洲在产业方面也在应用RFID技术：飞利浦在开发许多物美价廉的RFID芯片上努力研发中；有关在多系统上面的应用，Checkpoint积极地研发RFID的识别技术和识别系统；诺基亚应用RFID技术在研究移动电话购物系统。在产业应用方面，欧洲基本上如交通、识别系统、生产线自动化控制、物资跟踪等各个封闭系统与美国不分上下。目前，欧洲许多大型企业都努力在应用推广RFID技术。日本作为一个制造业强国，它在RFID技术出现之后很早地就开始在电子标签的研究，同时也与其政府有关。政府非常重视RFID技术的研究并视为一种关键技术来对待。MPHPT在2004年发布了针对RFID的关于在传感网络时代运用先进的RFID技术的最终研究草案报告3，MPHPT将继续支持测试在UHF频段的无源和有源RFID技术，并在通过这些测试上进一步研究控制问题；自2004年七月起，日本经济产业省部选择了七个工业RFID的应用试验，包括消费电子，服装，书籍，音乐CD，工程机械，医药物流4。在RFID领域的最新发展趋势，结合应用和研究RFID技术的产品和解决方案能够更有效地为RFID应用的做出较好的推广，2005在日本，特别是在物流等非制造业，奠定了坚实的基础。韩国通过国家发展规划，结合企业推动RFID发展的强度，这主要是由工业和信息化通信来积极推动RFID技术的发展计划。需要引起我们关注的是，由于RFID的重要性得到了进一步加强，在2004三月韩国IT839计划最初计划。虽然在黯淡的领域在RFID的发展和应用韩国，但值得注意的是，韩国政府高度重视RFID技术的发展，韩国正在加速膨胀的试验与应用。从全球的角度来看，美国在RFID的标准和相关的硬件和软件技术的发展美国走在世界前列的应用。欧洲RFID标准遵循美国LED EPC全球标准。在封闭系统中的应用，欧洲和美国基本上在同一阶段。虽然日本在研究RFID技术时提出了UID标准，但主要支持者的组成还是是以国内厂商为主，想成为国际标准的这条路还有很长的时间要走。RFID的重要性在韩国不断受到政府给予高度重视，但在RFID的标准上韩国仍然是模糊的。1.2.2国内现状在二十一世纪初，中国已经在RFID技术上有了尝试性的研究，国家对射频识别技术的发展一直都给予政策上的鼓励，2006年六月，中国发布了中国RFID技术政策白皮书，标志着RFID的发展已经发展到国家产业发展战略的层次。到2008年底，参加RFID的中国数百个相关企业，已逐步开始形成从标签及设备制造到软件开发集成等的一个较为完整的RFID产业链5。目前，在中国许多地区的RFID应用，包括物流，ID卡，医药，烟草，奥运门票，宠物管理等等都有了很大的发展，但是我们觉得在日常生活中，RFID还离我们很远6。除了二代身份证上的应用比较多之外，我们常常并未感受到在我们生活中的RFID的存在。到底是什么原因？事实上，原因很简单，虽然RFID是迅速在各个领域得到了应用，但相对于我国经济规模，其应用范围还没有很大的推广与改进，即使在运输和物流行业的RFID应用，更多的，是在点的分布，并不能达到国家。往往是行业的龙头企业保持其竞争地位和使用这种新技术的第一次尝试，越来越多的企业持观望态度，犹豫不决。或以物流业为例，RFID技术的应用可以大大提高物流企业在物流方面的工作效率，如减少货物出入库所需要的时间，也可以减少现场操作人员的人数，从而实现快而准的技术定位和准确的库存货物跟踪，但今天，在中国物流企业的RFID技术的真正能够做到的还屈指可数7。在经济危机爆发以来，行业中的许多人也纷纷开始对RFID产业的未来并对其发展前景的感到迷茫与不信任。虽然中国企业的信息化水平还比较低，但中国企业还在更快速地发展中。今年中国有超过40家企业进入世界500强，更多的本地企业是跨国企业的快速增长，这些企业不断完善和改进他们的管理要求，必然会加快信息化建设和发展，在这一方面，中国企业是有优势可谈的，但企业信息化必将为RFID的发展带来一个很好的机会。随着信息化进程的不断更新，中国企业中的RFID应用技术将会实现从离散的点到一个整体面上，逐步拓展到更宽广的应用领域。而通过减少RFID的消耗的成本，就能够扩大市场，从而能更好地推广RFID应用技术，将RFID应用于托盘或集装箱整箱货物跟踪逐步扩展到单货物跟踪级别8。最后，从供应链的角度来看，目前推动产业升级的国家，是使企业更多的中国生产的高技术，高附加值，高利润的产品，而这些领域，它是RFID发挥。产业升级将带动中国企业提升市场竞争力，逐步从单一企业的供应链之间的竞争。在接下来的几年里，我们将看到，RFID的实施将由个别企业走出困境才实施的，并表明在整个供应链上公司作出相关的协调实施工作，最大程度地发挥RFID所带来的好处。1.3本大论文的架构本论文主要由绪论、原理及总体设计、系统硬件设计与实现、系统软件设计与实现、系统调试与分析等五大章所组成，各章节之间环环相扣，紧密联系。各章节主要内容安排如下：第一章 绪论。本章论述了本设计的目的和意义，介绍了RFID的现状和前景、国内外现状以及面临的主要挑战和技术难题。第二章 总体框架的设计与原理。本章论述了本系统所用耦合线圈的匹配理论和系统的总体设想和功能设计。第三章 硬件模块的设计。本章首先较为详细的分析系统所选用的硬件特性与其他同类硬件的比较，再简单进行硬件总体方案设计的阐述，最后简单介绍系统硬件部分的安装和调试。第四章 无线识别装置的工作流程与测试。本章简单介绍了本系统的工作流程和实际测试方案的设计。第五章 结论。本章总结了本毕业设计的主要研究成果和不足之处，并探讨了面临的问题与改进的想法。1.4本章小结本章讲了研究的背景和意义，介绍了射频识别技术的国内外发展现状以及本论文的架构。33广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于耦合线圈的匹配理论的无线识别装置设计第二章 总体框架的设计与原理2.1总体框架设计图2.1总体设计框架图如图2.1所示振荡电路产生的电磁能经过后续的放大电路放大后，由耦合线圈的谐振耦合发射出去，应答器通过放大整流电路对电能进行储存，储存在储能电容里，电容电压会通过电压判断电路进行电压判断，当电容电压达到了正常工作的电压时，应答器就会开始工作，编码信号通过串口发送并经过有源晶振产生载波信号，通过ASK调制后就会从耦合线圈发射出去，应答器发送过来的编码信号输送到编码芯片接收串口前会经过检波电路。对编码信号进行检波比较，然后输出的数据就会通过解码芯片进行读取与编码，最后对编码信号进行显示输出识别出来的结果。振荡电路和检波电路是通过555定时电路控制其周期性地工作，电子开关可以控制其单工切换,继电器控制其独立工作。RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，就是我们所称的电子标签。RFID射频识别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进行交流，获取相关数据，识别工作不需要人工的干预，可工作于不同的恶劣环境。RFID技术不仅可以识别高速运动物体还可以同时识别多个标签， 操作简单快捷方便9。 弗格森是埃森哲实验室首席科学家之一，他认为RFID对于我们来说是一种具有突破性的一项技术：第一，可以识别一个特定的物体，而不是像条形码那样只能识别某一类物体；第二，通过无线电射频的技术，可以通过外部材料组成的系统来读取数据，而条形码则必须通过激光来获取信息；第三，通过设定可以同时对多个具体内容的物体进行识别和读取，而条形码只能依次对物体一个一个地读取。此外，它所能储存的信息量比条形码更加的大。10RFID最基本的系统由三部分组成：1）标签 通过耦合元件和芯片组成，每个标签都设置有唯一的电子编码，附着在物体上以便标识目标对象；2）阅读器 能够读取(有时还可以写入)标签信息的设备，有手持式或固定式的设计方案；3）天线 是标签和读取器间传递射频信号所需要的器件。RFID技术的基本工作原理是非常简单的：当标签进入天线形成的磁场后，就会接收到由解读器所发出的射频信号，通过并天线产生的感应电流获得的工作能量发送出储存在芯片中产品信息，也可以主动输送出某一频率的信号；解读器就会进行读取信息并进行解码后，然后送至中央信息系统进行相应的数据处理11。RFID技术的典型应用有：物流和供应管理、动物身份标识、航空行李处理、门禁控制/电子门票、文档追踪/图书馆管理、道路自动收费、运动计时、邮件/快运包裹处理门禁控制/电子门票、生产制造和装配动物身份标识。RFID系统的基本工作流程是：阅读器利用发射天线对外发送出具有一定频率的射频信号，当应答器进入发射天线辐射出来的磁场时，即进入工作区域，产生感应电流，应答器获得工作所需要的能量；应答器将自身已进行编码的信息通过对应的发送天线发射出去；阅读器的接收天线接收到从应答器发送来的载波信号，就会经过天线调节器输送到阅读器，阅读器就会进行解调和解码所接收的信号并发送到后台的主系统进行进一步处理；主系统根据所设置逻辑运算判断信号的内容是否合法，针对不同的设定做出对应的处理和控制，最后发出指令信号到执行单元进行执行与显示。在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从应答器到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块10。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号12。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感耦合系统的高频接口原理图如图1.1所示。 石英振荡调制器输出级放大器天线端带通滤波放大器调制器发送数据接收数据图2.2 RFID系统的基本结构阅读器的控制单元的功能包括：可以和应用系统软件进行信息的交流，并执行由应用系统软件所发来的信号；控制与应答器的通信过程(主-从原则)；可以对信号进行编解码。还可以对一些特殊的系统进行反碰撞算法，加密和解密应答器与阅读器间要传送的数据，以及进行身份验证应答器和阅读器等附加功能12。 RFID系统一个很关键的参数是系统的读写距离。据我了解，长距离射频识别系统还处于高昂的价位，因此对于如何选择提高其读写距离的方法就显得尤为重要了。影响应答器读写距离的因素包括信号天线对应的工作频率、阅读器的RF输出功率问题、阅读器的接收器件的灵敏度、应答器的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和应答器的耦合度，以及应答器本身需要获得的工作能量以及发送信息需要的能量等。大多数系统的读取距离跟写入距离是存在着差异的，通常写入距离大约是读取距离的40%80%14。RFID技术利用无线射频的方式通过应答器和阅读器之间进行非接触性的双向数据传输，目标识别和数据交换是其主要的目的。跟传统的条型码、IC卡和磁卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度迅速、几乎没有磨损、受到环境影响的甚少、使用寿命长、简单方便使用的特点和具有对象性的功能，还能同时识别处理多张卡片。在国外，射频识别技术在工业自动化、交通运输控制管理、商业自动化等众多领域都有其广泛的应用环境。与传统的识别技术相比，RFID技术可以不需要直接接触、也不需要光学可视和人工干预便可完成信息输入和处理，而且操作方便。应用程序可以广泛应用于在数据采集和处理领域的物流，生产，运输，交通，医疗，安全，跟踪设备和资产管理的需要，信息可以被更新，标签可重复使用，被认为是条形码标签的未来替代品。 2.2耦合线圈的匹配理论耦合线圈的匹配理论主要采用磁场耦合，通过电感与电容发生LC谐振。在指定的频率下，可以通过改变电感大小或者电容大小，从而达到谐振频率。当两个线圈发生谐振并且靠得比较近时，其中一个线圈里的电流所产生的磁场在另一个线圈中产生感应电动势12。图2.3 耦合线圈的匹配理论本设计中的耦合线圈根据要求采用直径约为0.6mm的漆包线密绕10圈形成直径为6.6cm的线圈，线圈总长2.15米，厚度为6mm。由圆形线圈的电感计算公式：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1、2的电感计算值为15.92uH，实际测量两个线圈电感值都为18.33uH,可以看出电感线圈的计算值与实际值非常接近。线圈与可变电容组成并联谐振回路，线圈电感为18.33uH,电容容量为100PF，根据谐振频率公式：可得谐振频率对回路进行谐振频率测量得到谐振频率为3.86MHZ。因而，阅读器采用4.000MHZ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4.000MHZ有源晶振作为载波频率。2.3 PT2262/2272图2.4 PT2272引脚图 PT2272管脚说明如表2.1所示表2.1 PT2272管脚说明名称管脚说明A0-A111-8、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-D57-8、10-13地址或数据管脚,当做为数据管脚时,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。Vcc18电源正端（+）Vss9电源负端（）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端OSC116振荡电阻输入端，与OSC2 所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端VT17解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）图2.5 PT2262引脚图PT2262管脚说明如表2.2所示表2.2 PT2262管脚说明名称管脚说明A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空)D0-D57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉。Vcc18电源正端（+）Vss9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效。OSC116振荡电阻输入端，与OSC2 所接电阻决定振荡频率。OSC215振荡电阻振荡器输出端。Dout17编码输出端(正常时为低电平)。PT2262/2272 芯片的地址编码设定和修改：在通常使用中，我们一般采用8 位地址码和4 位数据码，这时编码电路PT2262 和解码PT2272 的第18 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，只有发射端PT2262 和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262 和PT2272 的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262 和PT2272 的18 脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262 的第1 脚接地第5 脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272 只要也第1 脚接地第5 脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1D4 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。用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。2.4 LM555原理图2.6 LM555引脚图表2.3 LM555管脚说明编号名称说明1GND地线2TRIGGER触发3OUTPUT输出4RESET复位5CONTROL VOLTAGE控制电压6THRESHOLD阀值7DISCHARGE放电8VCC电源LM555 管脚说明如表2.3所示，其时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。其中 6 脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。2 脚为触发端（TR），是下比较器的输入。3 脚为输出端（OUT），有 0 和 1 两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。7 脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。4 脚为复位端（R），叫上低电平（ 0.3V）时可使输出端为低电平。5 脚为控制电压端(CV )，可以用它来改变上下触发电平值。8 脚为电源（VCC），1 脚为地（GND）。一般可以把 LM555 电路等效成一个大放电开关的 R-S 触发器。这个特殊的触发器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端 R，要求高电平；触发端（TR）可看成是置位端 S，低电平有效。它只有一个输出端 OUT，OUT 可等效成触发器的 Q 端。放电端（DIS）可看成由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 时 DIS 端接地；反 Q=0 时 DIS 端悬空。此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。2.5本章小结本章论述了无线射频识别技术的一些基本知识，本系统所用耦合线圈的匹配理论和系统所使用的PT2262/2272芯片和LM555的引脚说明。广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于耦合线圈的匹配理论的无线识别装置设计第三章 硬件模块的设计3.1设计思路图3.1无线识别装置的总体设计示意图12本设计是利用耦合线圈的匹配理论而制成的无线识别装置。系统分为阅读器与应答器两部分：阅读器由耦合线圈、PT2272、发光二极管等组成；应答器由耦合线圈、PT2262、拨码开关等组成。由单电源提供能量给阅读器，耦合线圈为应答器提供全部的能量，无线数据传输串口异步通信与ASK调制等方法实现无线数据传输的功能。阅读器能够识别距离为D的应答器的信号并显示识别结果，显示正确率不会低于80%，识别距离D不会低于5cm，响应时间不会大于5S。3.2 设计方案3.2.1总体方案论证与比较设计方案一：如图3.2所示，通过51单片机和有源晶振振荡器设计的无线识别系统。阅读器的扫描应答信号方式为串口通信方式，每当阅读器接受到应答发出的信号后，它总能判别其是否为有效信号，如果判定为有效信号时则会按要求显示应答器所发出的信息，并通过蜂鸣的信号提示。当应答器处在阅读器的正确识别距离时，应答器会通过他们的线圈耦合获得正常工作时所需要的工作能量，并读取此时拨码开关相应状态，并通过耦合线圈发送应答器此时的信号。特点：具有很高的显示正确率是单片机异步串口通信方式的这种方式的优势。但是对于本次的设计任务，可能会因为耦合线圈所提供的能量非常有限，以至于无法正常驱动单片机。因此不采用该方案的设计。图3.2无线识别装置方案一方框图设计方案二：如图3.3所示，无线识别系统使用PT2262编码芯片和PT2272解码芯片组成。通过四位拨码开关对应答器进行卡号设置，卡号编码由PT2262负责进行，耦合线圈负责把这个信号发射出去；当阅读器接收到耦合线圈发出的信号，则会让PT2272解码芯片负责把这个信号译码并输出此时应答器上的卡号，发光二极管负责显示这个结果。特点：系统功耗小，实现功能简单便捷，而且PT2262对于起始工作电压的要求非常低，正好适合这种能量供应有限的场合。图3.3无线识别装置方案二方框图结合以上方案的分析与实际情况的需求，我采用方案二。3.2.2 调制方式论证与比较方案一：频移键控（FSK）。该方案设计的传输速率会比较快，而且对数据所判断的正确率很高，但此设计的调制电路会比较复杂，所消耗的成本较高，功耗上的消耗很高，若在低功耗的情况下很难正常工作，而且设计的解调电路使用不够人性化。由于设计方面的要求所提供的功耗较低，而且对通讯的正确率有一定的要求，如传输数据正确率不会低于80%，响应时间不会超过5S，故我不选用该方案的设计。方案二：幅移键控（ASK）。该方案设计的调制电路得比较简单，其功耗方面的要求也相比FSK的低很多，设计的解调电路也比较简单，更符合使用于这种低速数据通信当中，综合各个方面考虑我选用该方案。3.2.3 555时钟电路的控制对象论证与比较设计方案一：阅读器和应答器都由555时钟电路控制，也就是说在阅读器和应答器当中都会用到555时钟电路。当阅读器向应答器通过耦合线圈发射工作能量时应答器此时只负责接收获得能量，当应答器要对信号进行编码并发射编码信号时阅读器则会相应地停止向应答器辐射能量并且只负责接收应答器此时所发来的编码信号并对其进行相应的解码和显示，但是我们在实际工作中，却很难保证阅读器和应答器同步，因此我不采用此设计方案。设计方案二：应答器由555时钟电路控制，阅读器则不使用555时钟电路。这个方案的设计就是为了让阅读器一直在工作，应答器通过555定时电路控制其接收阅读器发出的工作能量、并储存起来以及对信号编码并发送出去，可是因为应答器的输出功率比较小，若阅读器那边一直不停歇地对应答器发射能量信号，阅读器就接收不到到应答器的编码信号，因此我也不采用此设计的方案。设计方案三：阅读器由555时钟电路控制，应答器则不使用555时钟电路。这个方案的设计就是为了让应答器器一直在工作，阅读器通过555定时电路控制间歇性地工作，这样就会让阅读器正常地接收到应答器通过耦合线圈发出的编码信号并对其进行相应的解码和显示。因此我采用该设计方案。3.2.4功率放大电路设计的论证与比较设计方案一：该方案的功率放大电路带有2035与3355这两种三极管组成的，如图3.4所示。图3.4采用3355和2035两种三极管的功率放大电路这个放大电路虽然能够满足本设计的要求，但是由于3355对接地要求较高，而且如果在实际操作的过程中实验室的接地不完善，电烙铁带电，那么3355就会很容易烧坏，影响器件的正常工作，因此本设计中不适合采用该设计方案。设计方案二：该方案的功率放大电路为带有2035与9014两种三极管组成的，用9014代替3355这个三极管，如图3.5所示。图3.5采用9014和2053的功率放大电路该电路不仅能够满足本设计的要求， 相对于3355来说，9014工作更加稳定，实际操作简单，而且不易烧坏，因此本设计中采用该设计方案。3.2.3 阅读器部分如图3.6所示，振荡电路产生的电磁能经过后续的放大电路放大后，由耦合线圈的谐振耦合发射出去；应答器发送过来的编码信号会通过耦合线圈让阅读器接收，输送到PT2272接收串口前会经过检波电路，对编码信号进行检波比较， PT2272会对编码信号进行对应解码后并通过发光二极管输出识别出来的结果。振荡电路和检波电路是通过555定时电路控制其周期性地工作，电子开关可以控制其单工切换,继电器控制其独立工作。PT2272耦合线圈发光二极管检波电路振荡电路单电源信号电磁能继电器555定时器放大电路图3.6 阅读器组成方框图3.2.4 应答器部分如图3.7所示，阅读器经过耦合线圈向应答器发射电磁能，但并不足以驱动应答器，所以我要通过放大整流电路对电能进行储存，储存在储能电容里，电容电压会通过电压判断电路进行电压判断，当电容电压达到了正常工作的电压时，应答器就会开始工作，此时拨码开关值就会通过PT2262芯片进行读取与编码，编码信号通过串口发送并经过有源晶振产生载波信号，通过ASK调制后就会从耦合线圈发射出去。PT2262耦合线圈拨码开关放大整流电路ASK调制电路信号电磁能图3.7应答器组成方框图3.3硬件的设计3.3.1 阅读器主要电路图3.8阅读器主要电路图如图3.8所示为阅读器的接收电路图，通过采用有源晶振，9014和2053组成的放大电路通过耦合线圈接收信号，PT2272上接上2个发光二极管显示是否接收到编码信号，并通过4个发光二极管对应显示由应答器传来的编码信号。3.3.2应答器主要电路如图3.9所示，通过四位拨码开关对应答器进行卡号设置，卡号编码由PT2262负责进行，耦合线圈负责把这个信号发射出去。图3.9应答器电路图3.3.3时钟单元电路图3.10阅读器的时钟单元如图3.10所示就是阅读器的时钟单元的电路图，其中LM555，R1，R2 ,C1组成了3秒左右周期的时钟电路，占空比为5/6，3脚连着有源晶振和继电器，晶振的工作与否用9014的导通与截止来控制，而控制耦合线圈与检波电路的通断的是继电器。具体来讲就是当9014导通时，555输出为1，使得有源晶振模块开始工作，断开继电器控制的耦合线圈与检波电路；当有源晶振模块停止工作时，555输出为0， 连接由继电器控制的耦合线圈与检波电路，从而使PT2272开始工作。之所以采用555时钟电路控制阅读器是因为当应答器发射编码信号到阅读器的输出功率不够大，如果阅读器一直在工作并通过耦合线圈向应答器辐射能量，会使阅读器没有时间去接收应答器发出的信号，所以阅读器只有间歇性地向应答器发射能量，才能确保阅读器能够接收到由应答器发射来的编码信号。在这个设计的电路中，555作为3秒周期而占空比为5/6的时钟，采用这样的占空比即使555大部分时间输出的都是高电平，也可以让晶振电路间歇性地工作2.5秒，然后停止0.5秒，利用这0.5秒的时间的话阅读器就可以正常接收应答器发送过来的编码信号了。3.4阅读器发射电路分析