基于PIC16F639的免持式被動(dòng)無(wú)鑰門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如式2和式3所示，當(dāng)LC電路準(zhǔn)確調(diào)諧到入射載波的頻率時(shí)，線(xiàn)圈上的感應(yīng)電壓最大。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于LC元件的容差不同，各個(gè)應(yīng)答器的LC諧振頻率也不同。為補(bǔ)償元件容差帶來(lái)的誤差，PIC16F639的每個(gè)通道都有一個(gè)內(nèi)部調(diào)諧電容組。電容值可以以1pF為步長(zhǎng)，被編程到最大63pF，電容值隨配置寄存器位的增加而單調(diào)遞增。

可通過(guò)監(jiān)測(cè)RSSI電流輸出對(duì)電容進(jìn)行有效調(diào)諧。RSSI輸出與輸入信號(hào)強(qiáng)度成正比，因此LC電路被調(diào)諧得與載波頻率越接近，監(jiān)測(cè)到的RSSI輸出越高?？傠娙葜惦S著配置寄存器位升高而增加，由此得到的內(nèi)部電容被疊加到LC電路的電容上。隨內(nèi)部諧振電容的增加，LC諧振頻率將降低。

圖5：應(yīng)答器電路的每個(gè)諧振天線(xiàn)必須調(diào)諧到基站單元的載波頻率，以達(dá)到最佳信號(hào)接收狀態(tài)。

后備電池與無(wú)電池模式

實(shí)際應(yīng)用有可能發(fā)生電池意外地暫時(shí)脫離電路的情況，例如當(dāng)應(yīng)答器掉落到硬質(zhì)表面上時(shí)。如果發(fā)生此種情況，存儲(chǔ)在MCU中的數(shù)據(jù)可能無(wú)法正確恢復(fù)。為避免電池意外脫離，用戶(hù)可考慮采用后備電池電路。后備電池電路能向應(yīng)答器暫時(shí)提供VDD電壓。建議在精密應(yīng)答器中采用這種電路，但并不是所有應(yīng)用都必須采用它。在圖2中，D4和C1構(gòu)成了電池后備電路。當(dāng)電池連接時(shí)，C1被完全充電，當(dāng)電池短暫斷開(kāi)時(shí)，C1提供VDD電壓。

當(dāng)應(yīng)答器處于無(wú)電池運(yùn)行時(shí)稱(chēng)為無(wú)電池模式。在圖2中，二極管D1、D2、D3和C1構(gòu)成無(wú)電池模式的電源電路。當(dāng)應(yīng)答器線(xiàn)圈產(chǎn)生電壓時(shí)，線(xiàn)圈電流流過(guò)二極管D1和D2為C1充電，C1可為應(yīng)答器提供VDD電壓。當(dāng)PIC16F639用于需要無(wú)電池運(yùn)行的防碰撞應(yīng)答器應(yīng)用中時(shí)，這種電源電路很有用。根據(jù)不同應(yīng)用，無(wú)電池模式下C1電容值從幾微法到幾法不等。

圖6：在基站電路中，電流驅(qū)動(dòng)器U1放大來(lái)自MCU的125 kHz方波脈沖的功率。U1的方波脈沖輸出通過(guò)由L1、C2、C3和C4組成的LC串聯(lián)諧振電路后變成正弦波。

應(yīng)答器電路

應(yīng)答器電路具有三個(gè)外部LC諧振電路、五個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)、一個(gè)用于UHF數(shù)據(jù)發(fā)送的433.92MHz諧振器和幾個(gè)用于后備電池模式的元件。

每個(gè)LC諧振電路都連接到LC輸入和LCCOM引腳。空芯天線(xiàn)連接到LCX輸入，兩個(gè)鐵氧體磁棒電感連接到LCY和LCZ引腳。LCCOM引腳為三個(gè)天線(xiàn)連接的公共引腳，通過(guò)C11和R9接地。每個(gè)諧振天線(xiàn)必須調(diào)諧到基站單元的載波頻率，以達(dá)到最佳信號(hào)接收狀態(tài)(圖5)。可利用每個(gè)通道的內(nèi)部電容將天線(xiàn)調(diào)諧到最佳狀態(tài)。

器件初始上電時(shí)，數(shù)字部分利用SPI(CS、SCLK/ALERT和SDIO)對(duì)AFE配置寄存器進(jìn)行編程。由于AFE輸入靈敏度高(約3mV峰峰值)，AFE對(duì)環(huán)境噪聲非常敏感，所以必須采取措施避免沿PCB走線(xiàn)上產(chǎn)生過(guò)多交流噪聲。在VDD和VDDT引腳分別使用電容C6和C12濾除噪聲。

二極管D1和D2及電容C5用于電池后備模式，二極管D2、D3和D7及電容C5用于無(wú)電池模式。為使無(wú)電池模式穩(wěn)定運(yùn)行，需要較大的C5容值。電容C5通過(guò)二極管D3和D7保存來(lái)自電池和線(xiàn)圈電壓的電荷。當(dāng)電池暫時(shí)斷開(kāi)時(shí)，C5儲(chǔ)存的電荷可維持PIC16F639器件的供電。二極管D3和D7穿過(guò)空芯線(xiàn)圈相互連接，在三個(gè)外部LC諧振天線(xiàn)中產(chǎn)生強(qiáng)大的線(xiàn)圈電壓。

一旦檢測(cè)到有效輸入信號(hào)，數(shù)字MCU部分即被喚醒，如果命令信號(hào)有效，則發(fā)出一個(gè)響應(yīng)。

應(yīng)答器可使用內(nèi)部調(diào)制器(LF對(duì)講)或外部UHF發(fā)送器發(fā)出響應(yīng)。每個(gè)模擬輸入通道在輸入和LCCOM引腳間有一個(gè)內(nèi)部調(diào)制器(晶體管)。如果AFE從數(shù)字MCU部分接收到箝位或斷開(kāi)箝位的命令，內(nèi)部調(diào)制器就會(huì)分別導(dǎo)通和關(guān)斷。天線(xiàn)電壓分別根據(jù)箝位或斷開(kāi)箝位命令進(jìn)行箝位和斷開(kāi)箝位，這稱(chēng)為L(zhǎng)F對(duì)講。LF對(duì)講只在近距離應(yīng)用中使用?；究梢詸z測(cè)應(yīng)答器天線(xiàn)電壓的變化并重建調(diào)制數(shù)據(jù)。

在長(zhǎng)距離應(yīng)用中，應(yīng)答器采用UHF發(fā)送器。由UHF(433.92 MHz)諧振器U2和功率放大器Q1構(gòu)成一個(gè)用按鍵通斷的UHF發(fā)送器。電容C2和C3的容量都在約20pF的范圍內(nèi)，具體取決于線(xiàn)路布局。一般由印刷電路板的金屬走線(xiàn)而形成的L1是一個(gè)UHF天線(xiàn)，增大其環(huán)路面積后效率將顯著提高。

當(dāng)MCU I/O引腳輸出邏輯高電平時(shí)，UHF發(fā)送器部分導(dǎo)通，否則關(guān)閉。RC5輸出為UHF信號(hào)的調(diào)制數(shù)據(jù)，可由基站的UHF接收器重建。

基站電路

基站單元包括一個(gè)MCU、125kHz的發(fā)送器/接收器和一個(gè)UHF接收器模塊。基站發(fā)出125kHz的低頻命令信號(hào)，并通過(guò)UHF和LF接收來(lái)自應(yīng)答器的響應(yīng)。發(fā)出LF命令后，基站通過(guò)LF或UHF鏈路檢查是否有響應(yīng)。

125kHz發(fā)送器產(chǎn)生一個(gè)基于MCU的脈寬調(diào)制器(PWM)輸出的載波信號(hào)。電流驅(qū)動(dòng)器U1放大來(lái)自MCU的125kHz方波脈沖的功率。U1的方波脈沖輸出通過(guò)由L1、C2、C3和C4組成的LC串聯(lián)諧振電路后變成正弦波。L1為用于125kHz LF天線(xiàn)的空芯電感(圖6)。

當(dāng)LC串聯(lián)諧振電路調(diào)諧到PWM信號(hào)的頻率時(shí)，天線(xiàn)輻射最強(qiáng)。在諧振頻率處，LC電路阻抗最小，這使得L1負(fù)載電流最大，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)。用戶(hù)可通過(guò)監(jiān)視L1上的線(xiàn)圈電壓調(diào)諧LC電路。二極管D1后的各個(gè)元件用來(lái)接收來(lái)自應(yīng)答器的LF對(duì)講信號(hào)。當(dāng)應(yīng)答器以L(fǎng)F對(duì)講作出響應(yīng)后，L1上的線(xiàn)圈電壓會(huì)由于應(yīng)答器線(xiàn)圈電壓產(chǎn)生的磁場(chǎng)而改變。由于應(yīng)答器線(xiàn)圈電壓最初是由基站天線(xiàn)(L1)產(chǎn)生的，所以響應(yīng)電壓與初始電壓的相位相差180o。因此，在給定條件下，L1上的電壓將隨著應(yīng)答器的線(xiàn)圈電壓變化。

可通過(guò)包絡(luò)檢波器和由D1和C5構(gòu)成的低通濾波器檢測(cè)L1上線(xiàn)圈電壓的變化。檢測(cè)到的包絡(luò)信號(hào)通過(guò)有源增益濾波器U2A和U2B。經(jīng)過(guò)解調(diào)的模擬輸出被饋送到MCU的比較器輸入引腳，以進(jìn)行脈沖整形。比較器輸出可在TP6上得到，并由MCU解碼。