基于PIC16F639的免持式被动无钥门禁的设计

    其中，L为环路电感，C为电容。

    对于给定的LC谐振电路，接收到的天线电压可近似地用式2表达。 

    其中，fc=基站载波频率(Hz)；△f= |fc-fo|；fo=LC电路谐振频率(Hz)；N=环路线圈的匝数；S=环路表面积(m2)；Q=LC电路品质因数；Bo=磁场强度(韦伯/平方米)；α=信号到达的角度。

    在式2中，品质因数(Q)是衡量调谐电路的频率选择性的指标。假设电容在125kHz时无损耗，则LC电路的Q值将主要由电感决定。 

    式中fo为调谐频率，L为电感值，r为电感的阻抗。

    在典型应答器应用中，电感值的范围在1～9mH之间。对于空芯电感，LC电路的Q值大于20，对于铁氧体磁芯电感，Q值约为40。

    式2中的Scosα项代表天线的有效表面积，即为环路处于入射磁场中的面积。当cosα等于1时，天线有效表面积最大，此时基站和应答器单元的天线面对面。在实际应用中，两个天线平行时检测距离最大，正交时检测距离最短。图3用图形阐述了实际应用中的天线方向问题。 

图4：推荐的应答器电路板天线布局图

    如果三个天线在同一印刷电路板上的位置相互正交，可大大减少天线方向问题。在实际应用中，这种设计会提高任何时刻至少有一个应答器天线朝向基站天线的概率。图4为应答器电路板上布置三个天线的图示。LCZ使用一个大空芯线圈，LCX和LCY使用两个铁氧体磁芯线圈。有些公司专门生产125 kHz RFID和低频检测应用系统使用的铁氧体线圈。

    如式2和式3所示，当LC电路准确调谐到入射载波的频率时，线圈上的感应电压最大。但在实际应用中，由于LC元件的容差不同，各个应答器的LC谐振频率也不同。为补偿元件容差带来的误差，PIC16F639的每个通道都有一个内部调谐电容组。电容值可以以1pF为步长，被编程到最大63pF，电容值随配置寄存器位的增加而单调递增。

    可通过监测RSSI电流输出对电容进行有效调谐。RSSI输出与输入信号强度成正比，因此LC电路被调谐得与载波频率越接近，监测到的RSSI输出越高。总电容值随着配置寄存器位升高而增加，由此得到的内部电容被叠加到LC电路的电容上。随内部谐振电容的增加，LC谐振频率将降低。 

图5：应答器电路的每个谐振天线必须调谐到基站单元的载波频率，以达到最佳信号接收状态

    后备电池与无电池模式

    实际应用有可能发生电池意外地暂时脱离电路的情况，例如当应答器掉落到硬质表面上时。如果发生此种情况，存储在MCU中的数据可能无法正确恢复。为避免电池意外脱离，用户可考虑采用后备电池电路。后备电池电路能向应答器暂时提供VDD电压。建议在精密应答器中采用这种电路，但并不是所有应用都必须采用它。在图2中，D4和C1构成了电池后备电路。当电池连接时，C1被完全充电，当电池短暂断开时，C1提供VDD电压。

    当应答器处于无电池运行时称为无电池模式。在图2中，二极管D1、D2、D3和C1构成无电池模式的电源电路。当应答器线圈产生电压时，线圈电流流过二极管D1和D2为C1充电，C1可为应答器提供VDD电压。当PIC16F639用于需要无电池运行的防碰撞应答器应用中时，这种电源电路很有用。根据不同应用，无电池模式下C1电容值从几微法到几法不等。 

    图6：在基站电路中，电流驱动器U1放大来自MCU的125 kHz方波脉冲的功率。U1的方波脉冲输出通过由L1、C2、C3和C4组成的LC串联谐振电路后变成正弦波。

    应答器电路

    应答器电路具有三个外部LC谐振电路、五个按钮开关、一个用于UHF数据发送的433.92MHz谐振器和几个用于后备电池模式的元件。

    每个LC谐振电路都连接到LC输入和LCCOM引脚。空芯天线连接到LCX输入，两个铁氧体磁棒电感连接到LCY和LCZ引脚。LCCOM引脚为三个天线连接的公共引脚，通过C11和R9接地。每个谐振天线必须调谐到基站单元的载波频率，以达到最佳信号接收状态(图5)。可利用每个通道的内部电容将天线调谐到最佳状态。

    器件初始上电时，数字部分利用SPI(CS、SCLK/ALERT和SDIO)对AFE配置寄存器进行编程。由于AFE输入灵敏度高(约3mV峰峰值)，AFE对环境噪声非常敏感，所以必须采取措施避免沿PCB走线上产生过多交流噪声。在VDD和VDDT引脚分别使用电容C6和C12滤除噪声。

    二极管D1和D2及电容C5用于电池后备模式，二极管D2、D3和D7及电容C5用于无电池模式。为使无电池模式稳定运行，需要较大的C5容值。电容C5通过二极管D3和D7保存来自电池和线圈电压的电荷。当电池暂时断开时，C5储存的电荷可维持PIC16F639器件的供电。二极管D3和D7穿过空芯线圈相互连接，在三个外部LC谐振天线中产生强大的线圈电压。

    一旦检测到有效输入信号，数字MCU部分即被唤醒，如果命令信号有效，则发出一个响应。

    应答器可使用内部调制器(LF对讲)或外部UHF发送器发出响应。每个模拟输入通道在输入和LCCOM引脚间有一个内部调制器(晶体管)。如果AFE从数字MCU部分接收到箝位或断开箝位的命令，内部调制器就会分别导通和关断。天线电压分别根据箝位或断开箝位命令进行箝位和断开箝位，这称为LF对讲。LF对讲只在近距离应用中使用。基站可以检测应答器天线电压的变化并重建调制数据。

    在长距离应用中，应答器采用UHF发送器。由UHF(433.92 MHz)谐振器U2和功率放大器Q1构成一个用按键通断的UHF发送器。电容C2和C3的容量都在约20pF的范围内，具体取决于线路布局。一般由印刷电路板的金属走线而形成的L1是一个UHF天线，增大其环路面积后效率将显著提高。

    当MCU I/O引脚输出逻辑高电平时，UHF发送器部分导通，否则关闭。RC5输出为UHF信号的调制数据，可由基站的UHF接收器重建。

    基站电路

    基站单元包括一个MCU、125kHz的发送器/接收器和一个UHF接收器模块。基站发出125kHz的低频命令信号，并通过UHF和LF接收来自应答器的响应。发出LF命令后，基站通过LF或UHF链路检查是否有响应。

    125kHz发送器产生一个基于MCU的脉宽调制器(PWM)输出的载波信号。电流驱动器U1放大来自MCU的125kHz方波脉冲的功率。U1的方波脉冲输出通过由L1、C2、C3和C4组成的LC串联谐振电路后变成正弦波。L1为用于125kHz LF天线的空芯电感(图6)。

    当LC串联谐振电路调谐到PWM信号的频率时，天线辐射最强。在谐振频率处，LC电路阻抗最小，这使得L1负载电流最大，从而产生很强的电磁场。用户可通过监视L1上的线圈电压调谐LC电路。二极管D1后的各个元件用来接收来自应答器的LF对讲信号。当应答器以LF对讲作出响应后，L1上的线圈电压会由于应答器线圈电压产生的磁场而改变。由于应答器线圈电压最初是由基站天线(L1)产生的，所以响应电压与初始电压的相位相差180o。因此，在给定条件下，L1上的电压将随着应答器的线圈电压变化。

    可通过包络检波器和由D1和C5构成的低通滤波器检测L1上线圈电压的变化。检测到的包络信号通过有源增益滤波器U2A和U2B。经过解调的模拟输出被馈送到MCU的比较器输入引脚，以进行脉冲整形。比较器输出可在TP6上得到，并由MCU解码。