低頻磁發(fā)射器設計

　　LFMC鏈路

　　LFMC是通過(guò)兩個(gè)低頻諧振回路實(shí)現連接的，主要是利用磁耦合技術(shù)，這與RF通信利用磁波傳送信號有著(zhù)本質(zhì)上的差別。磁力線(xiàn)能穿透水、水泥、塑料等非磁性介質(zhì)，信號衰減緩慢且不易畸變。在LFMC設計中，通常使用LC串聯(lián)諧振回路作為傳輸源，信號檢測則采用并聯(lián)諧振回路。為了增加靈敏度，發(fā)射(TX)回路和接收(RX)回路諧振頻率是相同的，此外，靈敏度還依賴(lài)于線(xiàn)圈平面之間的角度，因為磁力線(xiàn)垂直穿過(guò)線(xiàn)圈時(shí)靈敏度最高。

　　對多數LFMC應用，RLC諧振頻率設在125KHz，電流通過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，對單個(gè)線(xiàn)圈(圖1)，可以利用下式來(lái)計算距離輻射線(xiàn)圈P點(diǎn)的絕對磁場(chǎng)強度Bp：

　　式中，wo是諧振頻率(Rad/s)；I為電流(A)；N為線(xiàn)圈圈數；a為線(xiàn)圈的直徑(m)；r為自線(xiàn)圈的距離(m)。由上式可知，當距離r>>a時(shí)，磁場(chǎng)隨r3而衰減。為實(shí)用起見(jiàn)，可將上式用電感上電壓VL來(lái)表示：

　　對一個(gè)RLC串聯(lián)諧振回路，常見(jiàn)的計算公式有：

　　注意，R表示諧振回路的總損耗，上述各式可計算諧振頻率，最大電壓與電流以及3dB帶寬。

　　數據格式

　　在設計LFMC系統時(shí)，還必須選擇一種數據調制格式。開(kāi)―關(guān)鍵控(OOK)是一種最簡(jiǎn)單的調制格式，信號按接通或切斷磁場(chǎng)信號源進(jìn)行調制。由于脈沖信號的建立與衰減有一定的上升時(shí)間和下降時(shí)間，這是考慮波特率的主要因素，實(shí)用值取400mS或更長(cháng)一些。其它考慮因素是接收器的設計和AGC電路的拓撲結構。

　　更有效的調制方案有曼徹斯特碼、PWM和PPM(脈沖周期調制)，它們之間的差別見(jiàn)圖2。曼徹斯特碼的優(yōu)點(diǎn)是重復周期恒定，數據速率更有效。另一方面，PWM編碼可簡(jiǎn)化接收器譯碼電路并改善誤碼率?？紤]到通信電路是在噪聲環(huán)境中工作的，因此無(wú)論采用那種編碼格式，在實(shí)現通信協(xié)議時(shí)都要設置糾錯方案。


　
　　驅動(dòng)電路

　　驅動(dòng)諧振回路的最有效方案是D類(lèi)放大器，半橋式或全橋式。半橋式結構(圖3)具有成本低和容易實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)。上面已提及，發(fā)射側采用串聯(lián)諧振回路，且必須是高Q值諧振回路，這樣，雖然驅動(dòng)電路用方波激勵，但通過(guò)電感線(xiàn)圈的電流絕大部分是基波分量。實(shí)現高Q值諧振回路，低容差、高品質(zhì)電容是關(guān)鍵，我們可以選用質(zhì)量好的聚酯薄膜電容，耐壓在400V~600V之間。

　　為了提高波特率，必須加速導通和關(guān)閉響應，圖4是實(shí)現上述目的的改進(jìn)電路，在此電路中采用全橋結構，并加入嵌位電路。全橋電路能加速上升時(shí)間，當幅度上升至滿(mǎn)幅時(shí)，電路仍處于全橋結構。例如采用TC442 FET驅動(dòng)電路，上升時(shí)間僅為40ms，比半橋式120ms快了很多。嵌位電路使用一個(gè)雙向可控硅器件，在驅動(dòng)電路關(guān)閉時(shí)讓諧振回路放電，雙向可控硅通常在零電壓處點(diǎn)火，可減少EMI輻射。嵌位電路還有一個(gè)好處，就是能取消AGC電路，從而簡(jiǎn)化接收器的設計。


　　
　　電路實(shí)例

　　實(shí)際驅動(dòng)電路(圖4)由TC4422(U2)和TC4421(U3)組成，U3是倒相放大器，U2則是同相放大器。U3是主要半橋驅動(dòng)器件，U2僅在導通時(shí)使用。在導通的前5個(gè)周期，U2和U3圖騰結構用作全橋驅動(dòng)電路，此時(shí)U2和U3通過(guò)RB3由PWM電路輸出驅動(dòng)，RB4則用作輸入，因而對U2輸入信號沒(méi)有任何影響。在5個(gè)初始周期后，驅動(dòng)器轉換 為半橋結構，這是通過(guò)將RB4從輸入改變?yōu)榈碗娖?零電平)輸出實(shí)現的。這對U3工作沒(méi)有影響，而將U2接地。當不需要快速上升時(shí)間時(shí)，也可以省掉U2，以增加電路的效率。

　　驅動(dòng)信號直接用PIC微控制器的PWM單元產(chǎn)生，本設計使用PIC 16F628，時(shí)鐘頻率20MHz，為了得到125KHz工作頻率，只需將其定時(shí)器2預定標為1，設定PR2寄存器為39，就可得到8ms周期信號。要想獲得50%空度比的輸出，將CCPR1L設置為14，CCP1CON從5：4>設置為0:0>。
串行通信由PIC 16F628 的UART實(shí)現，電平變換則用MAX232完成。CTS和RTS數據控制分別通過(guò)RB6和RB5輸入。

　　結語(yǔ)

　　LFMC技術(shù)多用于射頻標識和數據采集傳輸，而最近有報道，日本一家公司為了提高集成電路內部數據傳輸速度，在芯片內層與層之間采用無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，使用的正是磁耦合技術(shù)，這為L(cháng)FMC應用揭開(kāi)了新的篇章。