2.4 无线电类赛题分析与设计方案实例
2.4.1 无线识别装置（2007 年B题）
1.赛题要求[2]
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，其方框图参见图2.4.1。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。
图2.4.1 无线识别装置方框图
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心线圈，用直径不大于1 mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10 圈制成。线圈直径为6.6 ±0.5 cm（可用直径6.6 cm左右的易拉罐作为骨架，绕好后取下，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。
阅读器和应答器不得使用其他耦合方式。
（1）基本要求（50分）
① 应答器采用两节1.5V干电池供电，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 s，耦合线圈间距D≥5 cm。
② 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 s，耦合线圈间距D≥5 cm。
（2）发挥部分（50分）
① 应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得（通过对耦合到的信号进行整流滤波得到能量），不允许使用电池及内部含有电池的集成电路。阅读器能正确读出并显示应答器上预置的4位二进制编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5 s，耦合线圈间距D≥5 cm。（21分）
② 阅读器采用单电源供电，在识别状态时，电源供给功率≤2W。在显示编码正确率≥80%、响应时间≤5 s的条件下，尽可能增加耦合线圈间距D。（20分）
③ 应答器增加信息存储功能，其存储容量大于等于两个4 位二进制数。装置断电后，应答器存储的信息不丢失。无线识别装置具有在阅读器端写入、读出应答器存储信息的功能。（5 分）
④ 其他。（4分）
（3）说明
设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图和主要的测试结果。完整的电路原理图及重要的源程序用附件给出。
2.赛题分析与设计方案实例[3]
赛题要求设计制作一套无线识别装置，也就是RFID系统。系统的工作原理可以参考现有的RFID。赛题明确指出不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片，也就是说要根据RFID原理进行模拟设计制作。
在题目基本要求中提出应答器采用两节1.5V干电池供电，而在发挥部分则要求应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得，这是一个非常重要的提示。如果设计方案首先考虑的是基本要求的设计，采用电池供电，那么发挥部分的这项要求几乎是无法实现的。
在赛题的发挥部分要求阅读器的电源供给功率≤2 W，并尽可能增加耦合线圈间距D。这个要求隐含了两个重要信息，一是阅读器本身必须采用低功耗的电路，由于一般的设计方案中都会有微控制器芯片，即要求采用低功耗的微控制器芯片；二是要求发射电路必须采用高效率的功率放大器电路，接收放大器有较高的灵敏度，即在相同功率条件下，尽可能的增加耦合线圈间距D。这一点从后来的测试标准中也可以看到，耦合线圈间距D每增加1 厘米，都有加分。
方案2介绍的华中科技大学王盛青等（一等奖作品）的基于编解码芯片的无线识别系统设计方案确实构思不错，设计中放弃了③和④的部分要求，但电路结构简单，功耗低，如果功率放大器效率够高，接收放大器有较高的灵敏度，仅耦合线圈间距D一项就能获得不少加分，足够补偿放弃③和④部分要求的丢分。
（1）基于低功耗单片机的无线识别系统设计方案
一个基于低功耗单片机的无线识别系统由阅读器、应答器和耦合线圈三个部分组成，采用被动式应答方式，系统方框图如图2.4.2所示。
图2.4.2 基于低功耗单片机的无线识别系统方框图
阅读器由射频模拟前端和单片机等组成。单片机通过串口完成数据的发送与接收，完成对应答器的识别和数据的读、写控制。同时，单片机也完成状态控制、数据预置编码和显示等功能。射频模拟前端包含有射频发射与接收两部分。
发射部分主要由高频载波发生器和高效开关功率放大器组成，完成数据的发射与功率传输。应答器的能量来自阅读器发射的能量，为了能够最大和高效地传输更多的能量，要求射频功率放大器能够提供尽可能大的输出功率，同时具有高的效率。
接收部分由检波器和放大整形电路组成，完成应答器信号的接收与解调。识别器由射频模拟前端和低功耗单片机控系统等组成。射频模拟前端主要由直接负载调制电路、阅读器数据调制电路和稳压电源等组成，完成数据的收发和提供应答器电源。低功耗单片机控制系统可以采用C8051F330/1、MSP430 F2274和PIC16F84等低功耗单片机组成，完成所接收的阅读器数据存储、发送应答器预置数据和数据预置编码等功能。
应答器的模拟前端采用电感耦合形式来获取阅读器发射的能量，从感应线圈获得的能量经全波整流并限压后，作为低功耗单片机的直流电源。
应答信号的回传采用负载调制方式。本作品的阅读头和应答器之间采用的是近距离的射频耦合，阅读器和应答器线圈之间的能量交换方式可以等效变压器的耦合形式，改变应答器线圈的回路参数，相当于调节阅读器线圈的负载，会使阅读器线圈的信号波形随之改变，将这个变化检波放大后即可解调出相关的调制信息。
根据赛题所指定的线圈制作要求，线圈的电感量在10 μH左右，射频模拟前端的工作频率可选择在几MHz，如4～5 MHz。
（2）基于编解码芯片的无线识别系统设计方案
一个基于编解码芯片的无线识别系统设计方案如图2.4.3所示。
图2.4.3 基于编解码芯片的无线识别系统方框图
基于编解码芯片的无线识别系统采用专用的数据编码芯片PT2622和解码芯片PT2722来实现数据产生和编解码，应答器用简单拨码开关设定存储信息。
阅读器包含有射频发射和接收两部分电路。其中，发射电路包含有功率放大器和线圈匹配电路；接收电路包含有检波电路、整形电路和解码电路。
根据赛题要求，本系统只需要产生单一频率的载波即可。由于线圈的电感量在10 μH左右，故直接采用74HC04N非门芯片和晶振（4 MHz左右）构成的载波发生器电路。功率放大器采用SC1970 晶体管构成的单管功率放大器电路。
接收电路的检波电路采用30 pF的电容器与线圈连接、经过MAX4256放大和MAX291滤波，利用LM311构成的施密特触发器整形后送入PT2272进行解码，PT2272的解码输出直接驱动LED显示，利用LED指示应答器的编码信息。
应答器由整流稳压电路、负载调制电路和编码电路组成。整流稳压电路采用桥式全波整流和稳压管完成整流和稳压。负载调制部分通过模拟开关TS5A3166实现，将PT2262的编码输出数据直接接到模拟开关的控制口，用来控制TS5 A3166开关的导通和关断。由于模拟开关导通时，电阻很小（0.9Ω），相当于将线圈短路；模拟开关关断时，相当于将线圈开路；TS5 A3166开关的导通和关断将使耦合到阅读器端线圈的信号幅度发生变化，从而可以实现负载调制。编码器采用与PT2272的配对编码芯片PT2262。
2.4.2 单工无线呼叫系统（2005 年D题）
1.赛题要求[2]
设计并制作一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。
（1）基本要求（50分）
① 设计并制作一个主站，传送一路语音信号，其发射频率在30～40 MHz之间自行选择，发射峰值功率不大于20 mW（50 Ω假负载电阻上测定），射频信号带宽及调制方式自定，主站传送信号的输入采用话筒和线路输入两种方式；
② 设计并制作一个从站，其接收频率与主站相对应，从站必须采用电池组供电，用耳机收听语音信号；
③ 当传送信号为300～3400 Hz的正弦波时，去掉收、发天线，用一个功率衰减20 dB左右的衰减器连接主、从站天线端子，通过示波器观察从站耳机两端的接收波形，波形应无明显失真；
④ 主、从站室内通信距离不小于5m，题目中的通信距离是指主、从站两设备（含天线）间的最近距离；
⑤ 主、从站收发天线采用拉杆天线或导线，长度≤1m。
（2）发挥部分（50分）
① 从站数量扩展至8个（实际制作1个从站），构成一点对多点的单工无线呼叫系统。要求从站号码可任意改变，主站具有拨号选呼和群呼功能；（15 分）
② 增加英文短信的数据传输业务，实现主站英文短信的输入发送和从站英文短信的接收显示功能；（15分）
③ 当发射峰值功率不大于20 mW时，尽可能加大主、从站间的通信距离；（15分）
④ 其他。（5分）
（3）说明
① 主站需留出末级功率放大器发射功率的测量端，用于接入50 Ω假负载电阻，以测试发射功率；
② 为测试方便，作品中使用的衰减器（可以自制），应与作品一起封装上交。
2.赛题分析与设计方案实例[4,9]
赛题要求制作一个单工无线呼叫系统，能够传送语音与数字信号。基本要求部分的核心就是实现一个单工的语音无线传输。可以选择采用AM方式或者FM方式，FM方式比AM方式有更好的抗干扰能力，结合发挥部分要求进行数据传输，建议选择FM方式。发挥部分的核心是要实现数据的无线传输，编码、英文短信采用微控制器实现是不困难的。赛题要求发射频率在30～40 MHz之间，频率不高，发射电路和接收电路可以选择分立元器件或者单片集成的FM发射与接收芯片实现。发挥部分③要求：当发射峰值功率不大于20 mW时，尽可能加大主、从站间的通信距离，即要求接收电路具有较高的灵敏度，采用单片集成的接收器芯片是一个好的选择。该赛题在制作上的难点有射频部分的PCB设计、发射电路和接收电路的匹配网络等。
一个单工无线呼叫系统实例由发射和接收两大部分组成，发射和接收部分的组成方框图如图2.4.4和图2.4.5所示。
图2.4.4 发射部分方框图
图2.4.5 接收部分方框图
发射部分采用锁相环式频率合成器技术，MC145152 和MC12022 芯片组成锁相环，将载波频率精确锁定在35 MHz，输出载波的稳定度达到4×10-5，准确度达到3×10-5，由变容二极管V149 和集成压控振荡器芯片MC1648 实现对载波的调频调制；末级功放选用三极管2SC1970，使其工作在丙类放大状态，提高了放大器的效率，输出功率达到设计要求。接收部分以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1238 为主体，灵敏度、镜像抑制和信噪比等各项性能指标均达到设计要求；音频功率放大器采用集成芯片LM386，电压放大倍数最大为200。采用PT2262/2272 编码/解码电路实现了数据传输业务以及对台号的选择等功能；音频输入和数据输入可自动转换；AT89 S52 作为整个系统的控制部分，程序设计采用C语言在KEIL51 的编译器上编程实现；显示采用128×64 点阵型液晶显示。
（1）压控振荡器电路
压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管V149 以及LC谐振回路构成。MC1648 需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。为达到最佳工作性能，在工作频率时要求并联谐振回路的QL≥100。电源采用+5 V的电压，一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连，调整加在变容二极管上的电压大小，使振荡器的输出频率稳定在35 MHz。
（2）锁相环电路
压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度及外界电磁干扰等因素的影响，往往是不稳定的。因此，需要加入自动相位控制环节，即锁相环来稳定发射频率。锁相环电路采用MC145152 芯片，它是一个集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体的大规模集成电路，分频器的分频系数可由并行输入的数据控制。由于发射部分的频率高达35 MHz，MC145152 的电路无法对其直接分频，必须先采用高速分频器MC12022 进行预分频。
（3）功率放大电路
功率放大电路采用晶体管2SC1970构成丙类功放电路，采用感性负载输出。
（4）阻抗变换电路
为了与1 m长的拉杆天线实现阻抗匹配，采用的是L型的LC网络来实现功率放大电路与天线之间的阻抗匹配。本设计的阻抗变换采用两节LC网络，使每一级的阻抗匹配变换缓慢以换取带宽特性。
（5）接收电路
接收电路以CXA1238为主体，CXA1238是索尼公司推出的集调幅、调频、锁相环和立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。
（6）接收天线输入网络
为了实现拉杆天线的阻抗和接收机的输入阻抗之间的匹配，设计了LC天线匹配网络以及输入选频回路。
（7）音频功率放大器电路
音频功率放大器采用美国国家半导体公司生产的音频功率放大器芯片LM386。LM386电压增益内置为20，在引脚端1 和8 之间增加一只外接电阻和电容，便可调节电压增益值，最大值为200。
（8）编码/解码电路设计
编码/解码电路采用PT2262/PT2272，PT2262/PT2272是一对带地址、数据编码/解码功能的芯片，PT2262具有地址和数据编码功能，PT2272具有地址和数据解码功能。数据输出具有“暂存”和“锁存”两种方式，方便用户使用。后缀为“M”为“暂存型”，后缀为“L”为“锁存型”。其数据输出又分为0、2、4、6不同的输出，本设计采用的是PT2272-M6。
（9）20 dB衰减器的设计
衰减器制作的关键是阻抗匹配，采用电阻结构的三级衰减形式。