低頻磁發(fā)射器設(shè)計(jì)

　　LFMC鏈路

　　LFMC是通過兩個(gè)低頻諧振回路實(shí)現(xiàn)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(hào)有著本質(zhì)上的差別。磁力線能穿透水、水泥、塑料等非磁性介質(zhì)，信號(hào)衰減緩慢且不易畸變。在LFMC設(shè)計(jì)中，通常使用LC串聯(lián)諧振回路作為傳輸源，信號(hào)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，靈敏度還依賴于線圈平面之間的角度，因?yàn)榇帕€垂直穿過線圈時(shí)靈敏度最高。

　　對(duì)多數(shù)LFMC應(yīng)用，RLC諧振頻率設(shè)在125KHz，電流通過線圈產(chǎn)生磁場，對(duì)單個(gè)線圈(圖1)，可以利用下式來計(jì)算距離輻射線圈P點(diǎn)的絕對(duì)磁場強(qiáng)度Bp：

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

　　對(duì)一個(gè)RLC串聯(lián)諧振回路，常見的計(jì)算公式有：

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

　　數(shù)據(jù)格式

　　在設(shè)計(jì)LFMC系統(tǒng)時(shí)，還必須選擇一種數(shù)據(jù)調(diào)制格式。開―關(guān)鍵控(OOK)是一種最簡單的調(diào)制格式，信號(hào)按接通或切斷磁場信號(hào)源進(jìn)行調(diào)制。由于脈沖信號(hào)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或更長一些。其它考慮因素是接收器的設(shè)計(jì)和AGC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　更有效的調(diào)制方案有曼徹斯特碼、PWM和PPM(脈沖周期調(diào)制)，它們之間的差別見圖2。曼徹斯特碼的優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)周期恒定，數(shù)據(jù)速率更有效。另一方面，PWM編碼可簡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，因此無論采用那種編碼格式，在實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議時(shí)都要設(shè)置糾錯(cuò)方案。


　
　　驅(qū)動(dòng)電路

　　驅(qū)動(dòng)諧振回路的最有效方案是D類放大器，半橋式或全橋式。半橋式結(jié)構(gòu)(圖3)具有成本低和容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。上面已提及，發(fā)射側(cè)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(qū)動(dòng)電路用方波激勵(lì)，但通過電感線圈的電流絕大部分是基波分量。實(shí)現(xiàn)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(dǎo)通和關(guān)閉響應(yīng)，圖4是實(shí)現(xiàn)上述目的的改進(jìn)電路，在此電路中采用全橋結(jié)構(gòu)，并加入嵌位電路。全橋電路能加速上升時(shí)間，當(dāng)幅度上升至滿幅時(shí)，電路仍處于全橋結(jié)構(gòu)。例如采用TC442 FET驅(qū)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(qū)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，從而簡化接收器的設(shè)計(jì)。


　　
　　電路實(shí)例

　　實(shí)際驅(qū)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(qū)動(dòng)器件，U2僅在導(dǎo)通時(shí)使用。在導(dǎo)通的前5個(gè)周期，U2和U3圖騰結(jié)構(gòu)用作全橋驅(qū)動(dòng)電路，此時(shí)U2和U3通過RB3由PWM電路輸出驅(qū)動(dòng)，RB4則用作輸入，因而對(duì)U2輸入信號(hào)沒有任何影響。在5個(gè)初始周期后，驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換 為半橋結(jié)構(gòu)，這是通過將RB4從輸入改變?yōu)榈碗娖?零電平)輸出實(shí)現(xiàn)的。這對(duì)U3工作沒有影響，而將U2接地。當(dāng)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(qū)動(dòng)信號(hào)直接用PIC微控制器的PWM單元產(chǎn)生，本設(shè)計(jì)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(yù)定標(biāo)為1，設(shè)定PR2寄存器為39，就可得到8ms周期信號(hào)。要想獲得50%空度比的輸出，將CCPR1L設(shè)置為14，CCP1CON從5：4>設(shè)置為0:0>。
串行通信由PIC 16F628 的UART實(shí)現(xiàn)，電平變換則用MAX232完成。CTS和RTS數(shù)據(jù)控制分別通過RB6和RB5輸入。

　　結(jié)語

　　LFMC技術(shù)多用于射頻標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)采集傳輸，而最近有報(bào)道，日本一家公司為了提高集成電路內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度，在芯片內(nèi)層與層之間采用無線傳輸技術(shù)，使用的正是磁耦合技術(shù)，這為LFMC應(yīng)用揭開了新的篇章。