一種用于奶牛健康管理的射頻卡系統(tǒng)
1 奶牛健康與活動(dòng)量的關(guān)系
奶牛每天的活動(dòng)量與奶牛行走的步數(shù)有關(guān)系。當(dāng)奶牛的步數(shù)多時(shí)，即活動(dòng)量大；反之，活動(dòng)量少。每頭健康的奶牛在平時(shí)都有一個(gè)平均的活動(dòng)量，即行走的步數(shù)在一定范圍內(nèi)是小幅波動(dòng)的。當(dāng)一頭奶牛的活動(dòng)量突然減少時(shí)，表示這頭奶?？赡苌×?；而當(dāng)一頭奶牛的活動(dòng)量突然增加時(shí)，表明奶?？赡馨l(fā)情了。本系統(tǒng)就是利用這個(gè)特點(diǎn)對(duì)奶牛每天的活動(dòng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而達(dá)到對(duì)奶牛健康管理的目的。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理
射頻卡系統(tǒng)是一種無(wú)線識(shí)別裝置，由閱讀器、射頻卡兩部分組成，在現(xiàn)代生活中主要應(yīng)用于考勤和消費(fèi)等領(lǐng)域。它避免了因接觸式IC卡的讀寫、油污和芯片裸露等缺陷而造成的各種故障，具有免接觸、高可靠和無(wú)磨損等優(yōu)點(diǎn)。目前，射頻卡系統(tǒng)已經(jīng)逐步成為我國(guó)取代磁卡、光電卡、條碼卡和接觸式IC卡的最佳選擇。
射頻卡是安裝在奶牛腿上的一個(gè)裝置，對(duì)它的要求是功耗要低，體積要小。射頻卡系統(tǒng)框圖如圖1所示。射頻卡的工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)軟件在每個(gè)卡中設(shè)置一個(gè)唯一的編碼(即卡號(hào)，它相當(dāng)于我們的身份證)，另外，單片機(jī)與一個(gè)水銀開(kāi)關(guān)相連，奶牛每走一步，水銀開(kāi)關(guān)通斷一次，單片機(jī)對(duì)水銀開(kāi)關(guān)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而將奶牛的活動(dòng)記錄下來(lái)。當(dāng)射頻卡靠近閱讀器時(shí)，它接收到閱讀器耦合電路的無(wú)線電波能量，經(jīng)整流濾波后對(duì)射頻卡供電；同時(shí)，給單片機(jī)中斷信號(hào)，單片機(jī)將卡號(hào)和記錄的步數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，然后通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)電路將編碼信號(hào)發(fā)出。脈沖驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)單片機(jī)送來(lái)的編碼信號(hào)，控制并接在射頻卡耦合電路兩端的電阻。當(dāng)高電平時(shí)，電阻接入耦合電路；低電平時(shí)，電阻不接入耦合電路。根據(jù)變壓器原理，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)變壓器的原副電壓電流均將發(fā)生變化，從而將信號(hào)傳遞給閱讀器。
閱讀器是閱讀射頻卡內(nèi)的卡號(hào)和計(jì)步數(shù)據(jù)的裝置，由AT89C51單片機(jī)和外圍電路組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。
工作原理是：振蕩器產(chǎn)生8 MHz的方波信號(hào)，經(jīng)分頻器分頻后得到125 kHz的方波信號(hào)。再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)耦合電路中的線圈，對(duì)外發(fā)出125 kHz的無(wú)線電波。當(dāng)耦合電路線圈處沒(méi)有射頻卡時(shí)，耦合電路中為一等幅信號(hào)，在檢波電路中沒(méi)有解調(diào)信號(hào)輸出。當(dāng)上述射頻卡放入耦合電路線圈附近時(shí)，根據(jù)變壓器原理，它將能量傳遞給射頻卡；當(dāng)射頻卡線圈兩端的負(fù)載電阻變化時(shí)，對(duì)于閱讀器來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于所接負(fù)載在改變，從而使線圈兩端電壓隨射頻卡耦合電路的電阻變化而變化，實(shí)現(xiàn)加載調(diào)幅。檢波器從調(diào)幅信號(hào)中將射頻卡的編碼信號(hào)接收下來(lái)，經(jīng)放大電路放大整形并送單片機(jī)解碼，得到相關(guān)的卡號(hào)和計(jì)步數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 閱讀器硬件電路
閱讀器由振蕩器、分頻器、驅(qū)動(dòng)電路、耦合電路、檢波電路、放大器、單片機(jī)電路、蜂鳴器、顯示器等部分組成。125 kHz方波信號(hào)產(chǎn)生電路由脈沖振蕩和分頻兩部分組成，如圖3所示。由CD4060和石英晶體組成振蕩器，產(chǎn)生8 MHz的方波信號(hào)，并由CD4060進(jìn)行64分頻得到125kHz方波信號(hào)。
發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。因?yàn)槟膛Ｋ⒖ú豢赡芎腿艘粯樱瑢⒖ㄖ苯臃诺介喿x器附近，而是要求讀卡距離比較遠(yuǎn)，這樣，只要奶牛從閱讀器旁走過(guò)就可以實(shí)現(xiàn)讀卡。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀卡，驅(qū)動(dòng)電路采用推挽驅(qū)動(dòng)方式。它由晶體管T1～T4、非門74HC04和耦合線圈L1構(gòu)成。其中，T1～T4組成橋式推挽電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)由L2、C1組成的串聯(lián)諧振電路(C1用3 300 pF的高精度電容)。由于信號(hào)頻率為125 kHz，根據(jù)串聯(lián)諧振電路的諧振頻率計(jì)算公式有：f0=1/（2πLC）。為了讓諧振電路諧振，根據(jù)上述公式可計(jì)算得到電感大約為492μH。
在有射頻卡時(shí)，從L1過(guò)來(lái)的信號(hào)是一種調(diào)幅波，所以用普通檢波電路就可實(shí)現(xiàn)，電路如圖5所示。檢波二極管用IN4148開(kāi)關(guān)二極管，100 kΩ電阻和1 000 pF電容完成低通濾波。
從檢波電路來(lái)的脈沖信號(hào)幅度較小，要經(jīng)過(guò)放大電路放大后才能被單片機(jī)接收。放大電路由CD4069反向器組成，如圖6所示。電路最后兩級(jí)放大器構(gòu)成低通濾波器，具有整形功能。
單片機(jī)電路采用AT89C51，它用來(lái)對(duì)接收到的編碼信號(hào)進(jìn)行解碼。解碼后的信號(hào)經(jīng)RS232接口送上位機(jī)處理，電路如圖7所示。
3．2 射頻卡硬件電路
射頻卡電路由計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路、單片機(jī)電路、脈沖驅(qū)動(dòng)電路、耦合電路等組成。(原理框圖見(jiàn)圖1。)
由于射頻卡是裝在奶牛身上的一個(gè)裝置，所以要求其功耗要低。本系統(tǒng)采用單片機(jī)MSP430，該單片機(jī)具有功耗低、體積小、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。計(jì)步信號(hào)由P1．0口輸入，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，電路如圖8所示。當(dāng)耦合線圈接收到閱讀器的信號(hào)時(shí)，通過(guò)D1給單片機(jī)中斷，單片機(jī)經(jīng)P3．3口對(duì)外輸出卡號(hào)和計(jì)步數(shù)據(jù)編碼信號(hào)。2個(gè)晶體管為脈沖驅(qū)動(dòng)，它用來(lái)控制R1(510Ω)是否接入有效。當(dāng)P3．3為低電平時(shí)，R1接入耦合電路，電路負(fù)載加重，當(dāng)卡放入閱讀器時(shí)，閱讀器由于負(fù)載變化，使得閱讀器的耦合電路兩端電壓下降產(chǎn)生調(diào)幅效果；當(dāng)P3．3為高電平時(shí)，晶體管截止，電阻接入無(wú)效，對(duì)耦合電路不產(chǎn)生影響。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了編碼的正常傳輸，而且提高了效率。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括閱讀器和射頻卡兩部分，由于各模塊功能單一，因此軟件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。閱讀器和射頻卡的程序流程分別如圖9和圖10所示。
5 結(jié) 論
經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試、完善電路結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，最終閱讀正確率可達(dá)98％(識(shí)別時(shí)間低于1 s)。射頻卡電路由于采用低功耗芯片，整機(jī)用3 V、1 000 mA鋰電池供電，經(jīng)測(cè)試一般可用1年以上。圖1l為閱讀器線圈兩端的電壓實(shí)際測(cè)量波形，(a)為閱讀器線圈周圍無(wú)射頻卡波形，(b)為線圈周圍有射頻卡時(shí)的波形(由于諧振電路中加入的為方波信號(hào)，所以波形并不是普通的正弦波形)。可見(jiàn)有射頻卡時(shí)，線圈兩端電壓波形幅度明顯比無(wú)射頻卡時(shí)低，且波形后沿明顯變得平緩，兩波形的差異性與閱讀器和射頻卡的耦合線圈距離有關(guān)。調(diào)制輸出信號(hào)經(jīng)放大后波形如圖12所示，(a)為無(wú)射頻卡時(shí)的波形，(b)為有射頻卡時(shí)的波形。顯然，在無(wú)射頻卡時(shí)，輸出波形無(wú)變化；而當(dāng)有射頻卡時(shí)，輸出波形在占空比上出現(xiàn)大幅變化，顯示有編碼信號(hào)輸入。
電路由于采用特殊的信號(hào)傳遞方式，使得系統(tǒng)的閱讀速度較一般磁卡要快，實(shí)現(xiàn)了高速讀卡。另外，采用標(biāo)準(zhǔn)曼徹斯特編碼，可以使讀卡的準(zhǔn)確度和分辨率得到大幅提高。如若在射頻卡中使用低功耗芯片，敷設(shè)充電電路，那么市場(chǎng)前景將更為可觀。
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