一、任务
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 1。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。
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芯线圈，用直径不大于 1mm 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、应答器不得使用其他耦合方式。
二、要求
1．基本要求
（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 秒，耦合线圈间距 D≥5cm。
（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 秒，耦合线圈间距 D≥5cm。
2．发挥部分
（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四位二进制编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5 秒，耦合线圈间距 D≥5cm。
（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 秒的条件下，尽可能增加耦合线圈间距 D。
（3）应答器增加信息存储功能，其存储容量大于等于两个四位二进制数。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。
（4）其他。
三、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、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。（3）应答器增加信息存储功能，其存储容量大于等于两个四位二进制数。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。
（4）其他。
GPT-4o给出的设计方案：
系统概述
设计一套无线识别装置，包括读取器、应答器和耦合线圈。读取器通过外接电源供电，应答器通过无线传输方式与读取器通信，并通过耦合线圈传输所需数据，识别应答器的有无及其编码和存储信息。
系统组成
- 读取器：外接电源供电，使用单极管显示器显示识别结果。
- 应答器：自带电池供电，具备存储预置编号功能。
- 耦合线圈：用于数据传输。
理论分析
-
信号传输与读取：
- 通过耦合线圈传输信号：确保线圈直径为6.6±0.5cm，读取距离D≥5cm。
- 读取时间<5秒，确定识别率≥80%。
-
功耗与供电：
- 读取器：外接电源，功耗不超过2W。
- 应答器：使用两节1.5V干电池且不可包含集成电芯的电池包。
关键电路设计要点
-
读取器电路：
- 外接电源模块，保障稳定供电。
- 单极管显示模块，显示识别状态。
- 信号接收模块，处理从应答器传来的信号。
-
应答器电路：
- 干电池供电（两节1.5V电池）。
- 存储模块，用于保存应答器的预置编号。
- 信号发送模块，实现与读取器之间的通信。
核心器件设计要点
- 耦合线圈：
- 材质选择：绝缘胶带包裹线圈，维持线圈直径6.6±0.5cm。
- 线圈距地面5cm，两耦合线圈最近点距离为D。
MCU（用于读取器），C代码示例：
#include <Arduino.h>
#define DETECT_PIN 2
#define DISPLAY_PIN 13
void setup() {
pinMode(DETECT_PIN, INPUT);
pinMode(DISPLAY_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(DISPLAY_PIN, LOW);
}
void loop() {
if (digitalRead(DETECT_PIN) == HIGH) {
digitalWrite(DISPLAY_PIN, HIGH);
} else {
digitalWrite(DISPLAY_PIN, LOW);
}
}FPGA（用于信号处理），Verilog代码示例：
module signal_processor(
input clk,
input reset,
input signal_in,
output reg detect
);
reg [15:0] counter;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if(reset) begin
counter <= 0;
detect <= 0;
end else begin
if(signal_in) begin
counter <= counter + 1;
if(counter > THRESHOLD) begin
detect <= 1;
end
end else begin
counter <= 0;
detect <= 0;
end
end
end
endmodule主要电路原理图设计
读取器电路原理图要点
- DC电源输入：插座和稳压芯片。
- 单极管显示：连接信号检测电路。
- 耦合线圈接口：信号接收模块。
应答器电路原理图要点
- 电池供电模块：两节1.5V电池。
- 信号发送模块：实现应答器和读取器之间的通信。
- 编号存储模块：储存应答器的预置编号。
总结
本设计方案通过解析信号传输与读写原理，设计符合要求的读取器与应答器。系统能在规定时间内正确识别应答器并显示结果，同时确保功耗在合理范围内。
本题考察的主要知识点：
本题主要考察无线识别系统的设计与实现，包括硬件电路设计、信号传输与处理、功耗与供电、数据存储与读取等方面。具体涉及到以下几个关键知识点：
- 信号传输与耦合：通过耦合线圈实现非接触信号传输，确保有效的读写距离和信号稳定性。
- 数据存储与编码：在应答器中预存数据，并确保数据在无线传输中的完整性和识别准确率。
- 功耗管理：设计低功耗的应答器和高效的读取器，以确保设备的长时间使用。
- 硬件接口与通信协议：设计与实现读取器与应答器之间的通信协议，保障信息的正确传输与反馈。
本题通过要求设计无线识别装置，考察了上述各方面的知识掌握和应用能力。这些知识点对于硬件工程师设计可靠的无线通信装置至关重要。
