低频磁发射器设计

低频磁通信技术(LFMC)是有别于高频(RF)通信和红外通信的又一种简单可行“无线”通信手段，非常适合某些近距离传输数据应用，其主要优点有：

　　·极佳的磁穿透能力，可以穿透诸如水、水泥、塑料等一类非磁性材料。

　　·有限的但精确的控制距离，传输距离短即是缺点，又是优点，对某些特定的应用十分有用。

　　·低频设计技术，即可使用一般的运放、晶体管和其它积木块，电路的制作和检测也相对容易。

　　·低功耗，尤其在接收器一侧，还可通过磁耦合输送能量，实现无电源设计。

　　·低成本，使用可靠的无源LC谐振回路收发电路。

　　LFMC链路

LFMC是通过两个低频谐振回路实现连接的，主要是利用磁耦合技术，这与RF通信利用磁波传送信号有着本质上的差别。磁力线能穿透水、水泥、塑料等非磁性介质，信号衰减缓慢且不易畸变。在LFMC设计中，通常使用LC串联谐振回路作为传输源，信号检测则采用并联谐振回路。为了增加灵敏度，发射(TX)回路和接收(RX)回路谐振频率是相同的，此外，灵敏度还依赖于线圈平面之间的角度，因为磁力线垂直穿过线圈时灵敏度最高。

对多数LFMC应用，RLC谐振频率设在125KHz，电流通过线圈产生磁场，对单个线圈(图1)，可以利用下式来计算距离辐射线圈P点的绝对磁场强度Bp：

式中，wo是谐振频率(Rad/s)；I为电流(A)；N为线圈圈数；a为线圈的直径(m)；r为自线圈的距离(m)。由上式可知，当距离r>>a时，磁场随r3而衰减。为实用起见，可将上式用电感上电压VL来表示：

对一个RLC串联谐振回路，常见的计算公式有：

注意，R表示谐振回路的总损耗，上述各式可计算谐振频率，最大电压与电流以及3dB带宽。

　　数据格式

在设计LFMC系统时，还必须选择一种数据调制格式。开—关键控(OOK)是一种最简单的调制格式，信号按接通或切断磁场信号源进行调制。由于脉冲信号的建立与衰减有一定的上升时间和下降时间，这是考虑波特率的主要因素，实用值取400mS或更长一些。其它考虑因素是接收器的设计和AGC电路的拓扑结构。

更有效的调制方案有曼彻斯特码、PWM和PPM(脉冲周期调制)，它们之间的差别见图2。曼彻斯特码的优点是重复周期恒定，数据速率更有效。另一方面，PWM编码可简化接收器译码电路并改善误码率。考虑到通信电路是在噪声环境中工作的，因此无论采用那种编码格式，在实现通信协议时都要设置纠错方案。

　
　　驱动电路

驱动谐振回路的最有效方案是D类放大器，半桥式或全桥式。半桥式结构(图3)具有成本低和容易实现的优点。上面已提及，发射侧采用串联谐振回路，且必须是高Q值谐振回路，这样，虽然驱动电路用方波激励，但通过电感线圈的电流绝大部分是基波分量。实现高Q值谐振回路，低容差、高品质电容是关键，我们可以选用质量好的聚酯薄膜电容，耐压在400V~600V之间。

为了提高波特率，必须加速导通和关闭响应，图4是实现上述目的的改进电路，在此电路中采用全桥结构，并加入嵌位电路。全桥电路能加速上升时间，当幅度上升至满幅时，电路仍处于全桥结构。例如采用TC442 FET驱动电路，上升时间仅为40ms，比半桥式120ms快了很多。嵌位电路使用一个双向可控硅器件，在驱动电路关闭时让谐振回路放电，双向可控硅通常在零电压处点火，可减少EMI辐射。嵌位电路还有一个好处，就是能取消AGC电路，从而简化接收器的设计。


　　
　　电路实例

实际驱动电路(图4)由TC4422(U2)和TC4421(U3)组成，U3是倒相放大器，U2则是同相放大器。U3是主要半桥驱动器件，U2仅在导通时使用。在导通的前5个周期，U2和U3图腾结构用作全桥驱动电路，此时U2和U3通过RB3由PWM电路输出驱动，RB4则用作输入，因而对U2输入信号没有任何影响。在5个初始周期后，驱动器转换 为半桥结构，这是通过将RB4从输入改变为低电平(零电平)输出实现的。这对U3工作没有影响，而将U2接地。当不需要快速上升时间时，也可以省掉U2，以增加电路的效率。

驱动信号直接用PIC微控制器的PWM单元产生，本设计使用PIC 16F628，时钟频率20MHz，为了得到125KHz工作频率，只需将其定时器2预定标为1，设定PR2寄存器为39，就可得到8ms周期信号。要想获得50%空度比的输出，将CCPR1L设置为14，CCP1CON从<5：4>设置为<0:0>。
串行通信由PIC 16F628 的UART实现，电平变换则用MAX232完成。CTS和RTS数据控制分别通过RB6和RB5输入。

　　结语

LFMC技术多用于射频标识和数据采集传输，而最近有报道，日本一家公司为了提高集成电路内部数据传输速度