基于PIC16F639单片机的免持式被动无钥门禁系统

提供稳定的工作状态。

尽管PIC16F639有三个LC输入引脚与三个外部天线连接，但根据具体应用，用户可以只用一个或两个天线，而不是同时使用三个天线。工作电流消耗与使能的通道数成正比，使能的通道越少，消耗的电流越小，但强烈建议在免持式PKE应用中使用所有三个天线。

为检测低频磁场，通常要使用调谐环型天线。为使天线电压最大，环型天线必须精确调谐到所需的频率。对于PKE应用，应将天线调谐到基站载波频率。环型天线由构成并联LC谐振电路的一个线圈(电感)和几个电容组成。通过增大环路表面积和电路的品质因数(Q)使天线电压最大。

LC谐振电路的谐振频率由式1给出：

其中，L为环路电感，C为电容。

对于给定的LC谐振电路，接收到的天线电压可近似地用式2表达。

其中，fc=基站载波频率(Hz)；△f= |fc-fo|；fo=LC电路谐振频率(Hz)；N=环路线圈的匝数；S=环路表面积(m2)；Q=LC电路品质因数；Bo=磁场强度(韦伯/平方米)；α=信号到达的角度。

在式2中，品质因数(Q)是衡量调谐电路的频率选择性的指标。假设电容在125kHz时无损耗，则LC电路的Q值将主要由电感决定。

式中fo为调谐频率，L为电感值，r为电感的阻抗。

在典型应答器应用中，电感值的范围在1～9mH之间。对于空芯电感，LC电路的Q值大于20，对于铁氧体磁芯电感，Q值约为40。

式2中的Scosα项代表天线的有效表面积，即为环路处于入射磁场中的面积。当cosα等于1时，天线有效表面积最大，此时基站和应答器单元的天线面对面。在实际应用中，两个天线平行时检测距离最大，正交时检测距离最短。图3用图形阐述了实际应用中的天线方向问题。

图4：推荐的应答器电路板天线布局图。

如果三个天线在同一印刷电路板上的位置相互正交，可大大减少天线方向问题。在实际应用中，这种设计会提高任何时刻至少有一个应答器天线朝向基站天线的概率。图4为应答器电路板上布置三个天线的图示。LCZ使用一个大空芯线圈，LCX和LCY使用两个铁氧体磁芯线圈。有些公司专门生产125 kHz RFID和低频检测应用系统使用的铁氧体线圈。

如式2和式3所示，当LC电路准确调谐到入射载波的频率时，线圈上的感应电压最大。但在实际应用中，由于LC元件的容差不同，各个应答器的LC谐振频率也不同。为补偿元件容差带来的误差，PIC16F639的每个通道都有一个内部调谐电容组。电容值可以以1pF为步长，被编程到最大63pF，电容值随配置寄存器位的增加而单调递增。

可通过监测RSSI电流输出对电容进行有效调谐。RSSI输出与输入信号强度成正比，因此LC电路被调谐得与载波频率越接近，监测到的RSSI输出越高。总电容值随着配置寄存器位升高而增加，由此得到的内部电容被叠加到LC电路的电容上。随内部谐振电容的增加，LC谐振频率将降低。

图5：应答器电路的每个谐振天线必须调谐到基站单元的载波频率，以达到最佳信号接收状态。

后备电池与无电池模式

实际应用有可能发生电池意外地暂时脱离电路的情况，例如当应答器掉落到硬质表面上时。如果发生此种情况，存储在MCU中的数据可能无法正确恢复。为避免电池意外脱离，用户可考虑采用后备电池电路。后备电池电路能向应答器暂时提供VDD电压。建议在精密应答器中采用这种电路，但并不是所有应用都必须采用它。在图2中，D4和C1构成了电池后备电路。当电池连接时，C1被完全充电，当电池短暂断开时，C1提供VDD电压。

当应答器处于无电池运行时称为无电池模式。在图2中，二极管D1、D2、D3和C1构成无电池模式的电源电路。当应答器线圈产生电压时，线圈电流流过二极管D1和D2为C1充电，C1可为应答器提供VDD电压。当PIC16F639用于需要无电池运行的防碰撞应答器应用中时，这种电源电路很有用。根据不同应用，无电池模式下C1电容值从几微法到几法不等。

图6：在基站电路中，电流驱动器U1放大来自MCU的125 kHz方波脉冲的功率。U1的方波脉冲输出通过由L1、C2、C3和C4组成的LC串联谐振电路后变成正弦波。

应答器电路

应答器电路具有三个外部LC谐振电路、五个按钮开关、一个用于UHF数据发送的433.92MHz谐振器和几个用于后备电池模式的元件。

每个LC谐振电路都连接到LC输入和LCCOM引脚。空芯天线连接到LCX输入，两个铁氧体磁棒电感连接到LCY和LCZ引脚。LCCOM引脚为三个天线连接的公共引脚，通过C11和R9接地。每个谐振天线必须调谐到基站单元的载波频率，以达到最佳信号接收状态(图5)。可利用每个通道的内部电容将天线调谐到最佳状态。

器件初始上电时，数字部分利用SPI(CS、SCLK/ALERT和SDIO)对AFE配置寄存器进行编程。由于AFE输入灵敏度高(约3mV峰峰值)，AFE对环境噪声非