125 kHz赛鸽电子脚环感应踏板设计

摘  要： 使用交替扫描方式，以微控制器ATMEGA64为核心控制电子脚环感应踏板接收电路，实现了6格感应踏板错时接收电子脚环信息的设计方案。系统采用6片专用集成电路芯片HTRC110驱动天线线圈产生磁场，利用HTRC110的接收通道接收电子脚环发射的编码信号。该编码信号经ATMEGA64解码后得到电子脚环识别信息，识别信息最后通过串口输出到鸽钟。
关键词： 感应踏板；电子脚环；ATMEGA64；HTRC110；交替扫描
      电子脚环感应踏板是现代赛鸽竞翔运动中一项重要的电子设备。在信鸽比赛中，感应踏板的灵敏度和精度直接影响着比赛的进程和最终名次，影响着比赛的公平和公正性。养鸽人在平时养鸽的过程中，电子感应踏板也是必不可少的训放设备之一。
     基于RFID技术[1]的125 kHz 6格电子脚环感应踏板接收范围大、灵敏度高，目前在各类信鸽比赛中得到越来越广泛的应用。
1 理论分析
     赛鸽竞翔归巢时，低速掠过感应踏板，电子脚环在踏板的磁场中得电并向踏板发射电子脚环编码信号，微处理器通过HTRC110的接收通道接收该信息，然后将其解码得到电子脚环识别号。由于单格踏板探测范围有限，因此使用6格大踏板。6格踏板使用6个独立的天线，若6个天线同时工作将产生6个磁场，各磁场之间会产生同频干扰。这种干扰尤其以相邻的两磁场之间最为严重，不相邻磁场之间的干扰相对较轻，可以忽略。为此，本设计采用交替扫描法，将6格踏板按位置顺序编号为1～6号，将彼此之间相隔一个踏板的1、3、5号和2、4、6号踏板分别归为一组，微处理器每次仅扫描其中的一组，而将另一组天线磁场关闭。这样便可以有效克服同频干扰问题。电子脚环发送一个完整的编码需要约32 ms，经实际测试，选定两组踏板的扫描切换时间为80 ms时性能较佳。
2 系统硬件设计
     如图1所示，系统以ATMEGA64和HTRC110接收模块为核心进行设计，采用一个12 MHz晶体振荡器为6个HTRC110提供振荡脉冲，HTRC110驱动天线电路产生磁场[2]。接收到的电子脚环编码信号经HTRC110接收通道送至ATMEGA64进行解码，解码后得到的电子脚环识别号经串行口1送出。当需要扩大扫描接收范围时，可以将多块踏板串联，组成一个大的串行通信通道。系统还配备了LED指示，当某格天线接收到电子脚环信号时，对应的LED点亮。
   
   2.1 主控芯片电路
     由于踏板工作时需同时扫描3路接收信号，这不仅要求处理器的速度要快，而且需要多个定时器，当多个踏板串联时，还需要2个串行通信口。因此综合考虑选用美国ATMEL公司的高性能、低功耗的 AVR 8 bit微处理器ATMEGA64作为本系统的核心[3]。该微控制器特点如下：
     （1）先进的 RISC 结构（工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS）；（2）53个可编程的I/O口，2个全双工UART串口；（3）4 KB内部数据RAM，64 KB Flash存储器，可以在系统编程；（4）4个通用计数器、定时器阵列， SPI串口；（5）多种节电休眠和停机方式。
2.2 HTRC110接收模块电路
     接收模块电路产生125 kHz感应磁场，给电子脚环提供工作时所需的能量，并接收来自脚环的编码信号。接收电路中的主芯片使用HTRC110以实现125 kHz载波上的调制与解调[4]。HTRC110芯片只提供读写通道，具体的数据编码方式由实际选用的脚环类型决定。在实际的应用中，一般选用HITAG系列或EM系列的卡片[5]，将卡片设定为主动发送的ID卡格式。这种格式使用曼彻斯特编码，其数据的传送速率为2 kHz。
     本系统的接收模块电路如图2所示。HTRC110时钟可选用4 MHz、8 MHz、12 MHz或16 MHz，电路中选用一个12 MHz有源晶振，同时为主CPU和6个HTRC110芯片提供时钟。HTRC110使用3线通信， SCLK、DOUT、DIN加上拉电阻后与微处理器的I/O口相连接。CON2插座用于外接天线，6组天线线圈均匀排列在踏板上。工作时，6个接收通道轮流交替接收信号。工作的通道开启天线，接收DOUT引脚输出的电子脚环编码信号。不工作的通道关闭天线，以避免相邻线圈之间的同频干扰。
   
   2.3 通信电路
     通信电路负责传送电子脚环编码信号和控制信号。当多个踏板串联工作时，本级踏板还负责接收下一级踏板上传的信号并发送至更上一级踏板。串口0用于接收上一级踏板下发的控制信号，并向上一级踏板传送电子脚环数据。串口1用于接收下一级踏板上传的电子脚环数据，并向下一级踏板传送控制信号。
     如图3所示，通信电路使用一片MAX232，利用两个接收和发送通道将TTL电平转换为标准RS232电平。