電子腳環(huán)感應(yīng)踏板是現(xiàn)代賽鴿競翔運動中一項重要的電子設(shè)備。在信鴿比賽中，感應(yīng)踏板的靈敏度和精度直接影響著比賽的進程和最終名次，影響著比賽的公平和公正性。養(yǎng)鴿人在平時養(yǎng)鴿的過程中，電子感應(yīng)踏板也是必不可少的訓(xùn)放設(shè)備之一。
    基于RFID技術(shù)[1]的125 kHz 6格電子腳環(huán)感應(yīng)踏板接收范圍大、靈敏度高，目前在各類信鴿比賽中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
1 理論分析
    賽鴿競翔歸巢時，低速掠過感應(yīng)踏板，電子腳環(huán)在踏板的磁場中得電并向踏板發(fā)射電子腳環(huán)編碼信號，微處理器通過HTRC110的接收通道接收該信息，然后將其解碼得到電子腳環(huán)識別號。由于單格踏板探測范圍有限，因此使用6格大踏板。6格踏板使用6個獨立的天線，若6個天線同時工作將產(chǎn)生6個磁場，各磁場之間會產(chǎn)生同頻干擾。這種干擾尤其以相鄰的兩磁場之間最為嚴(yán)重，不相鄰磁場之間的干擾相對較輕，可以忽略。為此，本設(shè)計采用交替掃描法，將6格踏板按位置順序編號為1～6號，將彼此之間相隔一個踏板的1、3、5號和2、4、6號踏板分別歸為一組，微處理器每次僅掃描其中的一組，而將另一組天線磁場關(guān)閉。這樣便可以有效克服同頻干擾問題。電子腳環(huán)發(fā)送一個完整的編碼需要約32 ms，經(jīng)實際測試，選定兩組踏板的掃描切換時間為80 ms時性能較佳。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    如圖1所示，系統(tǒng)以ATMEGA64和HTRC110接收模塊為核心進行設(shè)計，采用一個12 MHz晶體振蕩器為6個HTRC110提供振蕩脈沖，HTRC110驅(qū)動天線電路產(chǎn)生磁場[2]。接收到的電子腳環(huán)編碼信號經(jīng)HTRC110接收通道送至ATMEGA64進行解碼，解碼后得到的電子腳環(huán)識別號經(jīng)串行口1送出。當(dāng)需要擴大掃描接收范圍時，可以將多塊踏板串聯(lián)，組成一個大的串行通信通道。系統(tǒng)還配備了LED指示，當(dāng)某格天線接收到電子腳環(huán)信號時，對應(yīng)的LED點亮。

2.1 主控芯片電路
    由于踏板工作時需同時掃描3路接收信號，這不僅要求處理器的速度要快，而且需要多個定時器，當(dāng)多個踏板串聯(lián)時，還需要2個串行通信口。因此綜合考慮選用美國ATMEL公司的高性能、低功耗的 AVR 8 bit微處理器ATMEGA64作為本系統(tǒng)的核心[3]。該微控制器特點如下：
    （1）先進的 RISC 結(jié)構(gòu)（工作于16 MHz 時性能高達16 MIPS）；（2）53個可編程的I/O口，2個全雙工UART串口；（3）4 KB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，64 KB Flash存儲器，可以在系統(tǒng)編程；（4）4個通用計數(shù)器、定時器陣列， SPI串口；（5）多種節(jié)電休眠和停機方式。
2.2 HTRC110接收模塊電路
    接收模塊電路產(chǎn)生125 kHz感應(yīng)磁場，給電子腳環(huán)提供工作時所需的能量，并接收來自腳環(huán)的編碼信號。接收電路中的主芯片使用HTRC110以實現(xiàn)125 kHz載波上的調(diào)制與解調(diào)[4]。HTRC110芯片只提供讀寫通道，具體的數(shù)據(jù)編碼方式由實際選用的腳環(huán)類型決定。在實際的應(yīng)用中，一般選用HITAG系列或EM系列的卡片[5]，將卡片設(shè)定為主動發(fā)送的ID卡格式。這種格式使用曼徹斯特編碼，其數(shù)據(jù)的傳送速率為2 kHz。
    本系統(tǒng)的接收模塊電路如圖2所示。HTRC110時鐘可選用4 MHz、8 MHz、12 MHz或16 MHz，電路中選用一個12 MHz有源晶振，同時為主CPU和6個HTRC110芯片提供時鐘。HTRC110使用3線通信， SCLK、DOUT、DIN加上拉電阻后與微處理器的I/O口相連接。CON2插座用于外接天線，6組天線線圈均勻排列在踏板上。工作時，6個接收通道輪流交替接收信號。工作的通道開啟天線，接收DOUT引腳輸出的電子腳環(huán)編碼信號。不工作的通道關(guān)閉天線，以避免相鄰線圈之間的同頻干擾。

2.3 通信電路
    通信電路負(fù)責(zé)傳送電子腳環(huán)編碼信號和控制信號。當(dāng)多個踏板串聯(lián)工作時，本級踏板還負(fù)責(zé)接收下一級踏板上傳的信號并發(fā)送至更上一級踏板。串口0用于接收上一級踏板下發(fā)的控制信號，并向上一級踏板傳送電子腳環(huán)數(shù)據(jù)。串口1用于接收下一級踏板上傳的電子腳環(huán)數(shù)據(jù)，并向下一級踏板傳送控制信號。
    如圖3所示，通信電路使用一片MAX232，利用兩個接收和發(fā)送通道將TTL電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS232電平。

3 軟件設(shè)計
    電子腳環(huán)感應(yīng)踏板軟件主要由掃描接收程序、通信程序以及時鐘節(jié)拍服務(wù)程序三部分組成。掃描接收程序?qū)崿F(xiàn)了對6路HTRC110接收通道的交替循環(huán)掃描，是軟件程序的重點。通信程序按一定的協(xié)議通過串口發(fā)送掃描到的電子腳環(huán)識別號，當(dāng)多級踏板串聯(lián)工作時，通信程序接收從下一級踏板發(fā)送來的信息并上傳至上一級踏板。時鐘節(jié)拍服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時管理，包括電子腳環(huán)解碼的脈寬計算、多級踏板串聯(lián)工作時各個踏板之間的步調(diào)協(xié)調(diào)等。電子腳環(huán)感應(yīng)踏板軟件總框圖如圖4所示。

3.1 電子腳環(huán)識別碼掃描接收程序
    系統(tǒng)開機初始化后設(shè)定HTRC110工作于接收模式，接收來自磁場中的電子腳環(huán)識別碼信號。當(dāng)賽鴿低空掠過感應(yīng)踏板時，賽鴿攜帶的電子腳環(huán)進入感應(yīng)磁場，腳環(huán)上的天線電路得電復(fù)位，之后以2 KB/s的速率回送曼徹斯特編碼調(diào)制的電子腳環(huán)識別信號。調(diào)制波經(jīng)HTRC110芯片解調(diào)后從DOUT引腳輸出曼徹斯特編碼信號。該信號上升沿為1，下降沿為0。每兩個數(shù)據(jù)沿之間的時間間隔為512 ?滋s，連續(xù)的0或連續(xù)的1之間插入一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換沿，狀態(tài)轉(zhuǎn)換沿和數(shù)據(jù)沿之間的時間隔間為256 ?滋s。程序中使用16 bit定時器1作為計時器，記錄每兩個跳變沿之間的時間間隔；然后根據(jù)時間間隔和跳變沿的方向解碼數(shù)據(jù)[6]。每次掃描3個互相間隔的踏板，掃描時間持續(xù)80 ms，之后關(guān)閉當(dāng)前掃描踏板的天線，開啟另一組3個踏板的天線進行掃描。
3.2 通信程序
    通信程序主要實現(xiàn)三個功能：傳送電子腳環(huán)識別碼、傳送控制信號和傳送同步信號。踏板讀到有效的電子腳環(huán)識別碼后將其寫入串口0的發(fā)送緩沖區(qū)，同時將串口1接收的下一級踏板上傳的電子腳環(huán)數(shù)據(jù)也寫入串口0的發(fā)送緩沖區(qū)，通過串口0向上一級踏板發(fā)送腳環(huán)數(shù)據(jù)，最后一級踏板將所有腳環(huán)數(shù)據(jù)發(fā)送至鴿鐘?？刂菩盘枌崿F(xiàn)鴿鐘對所有踏板的檢測與監(jiān)控，僅由鴿鐘發(fā)送。在串聯(lián)踏板的最后一級，使用端接器將串口1的發(fā)送端和串口0的接收端短接。這樣每個踏板的兩個串行端口和鴿鐘的串行口就組成了一個大的通信環(huán)。通過這個串行通信環(huán)路，鴿鐘實現(xiàn)對踏板的輪詢、檢測等各種控制。
3.3 時鐘節(jié)拍服務(wù)程序
      當(dāng)需要寬度較大的探測區(qū)域時，可以將多個踏板首尾相連。當(dāng)多個踏板串聯(lián)工作時，為克服相鄰踏板之間的同頻干擾，必須使所有串聯(lián)的踏板同步工作，即相鄰的天線總是交錯打開與關(guān)閉。在程序設(shè)計中，與鴿鐘直接相連的踏板定義為主機，由主機每隔一段時間發(fā)送同步校正信號，使與主機串聯(lián)的所有踏板工作步調(diào)一致。
      踏板上電復(fù)位后，每個踏板先將自己定義為主機，并通過串口1對外發(fā)送同步信號，同步信號為一個字節(jié)。當(dāng)1、3、5號線圈開啟，2、4、6號線圈關(guān)閉時，發(fā)送同步信號為“0x00”；反之，當(dāng)1、3、5號線圈關(guān)閉，2、4、6號線圈開啟時，發(fā)送同步信號為“0xff”。串聯(lián)的電子踏板接收到同步信號后同步關(guān)閉或開啟天線。主機在工作的過程中如果收到了來自串口0的同步信號，則自動轉(zhuǎn)變?yōu)樽訖C，不再主動發(fā)送同步信號，而是轉(zhuǎn)發(fā)收到的同步信號。同樣，如果一段時間后沒有收到同步信號，則自動由子機轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳈C，產(chǎn)生并發(fā)送同步信號。
      本文介紹了電子腳環(huán)感應(yīng)踏板的實現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù)，硬件電路采用6路HTRC110接收通道，軟件采用交替循環(huán)掃描接收的方法。工程實踐表明這些方法都是可行的。同時由于自身電路的局限，工作現(xiàn)場的環(huán)境干擾，該產(chǎn)品的感應(yīng)距離和對各類不同編碼腳環(huán)的適應(yīng)性有待于提高。
參考文獻
[1] 郎為民.射頻識別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.
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[3] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
[4] Philips Semiconductors.The data sheet of HTRC110 hitag reader chip[S].1999.
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[6] 康文廣，王輝映.一種RFID的曼徹斯特解碼技術(shù)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(12)：24-22.