電子腳環(huán)感應(yīng)踏板是現(xiàn)代賽鴿競(jìng)翔運(yùn)動(dòng)中一項(xiàng)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(jìn)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(shí)養(yǎng)鴿的過(guò)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(lèi)信鴿比賽中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
1 理論分析
    賽鴿競(jìng)翔歸巢時(shí)，低速掠過(guò)感應(yīng)踏板，電子腳環(huán)在踏板的磁場(chǎng)中得電并向踏板發(fā)射電子腳環(huán)編碼信號(hào)，微處理器通過(guò)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(shí)別號(hào)。由于單格踏板探測(cè)范圍有限，因此使用6格大踏板。6格踏板使用6個(gè)獨(dú)立的天線，若6個(gè)天線同時(shí)工作將產(chǎn)生6個(gè)磁場(chǎng)，各磁場(chǎng)之間會(huì)產(chǎn)生同頻干擾。這種干擾尤其以相鄰的兩磁場(chǎng)之間最為嚴(yán)重，不相鄰磁場(chǎng)之間的干擾相對(duì)較輕，可以忽略。為此，本設(shè)計(jì)采用交替掃描法，將6格踏板按位置順序編號(hào)為1～6號(hào)，將彼此之間相隔一個(gè)踏板的1、3、5號(hào)和2、4、6號(hào)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(chǎng)關(guān)閉。這樣便可以有效克服同頻干擾問(wèn)題。電子腳環(huán)發(fā)送一個(gè)完整的編碼需要約32 ms，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，選定兩組踏板的掃描切換時(shí)間為80 ms時(shí)性能較佳。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    如圖1所示，系統(tǒng)以ATMEGA64和HTRC110接收模塊為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用一個(gè)12 MHz晶體振蕩器為6個(gè)HTRC110提供振蕩脈沖，HTRC110驅(qū)動(dòng)天線電路產(chǎn)生磁場(chǎng)[2]。接收到的電子腳環(huán)編碼信號(hào)經(jīng)HTRC110接收通道送至ATMEGA64進(jìn)行解碼，解碼后得到的電子腳環(huán)識(shí)別號(hào)經(jīng)串行口1送出。當(dāng)需要擴(kuò)大掃描接收范圍時(shí)，可以將多塊踏板串聯(lián)，組成一個(gè)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(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED點(diǎn)亮。

2.1 主控芯片電路
    由于踏板工作時(shí)需同時(shí)掃描3路接收信號(hào)，這不僅要求處理器的速度要快，而且需要多個(gè)定時(shí)器，當(dāng)多個(gè)踏板串聯(lián)時(shí)，還需要2個(gè)串行通信口。因此綜合考慮選用美國(guó)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(diǎn)如下：
    （1）先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)（工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS）；（2）53個(gè)可編程的I/O口，2個(gè)全雙工UART串口；（3）4 KB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，64 KB Flash存儲(chǔ)器，可以在系統(tǒng)編程；（4）4個(gè)通用計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列， SPI串口；（5）多種節(jié)電休眠和停機(jī)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(chǎng)，給電子腳環(huán)提供工作時(shí)所需的能量，并接收來(lái)自腳環(huán)的編碼信號(hào)。接收電路中的主芯片使用HTRC110以實(shí)現(xiàn)125 kHz載波上的調(diào)制與解調(diào)[4]。HTRC110芯片只提供讀寫(xiě)通道，具體的數(shù)據(jù)編碼方式由實(shí)際選用的腳環(huán)類(lèi)型決定。在實(shí)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(dòng)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(shí)鐘可選用4 MHz、8 MHz、12 MHz或16 MHz，電路中選用一個(gè)12 MHz有源晶振，同時(shí)為主CPU和6個(gè)HTRC110芯片提供時(shí)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(shí)，6個(gè)接收通道輪流交替接收信號(hào)。工作的通道開(kāi)啟天線，接收DOUT引腳輸出的電子腳環(huán)編碼信號(hào)。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(hào)和控制信號(hào)。當(dāng)多個(gè)踏板串聯(lián)工作時(shí)，本級(jí)踏板還負(fù)責(zé)接收下一級(jí)踏板上傳的信號(hào)并發(fā)送至更上一級(jí)踏板。串口0用于接收上一級(jí)踏板下發(fā)的控制信號(hào)，并向上一級(jí)踏板傳送電子腳環(huán)數(shù)據(jù)。串口1用于接收下一級(jí)踏板上傳的電子腳環(huán)數(shù)據(jù)，并向下一級(jí)踏板傳送控制信號(hào)。
    如圖3所示，通信電路使用一片MAX232，利用兩個(gè)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(jì)
    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(shí)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(duì)6路HTRC110接收通道的交替循環(huán)掃描，是軟件程序的重點(diǎn)。通信程序按一定的協(xié)議通過(guò)串口發(fā)送掃描到的電子腳環(huán)識(shí)別號(hào)，當(dāng)多級(jí)踏板串聯(lián)工作時(shí)，通信程序接收從下一級(jí)踏板發(fā)送來(lái)的信息并上傳至上一級(jí)踏板。時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)管理，包括電子腳環(huán)解碼的脈寬計(jì)算、多級(jí)踏板串聯(lián)工作時(shí)各個(gè)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(shí)別碼掃描接收程序
    系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化后設(shè)定HTRC110工作于接收模式，接收來(lái)自磁場(chǎng)中的電子腳環(huán)識(shí)別碼信號(hào)。當(dāng)賽鴿低空掠過(guò)感應(yīng)踏板時(shí)，賽鴿攜帶的電子腳環(huán)進(jìn)入感應(yīng)磁場(chǎng)，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(shí)別信號(hào)。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(hào)。該信號(hào)上升沿為1，下降沿為0。每?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)沿之間的時(shí)間間隔為512 ?滋s，連續(xù)的0或連續(xù)的1之間插入一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換沿，狀態(tài)轉(zhuǎn)換沿和數(shù)據(jù)沿之間的時(shí)間隔間為256 ?滋s。程序中使用16 bit定時(shí)器1作為計(jì)時(shí)器，記錄每?jī)蓚€(gè)跳變沿之間的時(shí)間間隔；然后根據(jù)時(shí)間間隔和跳變沿的方向解碼數(shù)據(jù)[6]。每次掃描3個(gè)互相間隔的踏板，掃描時(shí)間持續(xù)80 ms，之后關(guān)閉當(dāng)前掃描踏板的天線，開(kāi)啟另一組3個(gè)踏板的天線進(jìn)行掃描。
3.2 通信程序
    通信程序主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：傳送電子腳環(huán)識(shí)別碼、傳送控制信號(hào)和傳送同步信號(hào)。踏板讀到有效的電子腳環(huán)識(shí)別碼后將其寫(xiě)入串口0的發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)將串口1接收的下一級(jí)踏板上傳的電子腳環(huán)數(shù)據(jù)也寫(xiě)入串口0的發(fā)送緩沖區(qū)，通過(guò)串口0向上一級(jí)踏板發(fā)送腳環(huán)數(shù)據(jù)，最后一級(jí)踏板將所有腳環(huán)數(shù)據(jù)發(fā)送至鴿鐘?？刂菩盘?hào)實(shí)現(xiàn)鴿鐘對(duì)所有踏板的檢測(cè)與監(jiān)控，僅由鴿鐘發(fā)送。在串聯(lián)踏板的最后一級(jí)，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(gè)踏板的兩個(gè)串行端口和鴿鐘的串行口就組成了一個(gè)大的通信環(huán)。通過(guò)這個(gè)串行通信環(huán)路，鴿鐘實(shí)現(xiàn)對(duì)踏板的輪詢(xún)、檢測(cè)等各種控制。
3.3 時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)程序
      當(dāng)需要寬度較大的探測(cè)區(qū)域時(shí)，可以將多個(gè)踏板首尾相連。當(dāng)多個(gè)踏板串聯(lián)工作時(shí)，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(cuò)打開(kāi)與關(guān)閉。在程序設(shè)計(jì)中，與鴿鐘直接相連的踏板定義為主機(jī)，由主機(jī)每隔一段時(shí)間發(fā)送同步校正信號(hào)，使與主機(jī)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(gè)踏板先將自己定義為主機(jī)，并通過(guò)串口1對(duì)外發(fā)送同步信號(hào)，同步信號(hào)為一個(gè)字節(jié)。當(dāng)1、3、5號(hào)線圈開(kāi)啟，2、4、6號(hào)線圈關(guān)閉時(shí)，發(fā)送同步信號(hào)為“0x00”；反之，當(dāng)1、3、5號(hào)線圈關(guān)閉，2、4、6號(hào)線圈開(kāi)啟時(shí)，發(fā)送同步信號(hào)為“0xff”。串聯(lián)的電子踏板接收到同步信號(hào)后同步關(guān)閉或開(kāi)啟天線。主機(jī)在工作的過(guò)程中如果收到了來(lái)自串口0的同步信號(hào)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽訖C(jī)，不再主動(dòng)發(fā)送同步信號(hào)，而是轉(zhuǎn)發(fā)收到的同步信號(hào)。同樣，如果一段時(shí)間后沒(méi)有收到同步信號(hào)，則自動(dòng)由子機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳈C(jī)，產(chǎn)生并發(fā)送同步信號(hào)。
      本文介紹了電子腳環(huán)感應(yīng)踏板的實(shí)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(shí)踐表明這些方法都是可行的。同時(shí)由于自身電路的局限，工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾，該產(chǎn)品的感應(yīng)距離和對(duì)各類(lèi)不同編碼腳環(huán)的適應(yīng)性有待于提高。
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