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在奶牛養殖業中，對奶牛的健康進行監測，及時發現牛群中的病牛和處于發情期的牛是很重要的。我國大部分對奶牛的監測均是由飼養員來進行的，這對飼養員來說非常困難。隨著現代電子技術的發展，奶牛場計算機管理系統在國外養殖業中已大量采用，這種系統可根據奶牛每天走的步數(即活動量)來確定奶牛的健康狀況。在以色列，每頭奶牛都有一個計步器，用于統計奶牛每天的行走步數。國內養殖業如要從國外引入這個系統其成本是很高的。本系統利用射頻卡技術，能對奶牛的活動情況進行統計管理，而且成本較低。 1 奶牛健康與活動量的關系 奶牛每天的活動量與奶牛行走的步數有關系。當奶牛的步數多時，即活動量大；反之，活動量少。每頭健康的奶牛在平時都有一個平均的活動量，即行走的步數在一定范圍內是小幅波動的。當一頭奶牛的活動量突然減少時，表示這頭奶牛可能生病了；而當一頭奶牛的活動量突然增加時，表明奶牛可能發情了。本系統就是利用這個特點對奶牛每天的活動量進行統計，從而達到對奶牛健康管理的目的。 2 系統總體結構和工作原理 射頻卡系統是一種無線識別裝置，由閱讀器、射頻卡兩部分組成，在現代生活中主要應用于考勤和消費等領域。它避免了因接觸式IC卡的讀寫、油污和芯片裸露等缺陷而造成的各種故障，具有免接觸、高可靠和無磨損等優點。目前，射頻卡系統已經逐步成為我國取代磁卡、光電卡、條碼卡和接觸式IC卡的最佳選擇。 射頻卡是安裝在奶牛腿上的一個裝置，對它的要求是功耗要低，體積要小。射頻卡系統框圖如圖1所示。射頻卡的工作原理是：單片機通過軟件在每個卡中設置一個唯一的編碼(即卡號，它相當于我們的身份證)，另外，單片機與一個水銀開關相連，奶牛每走一步，水銀開關通斷一次，單片機對水銀開關的脈沖進行計數，從而將奶牛的活動記錄下來。當射頻卡靠近閱讀器時，它接收到閱讀器耦合電路的無線電波能量，經整流濾波后對射頻卡供電；同時，給單片機中斷信號，單片機將卡號和記錄的步數數據進行曼徹斯特編碼，然后通過脈沖驅動電路將編碼信號發出。脈沖驅動電路根據單片機送來的編碼信號，控制并接在射頻卡耦合電路兩端的電阻。當高電平時，電阻接入耦合電路；低電平時，電阻不接入耦合電路。根據變壓器原理，當負載變化時變壓器的原副電壓電流均將發生變化，從而將信號傳遞給閱讀器。 
閱讀器是閱讀射頻卡內的卡號和計步數據的裝置，由AT89C51單片機和外圍電路組成，系統框圖如圖2所示。
工作原理是：振蕩器產生8 MHz的方波信號，經分頻器分頻后得到125 kHz的方波信號。再經驅動電路驅動耦合電路中的線圈，對外發出125 kHz的無線電波。當耦合電路線圈處沒有射頻卡時，耦合電路中為一等幅信號，在檢波電路中沒有解調信號輸出。當上述射頻卡放入耦合電路線圈附近時，根據變壓器原理，它將能量傳遞給射頻卡；當射頻卡線圈兩端的負載電阻變化時，對于閱讀器來說，相當于所接負載在改變，從而使線圈兩端電壓隨射頻卡耦合電路的電阻變化而變化，實現加載調幅。檢波器從調幅信號中將射頻卡的編碼信號接收下來，經放大電路放大整形并送單片機解碼，得到相關的卡號和計步數據。 3 系統硬件設計 3．1 閱讀器硬件電路 閱讀器由振蕩器、分頻器、驅動電路、耦合電路、檢波電路、放大器、單片機電路、蜂鳴器、顯示器等部分組成。125 kHz方波信號產生電路由脈沖振蕩和分頻兩部分組成，如圖3所示。由CD4060和石英晶體組成振蕩器，產生8 MHz的方波信號，并由CD4060進行64分頻得到125kHz方波信號。
發射驅動電路如圖4所示。因為奶牛刷卡不可能和人一樣，將卡直接放到閱讀器附近，而是要求讀卡距離比較遠，這樣，只要奶牛從閱讀器旁走過就可以實現讀卡。為了實現遠距離讀卡，驅動電路采用推挽驅動方式。它由晶體管T1～T4、非門74HC04和耦合線圈L1構成。其中，T1～T4組成橋式推挽電路，用來驅動由L2、C1組成的串聯諧振電路(C1用3 300 pF的高精度電容)。由于信號頻率為125 kHz，根據串聯諧振電路的諧振頻率計算公式有：f0=1/（2πLC）。為了讓諧振電路諧振，根據上述公式可計算得到電感大約為492μH。
在有射頻卡時，從L1過來的信號是一種調幅波，所以用普通檢波電路就可實現，電路如圖5所示。檢波二極管用IN4148開關二極管，100 kΩ電阻和1 000 pF電容完成低通濾波。 從檢波電路來的脈沖信號幅度較小，要經過放大電路放大后才能被單片機接收。放大電路由CD4069反向器組成，如圖6所示。電路最后兩級放大器構成低通濾波器，具有整形功能。
單片機電路采用AT89C51，它用來對接收到的編碼信號進行解碼。解碼后的信號經RS232接口送上位機處理，電路如圖7所示。
3．2 射頻卡硬件電路 射頻卡電路由計數脈沖產生電路、單片機電路、脈沖驅動電路、耦合電路等組成。(原理框圖見圖 1。) 由于射頻卡是裝在奶牛身上的一個裝置，所以要求其功耗要低。本系統采用單片機MSP430，該單片機具有功耗低、體積小、功能強的特點。計步信號由 P1．0口輸入，單片機對其進行計數，電路如圖8所示。當耦合線圈接收到閱讀器的信號時，通過D1給單片機中斷，單片機經P3．3口對外輸出卡號和計步數據編碼信號。2個晶體管為脈沖驅動，它用來控制R1(510Ω)是否接入有效。當P3．3為低電平時，R1接入耦合電路，電路負載加重，當卡放入閱讀器時，閱讀器由于負載變化，使得閱讀器的耦合電路兩端電壓下降產生調幅效果；當P3．3為高電平時，晶體管截止，電阻接入無效，對耦合電路不產生影響。這樣不僅實現了編碼的正常傳輸，而且提高了效率。
4 系統軟件設計 系統軟件設計包括閱讀器和射頻卡兩部分，由于各模塊功能單一，因此軟件設計相對簡單。閱讀器和射頻卡的程序流程分別如圖9和圖10所示。
5 結論 經過反復調試、完善電路結構、優化設計參數，最終閱讀正確率可達98％(識別時間低于1 s)。射頻卡電路由于采用低功耗芯片，整機用3 V、1 000 mA鋰電池供電，經測試一般可用1年以上。圖1l為閱讀器線圈兩端的電壓實際測量波形，(a)為閱讀器線圈周圍無射頻卡波形，(b)為線圈周圍有射頻卡時的波形(由于諧振電路中加入的為方波信號，所以波形并不是普通的正弦波形)。可見有射頻卡時，線圈兩端電壓波形幅度明顯比無射頻卡時低，且波形后沿明顯變得平緩，兩波形的差異性與閱讀器和射頻卡的耦合線圈距離有關。調制輸出信號經放大后波形如圖12所示，(a)為無射頻卡時的波形，(b)為有射頻卡時的波形。顯然，在無射頻卡時，輸出波形無變化；而當有射頻卡時，輸出波形在占空比上出現大幅變化，顯示有編碼信號輸入。
電路由于采用特殊的信號傳遞方式，使得系統的閱讀速度較一般磁卡要快，實現了高速讀卡。另外，采用標準曼徹斯特編碼，可以使讀卡的準確度和分辨率得到大幅提高。如若在射頻卡中使用低功耗芯片，敷設充電電路，那么市場前景將更為可觀。 參考文獻 1. Griffin J D How to construct a test bed for RFID antenna measurements 2006 2. 陳爾紹 電子控制電路實例 2004 3. 黃繼昌 電子元器件手冊 2004 4. 高吉祥 模擬電子線路設計 2007 5. 王彥朋 大學生電子設計與應用 2007 作者：江蘇工業學院 儲開斌 陸貴榮 何寶祥 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (2) |
