感应耦合：用于 MC 的无线接口

微控制器无线电感耦合接口的实现

当标准无线模块（Wi-Fi、NFC、RFID）因外壳密封要求或特定应用需求而不适用时，电感耦合为短距离无线数据传输提供了一种有效的解决方案。本文将演示如何利用电感器、晶体管和微控制器等基本电子元件，创建一个可靠、紧凑的无线接口，用于配置或数据采集，工作距离可达10-15厘米。

电感耦合原理及其在MCU系统中的应用

电感耦合是一种基于两个线圈之间电磁感应的无线能量或数据传输方法。这种现象被广泛应用于各种设备，从变压器到无线充电器和RFID系统。在微控制器系统环境中，特别是对于需要气密密封或外部接口最小化的应用，电感耦合成为最佳选择。无需光窗（如红外通信）或高频协议的专用天线，使得这种接口能够集成到最复杂的设计中。其主要优势在于能够利用标准的微控制器功能，如UART、时钟发生器和比较器，进行信号生成和检测，最大限度地减少对专用芯片的需求。这种方法对于成本、尺寸和功耗至关重要的嵌入式系统尤为重要。

电感耦合发射器设计

电感耦合无线系统的核心是发射器，它将数字信号转换为射频振荡。在本文提出的方案中，微控制器的时钟频率（例如PIC16F1823）用作载波，并通过UART输出信号实现调制。为此，通过微控制器的CLKOUT引脚输出的时钟频率被送入谐振电路。然而，由于缺乏对CLKOUT的直接软件控制，因此需要额外的电路。

发射器电路使用两个晶体管（VT1、VT3）来调制载波频率。当UART TX线处于低逻辑状态（逻辑0）时，晶体管VT1导通，VT3截止，允许时钟频率通过电阻R3到达耦合线圈L2。该线圈感应耦合到谐振电路L3、C2、C5，该电路调谐到时钟发生器频率并发出振荡。当UART TX处于高逻辑状态（逻辑1）时，VT1截止，VT3导通，阻止载波频率到达电路。因此，数据以反相形式传输。使用两个晶体管是必要的，以防止单个晶体管在截止状态下因寄生集电极-发射极电容而引起的振荡激励。

谐振电路的元件选择至关重要。线圈L3可以是现成的电感器（例如470 µH），也可以是自绕的。在“哑铃”型DR2W 14x15磁芯上使用500 µH的电感器表现出良好的效果，提供了最佳的电路Q值。磁芯尺寸影响通信范围，电感值可在200-500 µH之间变化。对于L3电感为500 µH的情况，耦合线圈L2通常使用5匝PEV-0.3漆包线。其电感（0.5-3 µH）取决于电路的谐振阻抗和Q值。

谐振电路的计算：

谐振频率：f = 159 / √(L * C)，其中L以µH为单位，C以pF为单位。
电路的特性阻抗：p = √(L / C)。
耦合线圈L2电感的近似确定：L2 = L3 Rn / (p Q)，其中Rn是负载电阻（330欧姆），Q是Q值。

或者，电感耦合可以通过省略线圈L2来替换为电容耦合，但使用耦合线圈进行实验调谐通常更方便。

高灵敏度电感耦合接收器

尽管其作用关键，电感耦合接收路径可以通过最少数量的元件来实现。本文介绍的接收器基于单个晶体管，并作为高灵敏度检波器工作。二极管VD4将晶体管VT7偏置在导通阈值，显著提高了电路的灵敏度。此实现的一个显著特点是，由于二极管VD3，它能够整流输入电压的正负半波，这与V.T. Polyakov提出的检波电路相对应。更简单的半波整流方案也是可能的，但这会导致灵敏度降低。

检波器的输出电压（DATA RX）是变化的：在没有输入信号时，约为1.3-1.4 V；在最大信号时，降至0.5-0.6 V。检波器的灵敏度达到7-10 mV（峰峰值），此时输出电压约为0.9 V。为了获得最大效率，接收器的谐振电路（L7、L6、C14、C15）应与发射器的电路相同。

来自DATA RX检波器输出的信号被送入微控制器的比较器输入端。微控制器的内部固定电压基准（FVR）用作比较器的参考电压，通常设置为1.024 V。比较器输出（C1OUT）随后连接到微控制器的RX UART输入端，从而关闭无线通信通道。

PIC微控制器的比较器配置示例：

        //FVR
        FVRCON = 0b11000100; // 配置固定电压基准
        //Comparator
        CM1CON0 = 0b10110010; // 启用比较器，选择输入
        CM1CON1 = 0b00100011; // 配置反相，选择参考电压

这种发射器-接收器对的可靠通信范围为10-15厘米。通过提高比较器的参考电压（例如，提高到1.2 V），可以进一步提高灵敏度。

收发器的构建和优化方法

将发射器和接收器功能组合成一个收发器，可以显著简化设计，并允许使用一个共同的谐振电路。这通过在发射和接收模式之间切换电路的解决方案来实现。在收发器方案中，晶体管VT6用于在发射器工作期间禁用检波器。这可以防止高频电流从发射器输出流入接收路径晶体管VT5的基极，从而避免错误操作或损坏。收发器的谐振电路（L4、L5、C4、C7）的构建方式与前面描述的发射器和接收器电路类似。

调谐所有描述的电路，无论是单独的发射器、接收器还是收发器，都归结为谐振电路的精确调整。为此，您需要：

通过小电容（1-2 pF）将示波器连接到谐振电路。一小段绝缘导线可以用作电容器，一端焊接到电路，另一端（绝缘）用作示波器探头的连接点。
打开发射器（或处于发射模式的收发器），使其产生脉冲或连续发射信号（例如，通过设置DATA TX = 0）。
旋转微调电容（例如，收发器电路的C7），直到在1 MHz处达到最大振荡幅度。这确保了最佳的能量和数据传输。

运行特性和局限性

使用收发器时，有几个方面需要考虑。在传输过程中，有必要禁用UART接收器中断并在传输完成后清除其寄存器。接收器在发射器工作后的恢复时间约为100-200 µs。此类电路的最大数据传输速率通常不超过5000-6000位/秒，并取决于接收路径中电容器C11的电容。检波器的带宽约为3 MHz，这限制了过高微控制器时钟频率的使用。

由于系统的选择性由具有相对较低Q值的单个谐振电路提供，因此将其尽可能远离潜在的干扰源（例如市电布线和开关电源，特别是它们的电感元件）至关重要。这将有助于最大限度地减少外部噪声的影响并确保无线通道的稳定运行。