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。

3 软件设计
    电子脚环感应踏板软件主要由扫描接收程序、通信程序以及时钟节拍服务程序三部分组成。扫描接收程序实现了对6路HTRC110接收通道的交替循环扫描，是软件程序的重点。通信程序按一定的协议通过串口发送扫描到的电子脚环识别号，当多级踏板串联工作时，通信程序接收从下一级踏板发送来的信息并上传至上一级踏板。时钟节拍服务程序实现定时管理，包括电子脚环解码的脉宽计算、多级踏板串联工作时各个踏板之间的步调协调等。电子脚环感应踏板软件总框图如图4所示。

3.1 电子脚环识别码扫描接收程序
    系统开机初始化后设定HTRC110工作于接收模式，接收来自磁场中的电子脚环识别码信号。当赛鸽低空掠过感应踏板时，赛鸽携带的电子脚环进入感应磁场，脚环上的天线电路得电复位，之后以2 KB/s的速率回送曼彻斯特编码调制的电子脚环识别信号。调制波经HTRC110芯片解调后从DOUT引脚输出曼彻斯特编码信号。该信号上升沿为1，下降沿为0。每两个数据沿之间的时间间隔为512 ?滋s，连续的0或连续的1之间插入一个状态转换沿，状态转换沿和数据沿之间的时间隔间为256 ?滋s。程序中使用16 bit定时器1作为计时器，记录每两个跳变沿之间的时间间隔；然后根据时间间隔和跳变沿的方向解码数据[6]。每次扫描3个互相间隔的踏板，扫描时间持续80 ms，之后关闭当前扫描踏板的天线，开启另一组3个踏板的天线进行扫描。
3.2 通信程序
    通信程序主要实现三个功能：传送电子脚环识别码、传送控制信号和传送同步信号。踏板读到有效的电子脚环识别码后将其写入串口0的发送缓冲区，同时将串口1接收的下一级踏板上传的电子脚环数据也写入串口0的发送缓冲区，通过串口0向上一级踏板发送脚环数据，最后一级踏板将所有脚环数据发送至鸽钟。控制信号实现鸽钟对所有踏板的检测与监控，仅由鸽钟发送。在串联踏板的最后一级，使用端接器将串口1的发送端和串口0的接收端短接。这样每个踏板的两个串行端口和鸽钟的串行口就组成了一个大的通信环。通过这个串行通信环路，鸽钟实现对踏板的轮询、检测等各种控制。
3.3 时钟节拍服务程序
      当需要宽度较大的探测区域时，可以将多个踏板首尾相连。当多个踏板串联工作时，为克服相邻踏板之间的同频干扰，必须使所有串联的踏板同步工作，即相邻的天线总是交错打开与关闭。在程序设计中，与鸽钟直接相连的踏板定义为主机，由主机每隔一段时间发送同步校正信号，使与主机串联的所有踏板工作步调一致。
      踏板上电复位后，每个踏板先将自己定义为主机，并通过串口1对外发送同步信号，同步信号为一个字节。当1、3、5号线圈开启，2、4、6号线圈关闭时，发送同步信号为“0x00”；反之，当1、3、5号线圈关闭，2、4、6号线圈开启时，发送同步信号为“0xff”。串联的电子踏板接收到同步信号后同步关闭或开启天线。主机在工作的过程中如果收到了来自串口0的同步信号，则自动转变为子机，不再主动发送同步信号，而是转发收到的同步信号。同样，如果一段时间后没有收到同步信号，则自动由子机转变为主机，产生并发送同步信号。
      本文介绍了电子脚环感应踏板的实现方法及应用的主要技术，硬件电路采用6路HTRC110接收通道，软件采用交替循环扫描接收的方法。工程实践表明这些方法都是可行的。同时由于自身电路的局限，工作现场的环境干扰，该产品的感应距离和对各类不同编码脚环的适应性有待于提高。
参考文献
[1] 郎为民.射频识别(RFID)技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2] 谭秀卿.基于HTRC110的机动车非接触识别系统设计[J]. 重型汽车，2006(4)：9-13.
[3] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[4] Philips Semiconductors.The data sheet of HTRC110 hitag reader chip[S].1999.
[5] Philips Semiconductors.The data sheet of HTS IC H32/HTS IC H56/HTS IC H48 transponders[S].2003.
[6] 康文广，王辉映.一种RFID的曼彻斯特解码技术[J].单片机与嵌入式系统应用，2010(12)：24-22.