電子設(shè)計競賽章節(jié)座之無線通信系統(tǒng).ppt

2019/6/27,電子設(shè)計競賽培訓講座之 無線通信系統(tǒng),福州大學通信工程系 許志猛,主要內(nèi)容,電子設(shè)計競賽無線通信類題目概述 2007年無線通信類課題解析 任務 要求 題目背景 題目分析 無線識別裝置設(shè)計詳解 方案論證與比較 總體設(shè)計 理論分析與計算 識別裝置工作流程圖 測試方法與測試數(shù)據(jù) 改進及擴展功能 電子系統(tǒng)設(shè)計步驟 電子系統(tǒng)設(shè)計常用工具 討論,導 言,大學生電子設(shè)計競賽 從前幾屆全國電子設(shè)計競賽的試題來看，可以歸納成5類： 電源類 信號源類 無線電類 儀器類 數(shù)據(jù)采集與控制類,從各個題目看，不是簡單的電路設(shè)計，而是“系統(tǒng)設(shè)計”,歷屆無線電類題目,2007第八屆 無線識別裝置（B題） 設(shè)計制作一套無線識別裝置。該裝置由閱讀器、應答器和耦合線圈組成。閱讀器能識別應答器的有無、編碼和存儲信息。不得使用現(xiàn)有射頻識別卡或用于識別的專用芯片。 2005第七屆 單工無線呼叫系統(tǒng)（D題） 設(shè)計并制作一個單工無線呼叫系統(tǒng)，實現(xiàn)主站至從站間的單工語音及數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。 2003第六屆 電壓控制LC 振蕩器（A 題） 輸出頻率范圍：15MHz35MHz,歷屆無線電類題目 (Cont.),2001第五屆 F題 調(diào)頻收音機 用SONY公司提供的FM/AM收音機集成芯片CXA1019和鎖相頻率合成調(diào)諧集成芯片BU2614，制作一臺調(diào)頻收音機。 1999第四屆 D題 短波調(diào)頻接收機 短波調(diào)頻接收機，接收頻率（f0）范圍：8MHz10MHz。 1997第三屆 D題 調(diào)幅廣播收音機 利用所提供的元器件（附有資料）制作一個中波廣播收音機。接收頻率范圍：540kHz1600kHz； 1995第二屆 題目三 簡易無線電遙控系統(tǒng) 設(shè)計并制作無線電遙控發(fā)射機和接收機。,2007年無線通信類課題解析,無線識別裝置（B題） 任務,圖1 無線識別裝置方框圖,設(shè)計制作一套無線識別裝置。該裝置由閱讀器、應答器和耦合線圈組成，其方框圖參見圖1。閱讀器能識別應答器的有無、編碼和存儲信息。,無線識別裝置（B題）,任務（Cont.） 裝置中閱讀器、應答器均具有無線傳輸功能，頻率和調(diào)制方式自由選定。 不得使用現(xiàn)有射頻識別卡或用于識別的專用芯片。 裝置中的耦合線圈為圓形空芯線圈，用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導線密繞10圈制成。線圈直徑為6.60.5 cm（可用直徑6.6 cm左右的易拉罐作為骨架，繞好取下，用絕緣膠帶固定即可）。線圈間的介質(zhì)為空氣。兩個耦合線圈最接近部分的間距定義為D。 閱讀器、應答器不得使用其他耦合方式。,無線識別裝置（B題）,要求 基本要求 應答器采用兩節(jié)1.5V干電池供電，閱讀器用外接單電源供電。閱讀器采用發(fā)光二極管顯示識別結(jié)果，能在D盡可能大的情況下，識別應答器的有無。識別正確率80%，識別時間5秒，耦合線圈間距D5cm。 應答器增加編碼預置功能，可以用開關(guān)預置四位二進制編碼。閱讀器能正確識別并顯示應答器的預置編碼。顯示正確率80%，響應時間5秒，耦合線圈間距D5cm。,無線識別裝置（B題）,要求（Cont.） 發(fā)揮部分 應答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得（通過對耦合到的信號進行整流濾波得到能量），不允許使用電池及內(nèi)部含有電池的集成電路。閱讀器能正確讀出并顯示應答器上預置的四位二進制編碼。顯示正確率80%，響應時間5秒，耦合線圈間距D5cm。 閱讀器采用單電源供電，在識別狀態(tài)時，電源供給功率2W。在顯示編碼正確率80%、響應時間5秒的條件下，盡可能增加耦合線圈間距D。 應答器增加信息存儲功能，其存儲容量大于等于兩個四位二進制數(shù)。裝置斷電后，應答器存儲的信息不丟失。無線識別裝置具有在閱讀器端寫入、讀出應答器存儲信息的功能。 其他。,題目背景,先從自動識別技術(shù)說起 目前，實際應用中的自動識別技術(shù)主要有： 條形碼 IC卡 RFID 生物特征識別：指紋、人臉、虹膜 ,自動識別技術(shù)是以計算機技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合性科學技術(shù)，它是信息數(shù)據(jù)自動識讀、自動采集到計算機的重要方法和手段。,無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Idenfication，RFID）是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。,什么是RFID?,工作原理：標簽進入磁場后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（無源標簽或被動標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（有源標簽或主動標簽） ，閱讀器讀取信息并解碼后，送至應用系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。,應用系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理，可以由簡單的小型數(shù)據(jù)庫擔當，也可以是集成了RFID管理模塊的大型ERP 數(shù)據(jù)庫管理軟件。,RFID的分類,最簡單的RFID系統(tǒng)：由標簽（Tag）、閱讀器（Reader）及天線（Antenna）組成，實際應用時需與計算機及應用系統(tǒng)相結(jié)合。 RFID的基本類型(供電方式) Active Semi-Active Passive 電子標簽存儲類型 只讀 可讀寫（容量從16bit到數(shù)百Kbit）,(transmitter and receiver combined),(receiver and re-transmitter combined),Reader,Tag,系統(tǒng)工作原理與條形碼類似，只是用無線電代替了激光,標簽類型:,工作頻率: Low (125KHz), High (13.56MHz), UHF (915MHz), MW(2450MHz),耦合方式:,reader antenna,signal,signal,Inductive coupling,Backscatter coupling,RFID的分類,電感耦合,反射調(diào)制式,耦合方式,發(fā)生在閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種： 電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應定律，如上圖所示。 電磁反向散射耦合：雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律,耦合方式,電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：125kHz、225kHz和1356MHz。識別作用距離小于1m，典型作用距離為1020cm。 電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：433MHz，915MHz，245GHz，58GHz。識別作用距離大于1m，典型作用距離為3-l0m。,RFID的工作頻率,RFID系統(tǒng)的工作頻率，主要有125KHz、13.56MHz、400MHz、860960MHz、2.45GHz、5.8GHz 等多個頻段。但是，不同的國家和地區(qū)的對頻率的分配和最大發(fā)射功率的規(guī)定是不同的。在某些地區(qū)，某些頻段的RFID產(chǎn)品可能是被禁止使用的。 一般而言，工作頻率在100MHz 以下的RFID系統(tǒng)是通過線圈之間的磁場耦合的方式工作，通常具有工作距離近，成本低，天線尺寸大，通訊速度低等特點，這類電子標簽一般對人體沒有影響；而400MHZ 以上的RFID系統(tǒng)是通過無線電波發(fā)射和反射的方式工作，通常具有工作距離遠，天線尺寸小，通訊速度高等特點，這類電子標簽一般會有發(fā)射功率限制，以避免對人體或環(huán)境造成傷害。,當前，國內(nèi)主要應用的是無源、工作頻率為13.56MHz 和UHF（860960MHz）的RFID。,RFID不同工作頻段的區(qū)別,RFID為何可以無電源工作,基于無線功率傳輸技術(shù) 閱讀器發(fā)射信號 標簽由無線電信號提供能量(約1/1000) 電子標簽與閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合、在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。 每個電子標簽都含有唯一的識別碼，用來表示電子標簽所附著的物體。當電子標簽接收到閱讀器的發(fā)射信號的時候，電子標簽被“喚醒”，然后根據(jù)閱讀器發(fā)射的指令完成相應的動作，并將響應信息發(fā)射回給閱讀器。電子標簽上的存儲單元，可以反復讀寫10,000次以上。,Reader,Tag,RFID的特點,快速掃描 體積小型化、形狀多樣化 抗污染能力和耐久性 可重復使用 穿透性和無屏障閱讀 數(shù)據(jù)的記憶容量大 安全性,標簽與閱讀器,電子標簽(射頻標簽、應答器、數(shù)據(jù)載體)依據(jù)頻率的不同可分為低頻電子標簽、高頻電子標簽、超高頻電子標簽和微波電子標簽。依據(jù)封裝形式的不同可分為信用卡標簽、線形標簽、紙狀標簽、玻璃管標簽、圓形標簽及特殊用途的異形標簽等。 RFID閱讀器又稱為讀出裝置，掃描器、通訊器、讀寫器(取決于電子標簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù))，通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現(xiàn)對標簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮?。典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線。,題目分析,此為功能性題目。題目的初衷是要做一個無線讀卡裝置。（RFID） 此題最簡單的方法是用一對現(xiàn)有的收發(fā)芯片，配上題目給出的天線。 此題基本要求部分是進行簡單的數(shù)字通信，發(fā)揮部分主要是無線功率傳輸?shù)膯栴}。 解決的方法是，可在發(fā)送端不斷地進行高頻等幅波的發(fā)射，在接收端接收其高頻能量，檢波成直流分量并存儲起來，可用電容作為存儲元件。由于題目要求傳輸?shù)男畔⒘亢苄。捎休^多時間進行高頻能量的傳輸。 此題是功能性的，其結(jié)果可能有三種：一是不能傳輸信息也就是失??；二是只完成基本部分；三是可進行無源接收。,課題設(shè)計方案論證與比較,方案0 采用供能、通信相分離的方式來實現(xiàn)無線識別。 該方案的原理就是將供能和通信分開，用線圈的耦合作用實現(xiàn)應答器的無源供電；而通信則使用無線收發(fā)電路制作，比如應用10米波段的MC2833、MC3363收發(fā)電路或者315MHz、433MHz等頻段的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來制作。這樣的設(shè)計，線圈主要完成能量的傳輸，比較容易實現(xiàn)，而信號的耦合則是通過其他無線通信途徑來完成的，與題目中的“不依靠任何其他耦合方式”這一要求不符。,課題設(shè)計方案論證與比較（Cont.）,方案一 采用單片機與有源晶振振蕩器組成無線識別系統(tǒng)。閱讀器：用串口通信方式掃描應答信號，接受到應答信號后，判別其是否有效，若有效則顯示應答器信息，并蜂鳴提示。應答器：當靠近閱讀器時，通過線圈耦合獲得工作能量，讀取撥碼開關(guān)狀態(tài)，發(fā)送應答信號。,特點：采用單片機異步串口通信方式，具有較高的顯示正確率。但對于本設(shè)計任務，考慮到耦合能量有限，不足以驅(qū)動單片機。,課題設(shè)計方案論證與比較（Cont.）,方案二 采用PT2262編碼芯片，與PT2272解碼芯片組成無線識別系統(tǒng)。應答器通過四位撥碼開關(guān)進行卡號設(shè)置，PT2262對卡號進行編碼并通過耦合線圈發(fā)射出去；閱讀器通過耦合線圈接收信號并交給PT2272解碼芯片譯碼輸出應答器卡號，由發(fā)光二極管顯示。,特點：系統(tǒng)組成簡單，成本低，功耗小，且PT2262起始工作電壓低非常適合能量供應有限的場合。,課題設(shè)計方案論證與比較,調(diào)制方式論證與比較 方案一 頻移鍵控（FSK） 傳輸速率快，數(shù)據(jù)正確率高，但調(diào)制電路復雜，成本高，尤其功耗較高，而且解調(diào)電路較為復雜。本題目要求低功耗，且對通訊指標要求不是很苛刻，如傳輸數(shù)據(jù)正確率80%，響應時間 5S，故不宜選用該方案。 方案二 相移鍵控（PSK） 與FSK類似。 方案三 幅移鍵控（ASK） 調(diào)制電路簡單，功耗較低，常用于簡單的低速數(shù)據(jù)通信，解調(diào)電路也十分簡單，滿足本設(shè)計任務要求，綜合考慮我們選用該方案。,課題設(shè)計總體設(shè)計,1閱讀器部分（參考） 電能由振蕩電路產(chǎn)生經(jīng)后續(xù)多級放大電路放大，通過耦合線圈發(fā)送出去；閱讀器通過耦合線圈接收應答器發(fā)送的信號，信號經(jīng)檢波電路檢波后送給PT2272串口接收，PT2272對編碼信號進行解調(diào)后輸出識別結(jié)果。振蕩電路與檢波電路是交替工作的，周期由555產(chǎn)生，單工切換可由電子開發(fā)控制。（在此采用繼電器，功耗較大，速度較慢）,閱讀器設(shè)計,閱讀器原理圖,課題設(shè)計總體設(shè)計,2應答器部分（參考） 應答器通過耦合線圈諧振耦合獲取能量，再經(jīng)放大整流電路向儲能電容充電獲得系統(tǒng)工作所需電能；當電容電壓經(jīng)電壓判斷電路判斷達到指定幅值時，應答器開始工作，SC2262讀取撥碼開關(guān)值，并通過串口發(fā)送編碼信號，此時有源晶振產(chǎn)生載波信號，編碼信號再經(jīng)ASK調(diào)制，從耦合線圈輻射出去。,應答器設(shè)計,應答器原理圖,課題設(shè)計總體設(shè)計,閱讀器電路圖,課題設(shè)計總體設(shè)計,應答器電路圖,課題設(shè)計理論分析與計算,1耦合線圈匹配理論 采用線圈與可變電容組成并聯(lián)諧振回路，測試得線圈電感為11uH,可變電容容量為525PF，諧振頻率：可得諧振頻率為：21MHZ到9MHZ之間。 對回路進行諧振頻率測量得到諧振頻率為11.4MHZ。 因而，閱讀器采用11.0952MHZ有源晶振產(chǎn)生接近與諧振頻率的能源載波頻率。應答器采用11.0952MHZ有源晶振作為載波頻率。,課題設(shè)計理論分析與計算,2.閱讀器發(fā)射電路分析 主振電路采用有源晶振作為振蕩器，頻率穩(wěn)定，電路簡單，調(diào)試容易而且輸出幅度大。有源晶振輸出的方波，經(jīng)過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)Q6及其外圍電路組成的第一級放大電路后送至由Q9 及其外圍電路組成的功率放大電路進行功率放大，最后輸出至C45和L21組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去，為應答器提供能量。,課題設(shè)計理論分析與計算,3閱讀器接收電路分析 從555來的控制信號經(jīng)過74LS04反相后控制繼電器的吸合，當繼電器吸合時，C1與耦合線圈接通，Q1及其外圍電路組成了以及電壓放大電路，放大后的信號經(jīng)二極管檢波后送至LM311進行比較，還原波形。,課題設(shè)計識別裝置工作流程圖,閱讀器,應答器,課題設(shè)計測試方法與測試數(shù)據(jù),1耦合線圈電感量大小與諧振頻率 測試方法：直接用LC 電橋測耦合線圈電感量，用射頻信號發(fā)生器與示波器測試耦合線圈并聯(lián)一電容后的諧振頻率。,課題設(shè)計測試方法與測試數(shù)據(jù),2整機調(diào)試與測試 識別正確率與識別時間測試 測試方法：閱讀器接+15V外接電源，將閱讀器與應答器之間耦合線圈距離設(shè)置為5cm，撥動撥碼開關(guān)改變應答器編碼，觀察閱讀器顯示輸出的識別結(jié)果。重復5次，計算正確率。用秒表測出響應時間S。 識別距離測試 測試方法：閱讀器接+15V外接電源，將閱讀器與應答器之間耦合線圈起始距離設(shè)置為5cm，每次增加識別距離1cm，觀察閱讀器識別正確率，直到識別正確率80%，此時，耦合線圈之間的距離即為本識別裝置的最大識別距離。 識別時功耗測量 測試方法：閱讀器接+15V外接電源，將閱讀器與應答器之間耦合線圈距離設(shè)置為5cm，閱讀器識別結(jié)果正確的情況下，測量外接單電源供電電壓U與供電電流I。多次測量取平均功耗作為識別裝置識別時功耗。 計算公式：識別裝置識別功耗P：P=UI,課題設(shè)計改進及擴展功能,應答器采用EEPROM 采用的功耗MCU。如選用Philips的P89LPC938作為應答器的控制核心，其自帶EEPROM，且功耗低 。 TI的MSP430 系列是超低功耗Flash 型MCU也很適合，但是指令系統(tǒng)和MCS-51有所區(qū)別。 閱讀器采用MCU控制 自定義通信協(xié)議 收發(fā)兩端都采用MCU，可以通過軟件編程設(shè)計通信協(xié)議，免去PT2262/2272。 考慮天線與放大器的阻抗匹配，增強效率。 考慮到讀寫器要向應答器提供足夠的能量，ASK調(diào)制時信號的占空比要盡可能大一些。,總結(jié)電子系統(tǒng)設(shè)計的步驟,調(diào)查研究 方案論證 單元設(shè)計 組裝調(diào)測 總結(jié)報告,總結(jié)電子系統(tǒng)設(shè)計常用工具,儀器 示波器 函數(shù)發(fā)生儀 數(shù)字萬用表 直流穩(wěn)壓電源 特殊場合：邏輯分析儀、頻譜分析儀、LC電橋 仿真器 編程器,總結(jié)電子系統(tǒng)設(shè)計常用工具,設(shè)計工具軟件 模、數(shù)電路仿真 Proteus、pSpice、EWB、Multisim 電路板設(shè)計工具 Protel、PowerPCB、ORCAD 單片機開發(fā)軟件 Keil C51、偉福等仿真器配套軟件、MCU廠商配套軟件 CPLD、FPGA開發(fā)軟件 QuartusII、MaxPlusII（ALTERA） ISE（XILINX）,總結(jié)電子系統(tǒng)設(shè)計常用工具,DSP開發(fā)軟件 CCS（TI）、VisualDSP（ADI） Matlab、Simulink、Systemview SoC設(shè)計軟件 Candence、Synopsys、Mentor、Synplicity等公司的開發(fā)套件,討 論,競賽中需要掌握的知識和技能有哪些？ 第一部分：硬件知識 第二部分：軟件知識 一、 匯編語言 二、 C語言,討 論,硬件知識 一、 數(shù)字信號 二、 模擬信號 三、 芯片及其封裝 四、 分立器件 五、 單片機最小系統(tǒng) 六、 串行接口芯片 七、 電源設(shè)計 八、 維護與調(diào)試,討 論,九、 設(shè)計思路 1、 電源：電壓和電流 2、 接口：串口、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出 3、 開關(guān)量信號輸出調(diào)理 4、 開關(guān)量信號輸入調(diào)理 5、 CPU處理能力的考慮 6、 成為產(chǎn)品的考慮,練習,用PT2262/2272完成一無線遙控LED燈，可以通過遙控器控制8個LED燈的亮滅。 開關(guān)電源設(shè)計與制作,電子系統(tǒng)中的電源,直流穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)中的一個必備部分，除了應用蓄電池以外，絕大多數(shù)的電子系統(tǒng)都使用直流穩(wěn)壓電源。小功率穩(wěn)壓電源一般由電網(wǎng)供電，再經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓三個主要環(huán)節(jié)，將電網(wǎng)交流電變換成電子系統(tǒng)所需的穩(wěn)定的低壓電流。,直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標,性能參數(shù) 穩(wěn)壓系數(shù) 輸出電阻 紋波抑制比 溫度系數(shù) 工作參數(shù) 輸出電壓及調(diào)節(jié)范圍Uomin Uomax 最大輸出電流Iomax 功耗P,常用整流濾波電路,常用整流電路 半波整流 全波整流 橋式整流 常用濾波電路 電容濾波 電感電容濾波 電阻電容濾波,線性集成穩(wěn)壓器及其應用,CW78XX三端式集成穩(wěn)壓器 最大輸出電流1A LM117/217/317系列集成穩(wěn)壓器 最大輸出電流1.5A，輸出電壓可調(diào) LM196/396大電流可調(diào)穩(wěn)壓器 輸出電壓1.2515V，電流10A，耗散功率100W LT/LM108x系列低壓差三端式線性穩(wěn)壓器 壓差1.5V可在滿負荷電流下工作，最大輸出電流7.5A,線性集成穩(wěn)壓器及其應用,LM2990/2991負電壓輸出線性穩(wěn)壓器 最大輸出電流1A，壓差0.6V TPS75XXX