电子设计竞赛章节座之无线通信系统.ppt

2019/6/27,电子设计竞赛培训讲座之 无线通信系统,福州大学通信工程系 许志猛,主要内容,电子设计竞赛无线通信类题目概述 2007年无线通信类课题解析 任务 要求 题目背景 题目分析 无线识别装置设计详解 方案论证与比较 总体设计 理论分析与计算 识别装置工作流程图 测试方法与测试数据 改进及扩展功能 电子系统设计步骤 电子系统设计常用工具 讨论,导 言,大学生电子设计竞赛 从前几届全国电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成5类： 电源类 信号源类 无线电类 仪器类 数据采集与控制类,从各个题目看，不是简单的电路设计，而是“系统设计”,历届无线电类题目,2007第八届 无线识别装置（B题） 设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。 2005第七届 单工无线呼叫系统（D题） 设计并制作一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。 2003第六届 电压控制LC 振荡器（A 题） 输出频率范围：15MHz35MHz,历届无线电类题目 (Cont.),2001第五届 F题 调频收音机 用SONY公司提供的FM/AM收音机集成芯片CXA1019和锁相频率合成调谐集成芯片BU2614，制作一台调频收音机。 1999第四届 D题 短波调频接收机 短波调频接收机，接收频率（f0）范围：8MHz10MHz。 1997第三届 D题 调幅广播收音机 利用所提供的元器件（附有资料）制作一个中波广播收音机。接收频率范围：540kHz1600kHz； 1995第二届 题目三 简易无线电遥控系统 设计并制作无线电遥控发射机和接收机。,2007年无线通信类课题解析,无线识别装置（B题） 任务,图1 无线识别装置方框图,设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成，其方框图参见图1。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。,无线识别装置（B题）,任务（Cont.） 装置中阅读器、应答器均具有无线传输功能，频率和调制方式自由选定。 不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。 装置中的耦合线圈为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。线圈直径为6.60.5 cm（可用直径6.6 cm左右的易拉罐作为骨架，绕好取下，用绝缘胶带固定即可）。线圈间的介质为空气。两个耦合线圈最接近部分的间距定义为D。 阅读器、应答器不得使用其他耦合方式。,无线识别装置（B题）,要求 基本要求 应答器采用两节1.5V干电池供电，阅读器用外接单电源供电。阅读器采用发光二极管显示识别结果，能在D尽可能大的情况下，识别应答器的有无。识别正确率80%，识别时间5秒，耦合线圈间距D5cm。 应答器增加编码预置功能，可以用开关预置四位二进制编码。阅读器能正确识别并显示应答器的预置编码。显示正确率80%，响应时间5秒，耦合线圈间距D5cm。,无线识别装置（B题）,要求（Cont.） 发挥部分 应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得（通过对耦合到的信号进行整流滤波得到能量），不允许使用电池及内部含有电池的集成电路。阅读器能正确读出并显示应答器上预置的四位二进制编码。显示正确率80%，响应时间5秒，耦合线圈间距D5cm。 阅读器采用单电源供电，在识别状态时，电源供给功率2W。在显示编码正确率80%、响应时间5秒的条件下，尽可能增加耦合线圈间距D。 应答器增加信息存储功能，其存储容量大于等于两个四位二进制数。装置断电后，应答器存储的信息不丢失。无线识别装置具有在阅读器端写入、读出应答器存储信息的功能。 其他。,题目背景,先从自动识别技术说起 目前，实际应用中的自动识别技术主要有： 条形码 IC卡 RFID 生物特征识别：指纹、人脸、虹膜 ,自动识别技术是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术，它是信息数据自动识读、自动采集到计算机的重要方法和手段。,无线射频识别技术（Radio Frequency Idenfication，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。,什么是RFID?,工作原理：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签） ，阅读器读取信息并解码后，送至应用系统进行有关数据处理。,应用系统主要完成数据信息的存储及管理，可以由简单的小型数据库担当，也可以是集成了RFID管理模块的大型ERP 数据库管理软件。,RFID的分类,最简单的RFID系统：由标签（Tag）、阅读器（Reader）及天线（Antenna）组成，实际应用时需与计算机及应用系统相结合。 RFID的基本类型(供电方式) Active Semi-Active Passive 电子标签存储类型 只读 可读写（容量从16bit到数百Kbit）,(transmitter and receiver combined),(receiver and re-transmitter combined),Reader,Tag,系统工作原理与条形码类似，只是用无线电代替了激光,标签类型:,工作频率: Low (125KHz), High (13.56MHz), UHF (915MHz), MW(2450MHz),耦合方式:,reader antenna,signal,signal,Inductive coupling,Backscatter coupling,RFID的分类,电感耦合,反射调制式,耦合方式,发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种： 电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，如上图所示。 电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律,耦合方式,电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和1356MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为1020cm。 电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，245GHz，58GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3-l0m。,RFID的工作频率,RFID系统的工作频率，主要有125KHz、13.56MHz、400MHz、860960MHz、2.45GHz、5.8GHz 等多个频段。但是，不同的国家和地区的对频率的分配和最大发射功率的规定是不同的。在某些地区，某些频段的RFID产品可能是被禁止使用的。 一般而言，工作频率在100MHz 以下的RFID系统是通过线圈之间的磁场耦合的方式工作，通常具有工作距离近，成本低，天线尺寸大，通讯速度低等特点，这类电子标签一般对人体没有影响；而400MHZ 以上的RFID系统是通过无线电波发射和反射的方式工作，通常具有工作距离远，天线尺寸小，通讯速度高等特点，这类电子标签一般会有发射功率限制，以避免对人体或环境造成伤害。,当前，国内主要应用的是无源、工作频率为13.56MHz 和UHF（860960MHz）的RFID。,RFID不同工作频段的区别,RFID为何可以无电源工作,基于无线功率传输技术 阅读器发射信号 标签由无线电信号提供能量(约1/1000) 电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。 每个电子标签都含有唯一的识别码，用来表示电子标签所附着的物体。当电子标签接收到阅读器的发射信号的时候，电子标签被“唤醒”，然后根据阅读器发射的指令完成相应的动作，并将响应信息发射回给阅读器。电子标签上的存储单元，可以反复读写10,000次以上。,Reader,Tag,RFID的特点,快速扫描 体积小型化、形状多样化 抗污染能力和耐久性 可重复使用 穿透性和无屏障阅读 数据的记忆容量大 安全性,标签与阅读器,电子标签(射频标签、应答器、数据载体)依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。 RFID阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)，通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。,题目分析,此为功能性题目。题目的初衷是要做一个无线读卡装置。（RFID） 此题最简单的方法是用一对现有的收发芯片，配上题目给出的天线。 此题基本要求部分是进行简单的数字通信，发挥部分主要是无线功率传输的问题。 解决的方法是，可在发送端不断地进行高频等幅波的发射，在接收端接收其高频能量，检波成直流分量并存储起来，可用电容作为存储元件。由于题目要求传输的信息量很小，可有较多时间进行高频能量的传输。 此题是功能性的，其结果可能有三种：一是不能传输信息也就是失败；二是只完成基本部分；三是可进行无源接收。,课题设计方案论证与比较,方案0 采用供能、通信相分离的方式来实现无线识别。 该方案的原理就是将供能和通信分开，用线圈的耦合作用实现应答器的无源供电；而通信则使用无线收发电路制作，比如应用10米波段的MC2833、MC3363收发电路或者315MHz、433MHz等频段的无线数据传输模块来制作。这样的设计，线圈主要完成能量的传输，比较容易实现，而信号的耦合则是通过其他无线通信途径来完成的，与题目中的“不依靠任何其他耦合方式”这一要求不符。,课题设计方案论证与比较（Cont.）,方案一 采用单片机与有源晶振振荡器组成无线识别系统。阅读器：用串口通信方式扫描应答信号，接受到应答信号后，判别其是否有效，若有效则显示应答器信息，并蜂鸣提示。应答器：当靠近阅读器时，通过线圈耦合获得工作能量，读取拨码开关状态，发送应答信号。,特点：采用单片机异步串口通信方式，具有较高的显示正确率。但对于本设计任务，考虑到耦合能量有限，不足以驱动单片机。,课题设计方案论证与比较（Cont.）,方案二 采用PT2262编码芯片，与PT2272解码芯片组成无线识别系统。应答器通过四位拨码开关进行卡号设置，PT2262对卡号进行编码并通过耦合线圈发射出去；阅读器通过耦合线圈接收信号并交给PT2272解码芯片译码输出应答器卡号，由发光二极管显示。,特点：系统组成简单，成本低，功耗小，且PT2262起始工作电压低非常适合能量供应有限的场合。,课题设计方案论证与比较,调制方式论证与比较 方案一 频移键控（FSK） 传输速率快，数据正确率高，但调制电路复杂，成本高，尤其功耗较高，而且解调电路较为复杂。本题目要求低功耗，且对通讯指标要求不是很苛刻，如传输数据正确率80%，响应时间 5S，故不宜选用该方案。 方案二 相移键控（PSK） 与FSK类似。 方案三 幅移键控（ASK） 调制电路简单，功耗较低，常用于简单的低速数据通信，解调电路也十分简单，满足本设计任务要求，综合考虑我们选用该方案。,课题设计总体设计,1阅读器部分（参考） 电能由振荡电路产生经后续多级放大电路放大，通过耦合线圈发送出去；阅读器通过耦合线圈接收应答器发送的信号，信号经检波电路检波后送给PT2272串口接收，PT2272对编码信号进行解调后输出识别结果。振荡电路与检波电路是交替工作的，周期由555产生，单工切换可由电子开发控制。（在此采用继电器，功耗较大，速度较慢）,阅读器设计,阅读器原理图,课题设计总体设计,2应答器部分（参考） 应答器通过耦合线圈谐振耦合获取能量，再经放大整流电路向储能电容充电获得系统工作所需电能；当电容电压经电压判断电路判断达到指定幅值时，应答器开始工作，SC2262读取拨码开关值，并通过串口发送编码信号，此时有源晶振产生载波信号，编码信号再经ASK调制，从耦合线圈辐射出去。,应答器设计,应答器原理图,课题设计总体设计,阅读器电路图,课题设计总体设计,应答器电路图,课题设计理论分析与计算,1耦合线圈匹配理论 采用线圈与可变电容组成并联谐振回路，测试得线圈电感为11uH,可变电容容量为525PF，谐振频率：可得谐振频率为：21MHZ到9MHZ之间。 对回路进行谐振频率测量得到谐振频率为11.4MHZ。 因而，阅读器采用11.0952MHZ有源晶振产生接近与谐振频率的能源载波频率。应答器采用11.0952MHZ有源晶振作为载波频率。,课题设计理论分析与计算,2.阅读器发射电路分析 主振电路采用有源晶振作为振荡器，频率稳定，电路简单，调试容易而且输出幅度大。有源晶振输出的方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经Q6及其外围电路组成的第一级放大电路后送至由Q9 及其外围电路组成的功率放大电路进行功率放大，最后输出至C45和L21组成的并联谐振回路辐射出去，为应答器提供能量。,课题设计理论分析与计算,3阅读器接收电路分析 从555来的控制信号经过74LS04反相后控制继电器的吸合，当继电器吸合时，C1与耦合线圈接通，Q1及其外围电路组成了以及电压放大电路，放大后的信号经二极管检波后送至LM311进行比较，还原波形。,课题设计识别装置工作流程图,阅读器,应答器,课题设计测试方法与测试数据,1耦合线圈电感量大小与谐振频率 测试方法：直接用LC 电桥测耦合线圈电感量，用射频信号发生器与示波器测试耦合线圈并联一电容后的谐振频率。,课题设计测试方法与测试数据,2整机调试与测试 识别正确率与识别时间测试 测试方法：阅读器接+15V外接电源，将阅读器与应答器之间耦合线圈距离设置为5cm，拨动拨码开关改变应答器编码，观察阅读器显示输出的识别结果。重复5次，计算正确率。用秒表测出响应时间S。 识别距离测试 测试方法：阅读器接+15V外接电源，将阅读器与应答器之间耦合线圈起始距离设置为5cm，每次增加识别距离1cm，观察阅读器识别正确率，直到识别正确率80%，此时，耦合线圈之间的距离即为本识别装置的最大识别距离。 识别时功耗测量 测试方法：阅读器接+15V外接电源，将阅读器与应答器之间耦合线圈距离设置为5cm，阅读器识别结果正确的情况下，测量外接单电源供电电压U与供电电流I。多次测量取平均功耗作为识别装置识别时功耗。 计算公式：识别装置识别功耗P：P=UI,课题设计改进及扩展功能,应答器采用EEPROM 采用的功耗MCU。如选用Philips的P89LPC938作为应答器的控制核心，其自带EEPROM，且功耗低 。 TI的MSP430 系列是超低功耗Flash 型MCU也很适合，但是指令系统和MCS-51有所区别。 阅读器采用MCU控制 自定义通信协议 收发两端都采用MCU，可以通过软件编程设计通信协议，免去PT2262/2272。 考虑天线与放大器的阻抗匹配，增强效率。 考虑到读写器要向应答器提供足够的能量，ASK调制时信号的占空比要尽可能大一些。,总结电子系统设计的步骤,调查研究 方案论证 单元设计 组装调测 总结报告,总结电子系统设计常用工具,仪器 示波器 函数发生仪 数字万用表 直流稳压电源 特殊场合：逻辑分析仪、频谱分析仪、LC电桥 仿真器 编程器,总结电子系统设计常用工具,设计工具软件 模、数电路仿真 Proteus、pSpice、EWB、Multisim 电路板设计工具 Protel、PowerPCB、ORCAD 单片机开发软件 Keil C51、伟福等仿真器配套软件、MCU厂商配套软件 CPLD、FPGA开发软件 QuartusII、MaxPlusII（ALTERA） ISE（XILINX）,总结电子系统设计常用工具,DSP开发软件 CCS（TI）、VisualDSP（ADI） Matlab、Simulink、Systemview SoC设计软件 Candence、Synopsys、Mentor、Synplicity等公司的开发套件,讨 论,竞赛中需要掌握的知识和技能有哪些？ 第一部分：硬件知识 第二部分：软件知识 一、 汇编语言 二、 C语言,讨 论,硬件知识 一、 数字信号 二、 模拟信号 三、 芯片及其封装 四、 分立器件 五、 单片机最小系统 六、 串行接口芯片 七、 电源设计 八、 维护与调试,讨 论,九、 设计思路 1、 电源：电压和电流 2、 接口：串口、开关量输入、开关量输出 3、 开关量信号输出调理 4、 开关量信号输入调理 5、 CPU处理能力的考虑 6、 成为产品的考虑,练习,用PT2262/2272完成一无线遥控LED灯，可以通过遥控器控制8个LED灯的亮灭。 开关电源设计与制作,电子系统中的电源,直流稳压电源是电子系统中的一个必备部分，除了应用蓄电池以外，绝大多数的电子系统都使用直流稳压电源。小功率稳压电源一般由电网供电，再经过整流、滤波、稳压三个主要环节，将电网交流电变换成电子系统所需的稳定的低压电流。,直流稳压电源的主要技术指标,性能参数 稳压系数 输出电阻 纹波抑制比 温度系数 工作参数 输出电压及调节范围Uomin Uomax 最大输出电流Iomax 功耗P,常用整流滤波电路,常用整流电路 半波整流 全波整流 桥式整流 常用滤波电路 电容滤波 电感电容滤波 电阻电容滤波,线性集成稳压器及其应用,CW78XX三端式集成稳压器 最大输出电流1A LM117/217/317系列集成稳压器 最大输出电流1.5A，输出电压可调 LM196/396大电流可调稳压器 输出电压1.2515V，电流10A，耗散功率100W LT/LM108x系列低压差三端式线性稳压器 压差1.5V可在满负荷电流下工作，最大输出电流7.5A,线性集成稳压器及其应用,LM2990/2991负电压输出线性稳压器 最大输出电流1A，压差0.6V TPS75XXX