电子设计竞赛讲座之无线通信系统.ppt

2019/5/26,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 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,2009第九届 无线环境监测模拟装置（D题） 设计并制作一个无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测。该装置由1个监测终端和不多于255个探测节点组成（实际制作2个）。监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能，收发共用一个天线。 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。,2009年 赛题解析,探测节点有编号预置功能； 温度测量范围为0100，绝对误差小于2 ； 光照信息仅要求测量光的有无； 探测节点采用两节1.5V干电池串联，单电源供电； 探测时延不大于5s，距离D不小于10cm。 探测节点增加信息的转发功能； 监测终端电源供给功率1W，使探测距离D+D1达到50cm； 降低各探测节点的功耗，以延长干电池的供电时间。,要点分析,1对多通信，需要设计数据帧格式； 转发功能，需要设计传输协议； 低功耗设计，电池供电，设计芯片的选择和电源的设计； 不能采用现成收发模块，需要设计无线收发电路。,设计方案讨论,温度和光照测量 光照：开关信号，可用光敏二/三极管（ST-1KL3B），光敏电阻（电阻分压或加比较器或三极管构成开关信号）或专用开关传感器On9668 温度：精度不高，为了实现低功耗和简化电路，采用DS18B20数字温度传感器，省去ADC等电路，直接用单片机可以读取数字温度，精度和测量范围满足题目要求。 温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625,设计方案讨论,电源 监测终端使用外接单电源供电，可以直接采用实验室电源，电源电压也没有具体限制。 在电压输入端，可以采用稳压芯片。具体型号可用LM317，LM196等 探测节点使用两节1.5V干电池串联，单电源供电。 由于现有的大部分元器件工作电压都是3.3V和5V，电压上会涉及升压的操作。 可采用专用DC-DC升压芯片，如MC33063，MAX1771，MAX1674，uc3843等。 由于没有限制，可采用专用的DC-DC逆变模块，如A0505S,设计方案讨论,控制器 不计功耗，可采用51系列单片机，开发环境比较熟悉 对功耗要求较高，可采用TI的MSP430系列 其余可选ATMEL的ATmega16系列 PIC系列 显示部件 显示内容不多，可采用LCD1602字符液晶，编程比采用LED数码管要方便,设计方案讨论,无线收发电路 采用OOK方案比较简单，也可采用FSK方案 收发直接的切换可采用继电器，默认都处于接收状态,发射部分电路,设计方案讨论,无线收发电路,接收电路,三极管选频放大,有效值检测,比较输出整形,设计方案讨论,无线收发电路2,并行增加驱动,LM393比较器,Op4340运放多级放大,二极管检波,设计方案讨论,无线收发电路3,设计方案讨论,数据帧结构 低层传输采用串口，可以利用控制器的UART接口，并容易进行编程实现 在此基础上，根据题目要求，设计如下帧结构,设计方案讨论,数据传输协议 路由协议分析 设计目标要求系统具有中继功能。考虑到实现复杂度的限制，拟采用洪泛（Flooding）机制。Flooding是一种简单的数据转发机制，它不需要专门的控制分组，即可以完成多跳路由功能。基本原理是节点收到数据后，如果目的节点不是自己且该分组的生存时间（TTL）不为，则转发出去。 MAC协议分析 设计目标是避免节点之间的冲突。本题中，主要采用随机退避和多次重传的方法，同时，为简化设计，不采用握手机制。有两个关键点： 1）同步； 2）随机退避。,设计方案讨论,数据传输协议 MAC协议分析（Cont.） 同步 数据帧都具有相同长度，可以把时间分成时隙，每个时隙是无误发送一帧的时间，记作t0。监测终端周期地发送信标分组，所有节点在接入信道时总是先处于接收状态，在收到信标后与之同步，并在下一个时隙转发信标。所有节点只在时隙起始点发送。,设计方案讨论,数据传输协议 MAC协议分析（Cont.） 随机退避 探测节点随机选择k个时隙，在每个时隙发送一次原始数据的副本。只要其中有1个分组被正确接收，则发送成功。实际上，成功率与发送次数、参与信道竞争的节点数和允许的最大时延等因素都有关。,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。,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。 此题的结果可能有三种：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经多级放大电路放大，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关控制。（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，PT2262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，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。 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。,课题设计测试方法与测试数据（Cont.）,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,应答器采用低功耗MCU 采用低功耗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。,设计实例2单工无线呼叫系统,本题要求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。发射频率要求在30MHz40MHz之间，发送功率不大于20mW，需要在主站与从站间进行间距不小于5米的单工通信。在本系统中，需要编码方式具有一定检纠错能力，而又兼顾到效率。在通信量不大，信道较简单的系统中选择奇偶校验和多发的措施可以大大提高通信的可靠性。,设计实例2方案论证,总体方案设计 采用全模拟信号传输 需要把短信变成模拟，在接收端再变回数字，电路较复杂且容易出错 采用全数字信号传输 需要把语音的模拟信号经过D/A转换之后，再把数字信号经过ASK、FSK或PSK的方式调制到30MHz40MHz的载波上，硬件电路较为复杂 语音信号采用模拟传输，短信息采用数字传输 采用不同频率来传输两种信号； 主站在发送数字信号或模拟信号之前先发送不同的编码，接收端的从机通过判断编码来决定是接收语音信号，还是接收短信息。,不仅不用A/D、D/A转换，更为重要的是用软件的方法实现了硬件的功能，极大地简化了硬件结构的设计,硬件单元设计与论证,微处理器选择 选用单片机，在性能满足要求的情况下，选择自己最熟悉的类型 按键类型选择 按键分为独立式按键和矩阵式的键盘。 独立按键硬件连接简单，软件编程也容易，但是占用微处理器的I/O口多。矩阵式键盘相对来说虽占用I/O少，可输入的状态多，但是需要在软件设计中以相应的键盘扫描程序来支持。根所系统设计要求，只需进行简单的控制与英文字符输入，只要把英文字符的输入用上选、下选两个键就能快速地进行确定。因此，本设计选择简单的独立式按键。,小建议：再次也可选择外接键盘，但是考虑竞赛时间短，电路制作简陋，因此建议设计时能用软件实现最好用软件实现，如此处的键盘，使用少量的独立按键必然增加软件编程工作量，但是较好地保证了可靠性,系统工作原理及框图,通信概述 采用一对多半双工通信系统模型 通信协议 必须设计有地址码、功能码，这些特殊字符还要与ASCII码区分开 传输采用RS-232异步串行协议 调制方式 AM方式频带利用率高，但可靠性差；FM方式虽然频带利用率不高，但可靠性好，信噪比大；FSK，ASK，PSK，QPSK中，ASK抗噪性能差，PSK频带利用率不如QPSK高，FSK频带利用率大，但抗噪性能好。 综合考虑，模拟信号采用FM，数字采用FSK。,发射机方案,采用变容二极管和晶体管构成的石英晶体振荡器，使其振荡频率在30MHz-40MHz之间，调频后进行发射 采用专用的调频发射芯片，如BA1404等，借助于外围的LC振荡回路来改变载波频率，从而实现调频 采用MC145151锁相环集成电路，配合单管型压控振荡器实现 采用AD9851构成的DDS，实现软件调频,接收机方案,采用MC3362/MC3363等窄带调频接收专用芯片，该系列芯片接收信号的频偏典型值为3KHz，鉴频器的灵敏度较高，但解调后音质不如调频广播的音质好 采用常规的调频广播收音机接收芯片（如CXA1691），调整本振频率，使得接收频率范围落在30MHz-40MHz之间。调频广播的典型频偏为75KHz，音质动态范围好 从性能和实现成本上考