（光学工程专业论文）基于nrf401的井下人员定位系统.pdf

哈尔滨下程大学硕十学位论文 摘要 为适应煤矿安全生产的要求，结合煤矿生产实际，开发了一种井下人员 射频识别定位管理系统、该系统具有性能稳定，人员识别率高，误码率小， 使用方便，成本低等优点，对于煤矿安全生产，具有很大的现实意义。 本文首先介绍了射频识别的概念，简述了射频识别的发展历程和工作原 理。结合我国井下人员工作现状阐述了井下人员定位系统对于现实煤矿生产 的重要意义及开发井下人员定位系统的紧迫性。说明了本人所从事的主要研 究工作：井下人员定位系统硬件电路设计( 包括井下人员应答器、井下射频识 别阅读基站、远程数据传输光接口) ，通信协议制定及相关底层单片机程序的 编写：数据库的设计，查询方式的编写；在井下人员应答器与井下射频识别阅 读基站间的数据交换确认机制方面提出了自己的创新思路并在实际工作中实 现了自己的设计方案。 接着，本文概述了井下人员定位系统的工作框图，分析了该硬件系统的 主要功能，并且讨论比较了各种数据校验方法、射频调制方式、数据的确认 重发机制、射频识别常用芯片及数据的远程传输等问题，最后得出了系统的 选型结论。 第三，本文从硬件电路设计的角度详细分析了井下人员应答器、井下射 频识别阅读基站、远程数据传输接口三个独立电路的硬件电路设计原理及实 现，并将电路中所用关键芯片n r f 4 0 1 ，进行了详细介绍。 第四，本文详细介绍了井下人员定位系统的整体通信协议，并结合实际 系统详细分析了井下人员应答器、井下射频识别阅读基站、及远程数据传输 接口中的三个独立单片机软件程序设计原理及实现框图。 最后，就自己所从事的井下人员定位系统的前景及工作中的不足进行了 总结，提出了自己的一些意见和建议。 关键词：射频识别；井下人员定位；n r f 4 0 1 ；单片机 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t f o ra d a p t i n gr e q u e s to fs a f ep r o d u c t i o no fc o a lm i n e ，w ed e s i g nak i n do f m i n ep e r s o n n e lo r i e n t a t i o ns y s t e mb a s e dr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n t h e s y s t e mh a st h ef u n c t i o ns t a b i l i t y ，t h ep e r s o n n e li d e n t i f i e sa r a t eh i g h ，t h em i s t a k e c o d er a t ei ss m a l l ，t h eu s a g ec o n v e n i e n c e ，t h ec o s ti sl o we t c a d v a n t a g e ，a n dh a s v e r yb i gr e a l i s t i cm e a n i n g t h i st e x tf i r s ti n t r o d u c e sar a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o no fc o n c e p t ，b r i e f l y s a y sar a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o no ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h ew o r k p r i n c i p l e t h e nc o m b i n i n gt h ec o n d i t i o no f o u rc o u n t r ym i n ew o r kp r e s e n t l y ，w e e x p a t i a t et h ei m p o r t a n tm e a n i n go fm i n ep e r s o n n e lr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n o r i e n t a t i o ns y s t e ma n dt h eu r g e n c yt od e s i g ni ta n dw ei n t r o d u c et h em a i n r e s e a r c hw o r ko fm y s e l f ： m i n e p e r s o n n e ld a t at oe x c h a n g et h es y s t e mh a r d w a r e e l e c t r i cc i r c u i ts y s t e md e s i g n ( i n c l u d er a d i of r e q u e n c yc a r d ，r a d i of r e q u e n c yt o i d e n t i f yr e a d i n g b a s e t h e l o n g d i s t a n c ed a t at r a n s f e r s i n t e r f a c e ) ，t h e c o r r e s p o n d e n c ea g r e e m e n t e s t a b l i s h m e n ta n dr e l a t e d s i n g l e c h i pp r o c e d u r e c o m p i l a t i o n d a t a b a s ed e s i g n ，i n q u i r yw a yc o m p i l a t i o n ，t h er a d i of r e q u e n c yc a r d a n dt h em i n er e a d i n gb a s eo fd a t ae x c h a n g eo fc o n f i r mm e c h a n i s m ，w ep u t f o r w a r do w ni n n o v a t i o na n dc a r r yo u tm yd e s i g ni na c t u a lw o r k s e c o n d l y ，w ei n t r o d u c et h ew o r kb l o c kd i a g r a mo ft h e m i n ep e r s o n n e l o r i e n t a t i o ns y s t e m ，a n a l y z et h em a i nf u n c t i o no ft h es y s t e m ，a n dd i s c u s s c o m p a r i n gv a r i o u sd a t ac h e c k o u tm e c h a n i s m ，m o d u l a t em a n n e r ，d a t ar e s e n d m e c h a n i s m ，t h ei nc o m m o nu s ec h i pa n dt h el o n gd i s t a n c eo ft h ed a t at od e l i v e r e t cp r o b l e m ，w eg e ts y s t e mt oc h o o s eac o n c l u s i o na tl a s t t h i r d l y ，w ea n a l y z et h e r a d i of r e q u e n c yc a r d ，m i n ep e r s o n n e lt h er a d i o f r e q u e n c yr e a d i n gb a s ea n dd a t at r a n s f e r si n t e r f a c ef r o mt h eh a r d w a r ed e s i g ni n d e t a i l ，a n dc a r r yo ni n t r o d u c t i o nt h ek e yc h i pn r f 4 01i nt h ee l e c t r i cc i r c u i t f o u r t h l y ，w ei n t r o d u c et h ec o r r e s p o n d e n c ea g r e e m e n to fm i n ep e r s o n n e l o r i e n t a t i o ns y s t e m ，a n a l y z et h ed e s i g np r i n c i p l ea n db l o c kd i a g r a mo fr a d i o f r e q u e n c yc a r d ，m i n ep e r s o n n e lr a d i of r e q u e n c yb a s e r a d i of r e q u e n c yc e l l ，a n dt h e 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 i l o n gd i s t a n c ed a t at r a n s f e r si n t e r f a c ee t c3i n d e p e n d e n c es o f t w a r ep r o c e d u r e s a tl a s t ，w es u mu pt h ew o r kf o r e g r o u n da n dt h es h o r t a g ei nt h ew o r ka n dp u t f o r w a r dm yi m p r o v e m e n to p i n i o n k e yw o r d s ：r f i d ；m i n ep e r s o n n e l r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o no r i e n t a t i o n s y s t e m ；n r f 4 01 ；s i n g l e c h i p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本论文的研究做出重要贡 献的个人和集体均己在文中以明确方式标明6 本人完全意 识到本声明的法律后果由本人承担。 作者( 签字) ： 垫盘垒 e l期：枷哪年月日 哈尔滨l ：程大学硕十学位论文 1 1 射频识别的概念 第1 章绪论 射频识别技术简称r f i d ，是英文r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的缩写， 中文称为无线射频身份识别“。r f i d 技术是一种无接触自动识别技术，它的 基本原理是利用射频信号及其空间藕合、传输特性，实现对静止或移动的待 识别物品的自动机器识别。与传统的识别方式相比，r f i d 技术无需直接接触、 无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷。 同条形码相比，射频识别标签具有防水、防磁、读取距离大、标签数据可加 密、存储数据容量大、便于改写等优点，而且射频识别标签又克服了接触式 i c 卡使用一段时间后容易发生触点接触不良的缺点，因此被认为将是条形码 标签和接触式i c 卡的未来替代品“。 1 2 射频识别技术的发展 射频识别直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的新技 术r f i d 技术。最初，射频识别技术主要是用于军事上敌我双方的飞机识别， 到了7 0 年代，美国政府透过l o sa l a m o s 科学实验室将r f i d 技术转移到民 间用于畜牧业，到了8 0 年代，美国与欧洲的几家公司开始着手生产r f i d 卷标”，今天，r f i d 技术已经被广泛应用于各个领域。 我国政府在1 9 9 3 年制定的金卡工程实施计划”，是一个旨在加速推动我 国国民经济信息化进程的重大国家级工程，由此各种自动识别技术的发展及 应用十分迅猛。现在，射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，在中国 得到了广泛的应用，如身份识别、防伪应用、公共交通管理应用、物流管理、 门禁控制等。 随着全球r f i d 产品大规模应用的开始，制定r f i d 统一标准己经得到 业界的广泛认同，但直到现在为止，由于现行各种标准分别代表不同国家和 集团的利益，因此没能形成全球统一的标准。在所有的标准中，e p c g l o b a i ( 电 子产品代码环球协会) l h 于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 i l li i e p c g l o b a l 是由u c c 和e a n 联合发起的非盈利性机构，全球最大的零 售商沃尔玛连锁集团、英国t e s c o 等1 0 0 多家美国和欧洲的流通企业都是e p c 的成员，同时由美国i b m 公司、微软、a u t o i d l a b 等进行技术研究支持。 此组织除发布工业标准外，还负责e p c g i o b a l 号码注册管理。e p c g l o b a l 系 统是一种基于e a n u c c 编码的系统。作为产品与服务流通过程信息的代码 化表示，e a n u c c 编码具有一整套涵盖了贸易流通过程各种有形或无形的 产品所需的全球唯一的标识代码，包括贸易项目、物流单元、位置、资产、 服务关系等标识代码。e a n u c c 标识代码随着产品或服务的产生在流通源 头建立，并伴随着该产品或服务的流动贯穿全过程。e a n u c c 标识代码是 固定结构、无含义、全球唯一的全数字型代码。在e p c 标签信息规范1 1 中 采用6 4 9 6 位的电子产品编码：在e p c 标签2 0 规范中采用9 6 2 5 6 位的电子 产品编码。现在国内的射频识别标准就是结合中国实际的改进型e p c g l o b a l 标准1 。 1 3 射频识别技术的系统构成 射频识另t j ( r f i d ) 系统总类繁多，但无论何种形式的射频识别系统，都 应该至少包含电子标签和阅读器两部分旧。 1 3 1 电子标签 电子标签是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下，电子标签由标 签天线和标签专用芯片组成( 最新提出的无芯片射频标签以及声表面s a w 标 签未来可能会有较大的发展，目前还处在产品萌芽初期) 。依据电子标签供电 方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签( a c t i v et a g ) 和无源电子标签 ( p a s s i v et a g ) 。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池。对于 有源电子标签来说，根据标签内装电池供电情况不同又可细分为有源电子标 签和半无源电子标签。 有源电子标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池也为电子 标签提供与阅读器通讯所需的射频能量。 半无源射频标签内的电池供电仅对标签内要求供电维持数据的电路或者 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 标签芯片工作所需电压的辅助支持。标签未进入工作状态前，一直处于休眠 状态，相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很少，因而电池可维持几年， 甚至长达l o 年有效：当标签进入阅读器的读出区域时，受到阅读器发出的射 频信号激励，进人工作状态时，标签与阅读器之间信息交换的能量支持以阅 读器供应的射频能量为主( 反射调制方式) ，标签内部电池的作用主要在于弥 补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量并不转换为射频能量。 无源电子标签没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无 源状态，在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中 提取其工作所需的电源。无源电子标签一般均采用反射调制方式完成电子标 签信息向阅读器的传送。其系统模型如图1 1 所示。 1 3 2 阅读器 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。此外，许多阅读器还有附加的接1 3 ( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 、以太网接口等) ， 以便将所获得的数据传向应用系统或从应用系统接收命令。 完善的射频识别技术标准也包括阅读器与应用程序之间的标准接口规 定。 1 3 3 射频识别的工作原理 微波天线 图1 i 射频识别系统基本模型 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 射频识别系统的基本模型如图l 所示。其中，电子标签又称为射频发射 器、应答器、数据载体；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) 。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。即当电子标签进入阅读器的有效范围内时，接收到 阅读器的触发信号，触发电子标签的内部数据发射电路工作，通过既定的协 议，向阅读器传送数据，从而达到数据交换的目的。 1 4 本课题的背景及意义 煤矿井下开采作业是危险系数较高的一项工作，但e l 前在我国多数煤矿， 并上对井下人员的监控却很不完善，对井下人员的情况也不能及时反映。在 事故发生时，不能及时准确的得到井下人员的信息，从而无法做出正确的决 策，以致造成抢险不及时，贻误了对生命的抢救。在平时的工作中，一般也 只能通过矿灯的使用情况，来推知井下的人员情况，无法即时知道人员的确 切位置。因此，建立一套人员自动定位系统，来对人员进行跟踪定位是很有 必要的。 煤矿井下人员自动定位系统是依靠调度室内主机的信息集中处理功能来 反映井下工作人员的活动区域或工作位置。该系统可为指挥调度生产做出优 化决策，并使生产指挥快捷、准确，提高了生产效率。若发生事故，可通过 主机查出井下各区域特别是受灾区域人员的数量和身份，以便做出正确面快 速的营救方案，争取宝贵的救援时间，使事故的影响和损失降到最低程度。 1 5 国内外井下人员定位系统的现状 我国的井下人员定位系统起步较晚，基本是本世纪才开始引入，但由于 其在安全生产和煤矿日常管理中优势明显，市场巨大，因此发展迅速，已经 经历了3 个阶段”“。 第一阶段：主要是从国外引进现成井下人员定位产品，但由于其价格昂 贵，维护费用高，只在山西少数几个大型煤矿试用，基本没有推广。 第二阶段：我国自主开发的第一代井下人员定位系统。我国自主开发的 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第一代井下人员定位系统主要以无源射频识别技术为主，给每个井下工人配 发一张无源卡，每次经过井下基站时需工人自己拿到井下阅读基站上进行识 别，或在井下巷道中做一个大型无线感应线圈，让井下人员从中钻过去，实 现井下数据交换。这种方式的优点是系统开发简单，成本低。但系统使用不 方便，且在人员进出矿井的高峰期容易造成堵塞，因此也只在少数煤矿试运 行后即被淘汰。 第三阶段：我国自主研发的新型有源井下人员定位系统。随着我国射频 识别技术的日趋发展，我们在射频识别系统的应用领域己逐步跟上了国际水 平，因此我国自主开发的新型有源井下人员定位系统也已经达到国际水平。 我国现在研发的新型人员定位系统主要以有源应答器为基础，它既可加大井 下人员阅读基站数据交换的有效范围( 1 0 2 0 米) ，又可提高应答器的使用的方 便性，解决多入同时经过井下同一射频阅读基站的人员堵塞和数据冲突问题， 大大提高了系统的可靠性和实用性。总体示意图如图1 2 所示。 圜v - - 一瓢菇监控显示板，、菇篮撕菇 一，一，1 嚣监测菇、。 绛秘 入口监测点 叫 ： 射频定位 3 薛监测站 2 嚣监测站 捧姆 图1 2 井下人员定位系统总体示意图 我们开发的基于i 心4 0 l 的井下人员定位系统就是结合现代先进的射频 识别技术而成的第三代井下人员定位系统，系统的可靠性，灵活性，稳定性 及射频数据冲突处理、人员定位数据处理等方面都达到了设计的要求。 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 2 1 系统框图 第2 章系统总体功能介绍 井下人员定位系统由上位机的数据库管理软件及井下射频识别硬件系统 两部分构成。数据库管理软件主要负责对接收到的原始人员数据的存储、分 析及生成各种报表，井下射频识别硬件系统主要负责井下人员的i d 数据采集、 存储、传送等功能。 凿凿崮。 n 4 0 9 6 图2 1 系统结构框图 首先在井下的各个坑道和所有人员可能经过的通道中安放若干个信号收 发器，具体数量和位置根据现场实际情况和要求实现的功能而定，并且将它 们通过网络布线和地面控制中心的计算机联网。同时在每个下井人员佩带一 个信号发射器，当下井人员进入并下以后，只要通过或接近放置在坑道内的 任何一个信号收发器，信号收发器即会马上感应到信号同时立即上传到控制 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 中心的计算机上，计算机马上就可判断出井下人员具体信息( 如是谁，在哪个 位置，具体时间) 。在该系统中，由于本人主要从事井下射频识别硬件系统的 设计编程和对人员信息查询，因此下面将就这部分内容进行重点介绍。 2 2 井下人员定位硬件采集系统 井下人员定位硬件采集系统主要需要完成两方面的工作，第一，无差错 的采集井下人员随身携带应答器中存储的信息；第二，将井下基站采集到的 井下人员信息按时间先后顺序传送到井口人员数据库管理系统中，并且能实 现井口上位机对于井下基站数据收发状态的控制。为了实现第一个功能，我 们就必须设计一个射频收发电路，来完成数据的无线交换。由于我们每次需 要传送数据的数据量都很小，所以在设计时必须考虑选择与之适应的数据传 送调制方式和数据校验方式。 2 2 1 数据的调制方式 在射频识别中，现行的数据调制方式有以下三种”。：振幅键控( a s k ) ， 频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。 所谓振幅键控，就是将二进制符号o ，1 组成的序列与一个正弦型载波 相乘，即 ( ) = 【a g ( t n t 。) c o s c o c t ( 2 1 ) 这里，g ( t ) 是持续时间为t s 的矩形脉冲，而吒的取值服从下面关系： f0概率为p a n = 11概率为1 一p ( 2 乏 现令： s ( t ) = a ng ( t n t s ) ( 2 3 ) 则： e o ( t ) = s ( t ) c o s c o d ( 2 4 ) 通常，二进制振幅键控信号的产生方式与模拟a m 调制方式一致，而解 调方式也与a m 解调方法一样，只是在解调系统的最后增加一个抽样判决器， 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这对于提高数字信号的接收性能是十分必要的。二迸制振幅键控方式是数字 调制中出现最早的，也是最简单的。但由于其抗干扰能力较差，在相同的 误码率条件下，信噪比比二进制移频键控大3 d b ，比二进制移相键控大6 d b ， 因此我们一般都不采用它。 所谓二进制移频键控，就是指对于信源发出的0 ，1 序列，使0 符号对 应于载频1 ，而1 符号对应于载频0 2 而得到的已调波形，而且1 与2 之 间的变化是瞬间完成的。根据上面的定义，我们很容易得到f s k 信号的数学 表达式： e o ( t ) - 酏一绣) 0 0 s q h 绲) 十酏一峨) 0 0 s ( 呼+ 岛) ( 2 5 ) 一般而言，键控法得到的吮，只是与序列n 无关的。二进制移频键控的 解调方法一般都采用相干解调法。 所谓二进制移相键控，就是受键控的载波相位按基带脉冲丽改变的一种 数字调制方式。二进制移相键控的信号数学表达形式如下： e o ( t ) = ag ( t - n t , ) 】c o scaj(2-6) 这种以载波的不同相位直接去表示响应数字信息的相位键控，通常被称 为绝对移相键控。我们可以看到，若采用绝对移楣键控，由于发端是以某一 个相位作为基础的，因而在接收系统中也必须有这样一个固定的基准相位作 参考。如果这个基准相位发生变化( 0 相位变成究相位或7 1 ：相位变0 相位) ，则 恢复的数字信息就会发生0 变为1 或l 变为0 而造成的错误恢复。考虑到实 际通信时参考基准相位的随机跳变是可能的，而且在通信过程中不易被发觉， 这样在接收端就会发生错误的恢复。这种现象，常称为二进制移相键控方式 的倒7 【现象。为此，实际中一般不采用二进制移相键控方式，而是采用种 所谓的相对移相键控。相对移相键控方式即利用前后相邻码元的相对载波相 位值去表示数字信号信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移值x o 表示( m 定义为本码元初相与前一码元初相之差) 。 并设 m = 耳数字信息 “l ” x 中= 0数字信息“0 ” 虽然，绝对移相键控和相对移相键控的调制信号从波形上看不出差别， 8 哈尔滨t 稗人学硕士学位论文 但在解调时，相对移相键控信号并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只 要前后码元的相对相位关系不被破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数 字信息，避免了决定移相键控方式中的倒7 【现象的发生。移相键控方式在相 同的误码率情况下信噪比性能最好，但其调制和解调电路相对复杂，不适用 于简单的小系统。 对于本系统，综合考虑频带利用率、误比特率、信噪比以及硬件实现复 杂性等因素。我们认为f s k 电路相对简单，信噪比性能适中，因此我们最终 选用移频键控方式对射频数字信号进行调制解调。 2 2 2 数据的校验 由于系统对于数据传输的准确性要求非常高，为避免数据受到外界干扰 引起的数据误传，所以我们在串行数据的无线传输中又考虑到加入一种数据 校验的方法，以保证数据的准确性。在少量无线数据的通信中，数据的校验 方式常用的有两种，奇偶校验和c r c 校验“。 所谓奇偶校验是一种最简单的检错码，分为横向奇偶校验、纵向奇偶校 验。通常人们都采用纵向奇偶校验，它以字符为单位进行分组，又分为奇数 校验和偶数校验两种方式，对于每一个字节，它只需要1 比特的校验码元， 因此数据冗余量小，运算简单。但这种方式只能检测出传输中任意奇数个或 偶数个错误( 由选择奇校验或偶校验方式来决定) ，而不能检查出哪一位有错。 典型的例子是面向a s c i i 码的数据信号帧的传输，由于a s c i i 码是七位码， 因此用第八个位码作为奇偶校验位。该方法的优点是简单，但是数据检错能 力较差。 c r c 循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 的基本原理是发送器和阅 读器约定选择同一个由n + 1 个位组成的二进制位列p 作为校验列，发送器在 数据帧的k 个位信号后添加n 个位( n k ) 组成的f c s 帧检验y u ( f r a m ec h e c k s e q u e n c e ) ，以保证新组成的全部信号列值可以被预定的校验二进制位列p 的 值对二取模整除；阅读器检验所接收到数据信号列值( 含有数据信号帧和f c s 帧检验列) 是否能被校验列p 对二取模整除，如果不能，则存在传输错误位。 p 被称为c r c 循环冗余校验列，正确选择p 可以提高c r c 冗余校验的能力。 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 ( 注：对二取模的四则运算指参与运算的两个二进制数各位之间凡涉及加减运 算时均进行x o r 异或运算，即：1 x o r i = 0 ，0 x o r 0 = 0 ，1 x o r 0 = i ) 。可以 证明，只要数据帧信号列m 和校验列p 是确定的，则可以唯一确定f c s 帧 检验列( 也称为c r c 冗余检验值) 的各个位。f c s 帧检验列可由下列方法求得： 在m 后添加n 个零后对二取模整除以p 所得的余数。例如：如要传输的m = 7 位列为1 0 111 0 1 ，选定的p 校验二进制位列为1 0 1 0 1 ( 共有n + l = 5 位) ，对应的 f c s 帧校验列即为用1 0 111 0 10 0 0 0 ( 共有m + n = 7 + 4 = l1 位) 对二取模整除以 0 1 0 1 后的余数0 1 11 ( 共有n = 4 位) 。因此，发送方应发送的全部数据列为 1 0 1l1 0 1 0 11 l 。接收方将收到的1 1 位数据对二取模整除以p 校验二进制位列 1 0 1 0 1 ，如余数非0 ，则认为有传输错误位。对于c r c 循环冗余校验标准多 项式p ( x ) ，为了表示方便，实用时发送器和阅读器共同约定选择的校验二进 制位列p 常被表示为具有二进制系数( 1 或0 ) 的c r c 标准校验多项p ( x ) 。c r c 循环冗余校验常用的标准多项式p ( x ) o 1 下： c r c ( 1 6 位) = x 1 6 + x 1 5 + x 2 + l( 2 - 7 ) c r c ( c c i t t ) = x 16 + x l2 + x 5 + 1 ( 2 8 ) c r c ( 3 2 位) = x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 1 6 + x l2 + x 1 l + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 ( 2 9 ) 以c r c ( 1 6 位) 多项式为例，其对应校验二进制位列为11 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0 1 0 1 。注意，这儿列出的标准校验多项式p ( ) ( ) 都含有( x + 1 ) 的多项式因子； 各多项式的系数均为二进制数，所涉及的四则运算仍遵循对二取模的运算规 则。c r c 循环冗余校验具有比奇偶校验强得多的检错能力。可以证明：它可 以检测出所有的单个位错、几乎所有的双个位错、低于p ( x ) 对应二进制校验 列位数的所有连续位错、大于或等于p ( x ) 对应二进制校验列位数的绝大多数 连续位错。但是，当传输中发生的错误多项式e ( x ) 能被校验多项式p ( x ) 对二 取模整除时，它就不可能被p ( x ) 探测出来，例如当e ( x ) = p ( x ) 时。 综上可知，c r c 校验及循环冗余校验码是一种能力很强的检错码，且 由于其实现编码和校验码的电路比较简单，故常用于串行数据的无线传输中。 虽然c r c 校验只能识别传输错误不能校正错误，但它的优点是识别错误可靠 性高，只需要少量的冗余数据就可以识别，1 6 位c r c 对于r f i d 系统传输中 1 0 哈尔滨t 程入学硕+ 学位论文 数据校验非常适用。 2 2 3 数据的重发机制 在无线数据传输中，对数据信号帧传输过程中错位进行修正的方法主要 有两种：第一，由发端提供错误修正码，然后由收端自己修正错误：第二， 在收端发现接收到的错误帧中有位错误时，通知发端重新发送数据帧。前一 种方法中的错误修正码需要发端由被传送数据信号帧计算得到，然后添加到 数据帧的后面，其长度几乎等于数据位数，导致效率降低5 0 ，在少量无线 数据传输中，实际采用不多；一般采用后一种较为有效的重发送方法。在实 际系统中，数据重发必将引起数据冲突，因此如何有效的避免数据冲突也是 我们在系统设计中必须充分考虑并合理解决的问题。 所谓数据重发“，就是指当数据在空间传输时由于各种干扰而造成传输 到接收端的数据与发送端的原始数据不一致，且被接收端检验出来要求发送 端重新发送数据。对于射频识别系统而言，数据重发多采用错误通知重发机 制，即当数据接收端在检测到接收数据错误时向发送端发出重新发数据的重 发握手信号，当发送端接收到重发握手信号时，重新发送该数据包。 对于射频数据传输系统，人们通常都采用这种方式，因为在实际的系统 中，数据传输的误码率一般都比较低，数据出错的概率很小，所以采用错误 通知重发机制可以有效提高信道利用率。但是对于井下人员定位系统而言， 虽然传输的射频数据量很小，可数据的准确性要求非常高，同时在系统的 使用过程中，存在着一对多的问题，即同时多人经过同一井下基站，这时就 将不可避免的出现数据冲突现象，若采用错误通知重发机制，就有可能出现 漏检现象。例如当两个人同时携带应答器经过并下射频阅读基站时，由于阅 读基站的触发信号采用广播方式发送，因此他们同时收到阅读基站的触发信 号，且同时响应阅读基站触发信号，这时就会有几种可能的情况发生：1 、两 个数据一前一后被井下阅读基站正确收到：2 、一个数据被正确收到，而另一 个数据因为时序关系而被井下阅读基站漏检了；3 、由于数据载波的相互干扰， 两个数据均被基站收漏。对于后两种情况，采用错误通知重发机制，就会造 成人员数据的漏传，严重影响井下人员定位系统的性能。为了有效解决这一 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 问题，我们提出一种新的重发机n - 正确确认机制，所谓正确确认机制，就 是当数据接收端接收到发端的数据包后，对该数据进行检测，若检测到该数 据包没有错误，就向数据的发送端发出数据接收正确的确认信号，当数据发 送端在一定时延内没有收到数据接收端的确认信号，就自动重发数据。虽然 采用正确确认机制占用了一定的信道，但对于我们这种很小数据量的高稳定 度人员定位系统特别实用。 2 3 射频芯片比较与选择 2 3 1 选择的主要原则 从降低成本，减小开发难度和缩短开发周期等角度考虑，本设计采用单 片射频集成电路构建无线通信模块。单片射频集成电路的选择直接决定了无 线数传模块的功能和成本。单片射频集成电路的种类和数量比较多，选择单 片射频集成电路时主要考虑以下几点：通信距离，收发芯片所需的外围元件 数量，通信速率开发难易程度；芯片成本；数据传输的调制和编码方式等。 2 3 2 常见单片射频集成电路对比 下面就常见的单片射频集成电路n r f 4 0 1 ，r t r f 9 0 3 和c c l 0 0 0 的结构原理、 特性及应用电路作一个对比。 1 n r f 4 0 1 是挪威n o r d i c 公司最新推出的数据传输频段为4 3 3 m h z 单片无 线收发芯片，采用蓝牙核心技术设计，将很多功能和外围部件集成在芯片内 部，可以直接由单片机控制进行数据传输。它的外围元件少便于设计生 产，功耗极低，灵敏度很高，是目前低功率无线数据传输的理想选择，n r f 4 0 1 单片射频集成电路内包含有发射功率放大器( p a ) 、低噪声接收放大器( l n a ) ， 晶体振荡器( o s c ) 、锁相环( p l l ) 、压控振荡器( v c o ) ，混频器( m i x f r ) 、解 调器( d f m ) 等电路。 i 时4 0 1 芯片主要有如下的功能： ( 1 ) 工作频率为国际通用的传输频段4 3 3 m h z ： ( 2 ) f s k 调制，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合： 1 2 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 ( 3 ) 采用d d s + p l l 频率合成技术，频率稳定性极好； ( 4 ) 灵敏度高，达到10 5 d b m ； ( 5 ) 频偏小，正常工作时仅为士1 5 k h z ； ( 6 ) 功耗小，发射时电流为8 m a ，接收时2 5 0 u a ，待机状态时仅为8 u a ； ( 7 ) 最大发射功率达+ 1 0 d b m ； ( 8 ) f 氐工作电压( 2 7 伏) ，可满足低功耗设备的要求： ( 9 ) ，具有多个频道，可方便的切换工作频率，特别满足需要多信道工作的特殊 场合； ( 1 0 ) 工作速率最高可达2 0 k b i t s ： ( 1 1 ) 仅外接一个晶振和几个阻容、电感元件，基本无需调试： ( 1 2 ) 由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证 2 n r f 9 0 3 单片射频集成电路 n r f 9 0 3 也是n o r d i c 公司设计的单片射频集成电路，它工作在 4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z ，采用优化的g f s k 调制解调技术，抗干扰能力强；采用 d d s + p l l 频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达一1 0 4 d b m ；最大发射 功率可以调整至l j + 1 0 d b m ，最高数据传输速率可达7 6 8 k b p s 。 n r f 9 0 3 单片射频集成电路的工作电压范围可以从2 7 3 3 v ，接收待机状 电流消耗为6 0 0 u a 低功耗模式电流消耗仅为l u a ，可满足低功耗设各的要求。 n r f 9 0 3 具有多个频道( 最多1 7 0 个以上) ，特别适用于多信道工作的特殊场合。 n r f 9 0 3 单片射频集成电路的大线接口设计为差分大线，以便于使用低成 本的p c b 天线，所有的参数包括工作频率和发射功率都可以通过一个1 4 位的 配置寄存器用串行线( c s ，c f g ，c l k 和c f g ，d a t a ) 进行设置。 n r f 9 0 3 单片射频集成电路内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和 低功耗控制逻辑电路及串行接口几个部分。发射电路含有：射频功率放大器、 锁相环( p l l ) 、压控振荡器准频率( v c o ) 、频率合成器等电路。基准振荡器采 用外接品体振荡器产生电路所需的基振荡电路采用锁相环( p l l ) 方式，由d d s 模式的频率合成器、外接无源回路滤波器和压控振荡器组成。压控振荡器由 片内的振荡电路和外接的l c 要发射的数据通过d a t a 端输入。 接收电路主要包含有：低噪声放大器、混频器、中频放大器、g f s k 解调 器、滤波器等电路。低噪声放大器的作用是放大输入的射频信号。电路中的 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 mm m i 混频器采用两级混频结构，第一级中频1 0 ，7 1 3 6 m h z ，第二级中频3 4 5 ，6 k h z 。 中频放大器用来放大从混频器输出的信号。中频放大器的输出信号经中频滤 波器滤波后送入g f s k 解调器解调，解调后的数字信号从d a t a 端输出。 3 c c l 0 0 0 单片射频集成电路是c h i p c o n 公司推出的单片可编程r f 收发芯 片，它基于c h i p c o n ss m a r tr f 技术，可工作在i s m 频段( 3 0 0 1 0 0 0 m h z ) 。 c c l 0 0 0 集成了射频发射、射频接收、p l l 合成、f s k 调制解调、可编程控制 等多种功能。c c l 0 0 0 单片射频集成电路工作范围为3 0 0 1 0 0 0 m h z ：可以工作 于1 0 或2 0 个频点，但是需要外接s a w 滤波器，来实现良好的选择性，该芯片 灵敏度为1 0 9 d b m ；输出功率调整范围为2 0 d b m 到+ 1 0 d b m ，但是在 8 6 8 m h z 9 1 5 m h z 频段的输出功率只能达到最大功率的一半：通信速率可以达 3 1 ( j 1 9 2 k b p s ，但是每次发送数据前需要2 4 b i t s 的训练序列。c c l 0 0 0 单片射频 集成电路的主要工作参数要由一个串行接口编程设定，共有2 9 个配置寄存器 需要配置。 4 n r f 系列芯片与c c l 0 0 0 单片射频集成电路的比较如下： ( 1 1 c c l o o o 单- 片射频集成电路每次发送数据前需要2 4 b i t s 的i j l ( 练序列，需 要比较长的发射时间，致使系统电流消耗较大，系统成本增高，冲突的概率 增加，系统通信速率下降。n r f 系列单片射频集成电路无需训练序列，数据 发送时间较短，消耗的电流较小，系统成本较低，工作效率更高，通信速率 也更快。 ( 2 ) c c l 0 0 0 单片射频集成电路采用串口通信模式时通信速率只能达到1 9 2 k b p s ，系统通信速率较低，效率较低。而r 时系列单片射频集成电路串口通 信速率可达7 6 8 k b p s ，传输速度较高。 ( 3 ) c c l 0 0 0 单片射频集成电路共有2 9 个配置寄存器需要配置，需要单片 机大量的初始化代码空间，增加了开销和成本，同时复杂的初始化过程也增 加了出错的概率。n r f 9 0 3 单片射频集成电路只需一个1 4 b i t 的配置寄存器即可 完成所有一配置工作，只需要很少的代码空间。配置与编程极为方便。n r f 4 0 l 则不需提前配置，可以直接使用。 ( 4 ) c c l 0 0 0 单片射频集成电路在8 6 8 m h z 一9 1 5 m h z 频段的最大输出功率 只有n r f 9 0 3 单片射频集成电路的一半。在此频段，c c l 0 0 0 单片射频集成电路 通信距离只有n r f 9 0 3 的四分之一。n r f 系列单片射频集成电路具有一比较平 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 坦的特性，在4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 均能达+ 1 0 d b m 的输出功率，性能更加稳定，通 信距离更远。 ( 5 ) c c l 0 0 0 单片射频集成电路的选择性要依靠外接的s a w 滤波器来实现 的，而且需要调整的器件数目较多。n r f 系列芯片内建镜像频率抑制电路， 不需须外接s a w 滤波器就能实现良好的镜像频率抑制功能，外围元件基本不 需要调整。 综上所述，c c l 0 0 0 单片射频集成电路特性不平坦，接收灵敏度在不同的 频段和不同的通信速率下有较大差异。c c l 0 0 0 单片射频集成电路发射功率在 8 6 8 和9 1 5 m h z 频段下只能达到其他频段的一半。c c l 0 0 0 单片射频集成电路的 选择性要靠外围器件s a w 来实现的，成本较高，而且s a w 滤波器会降低系统 增益，并且需要调整的器件数目过多，用户设计这部分外部电路参数要达到 较好的性