（通信与信息系统专业论文）新型中英文navtex接收机的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 n a v t e x 是以窄带直接印字电报方式发送和自动接收海上安全信息的系 统，也是全球海上遇险和安全系统中的重要组成部分。传统的n a v t e x 无线接 入系统采用窄带直接打印( n b d p ) 的工作方式，仅支持英文，不具备处理中文 n a v t e x 信息的能力，功能单一，接收灵敏度不高，智能化程度低，已经不适 应现代航运发展的要求。 本文首先分析了国内外n a 、，t e x 发展的现状，从n a v t e x 的基本概念出发， 介绍了n a v t e x 系统的基本原理、系统组成和工作方式。较详细的论述了中文 n a v t e x 编码方案，并运用m a t l a b 软件对n a v t e x 系统进行了仿真。文章 重点介绍了中英文n a v t e x 接收机的硬件设计，分模块的介绍了系统各个功能 的具体实现，其中着重于介绍射频接收模块和基于a t 9 1 r _ m 9 2 0 0 嵌入式微处理 器的控制与信息处理模块的设计。射频接收模块是接收机前端的核心模块，是 决定接收机接收灵敏度的关键，主要由混频器、有源窄带晶体滤波器、2 f s k 解 调电路组成，在充分考虑电磁兼容性的前提下完成了模块的小型化设计。而控 制与信息处理模块负责处理各种数据，并协调系统内其它逻辑模块，同时还要 接受用户的操作指令并完成相应数据的显示，其核心是a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式微 处理器。在详细介绍电路设计思路的基础上，利用p r o t e l 9 9 软件完成了系统 硬件的p c b 电路板设计。 最后，在论文的理论基础上，在软件工程师的配合下，现已设计并完成了 中英文n a v t e x 接收机硬件电路，调试后使各部分能协调、稳定地工作，实现了 对中英文n a v r e x 信号的正确接收。 关键字：n a v t e x ；接收机；f s k a r m 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n a v t e xi st h es y s t e mt h a tb r o a d c a s t sa n da u t o m a t i c a l l yr e c e i v e st h em a r i n e s a f e t yi n f o r m a t i o nb ym e a n so f an a r r o wb a n dd i r e c tp r i n t i n gt e l e x ( n b d p ) ，w h i c h i st h ei m p o r t a n tp a r to fg m d s s t r a d i t i o n a ln a v t e xw i r e l e s sa c c e s ss y s t e mw o r k s b ym e a l 强o fa n a r r o wb a n dd i r e c tp r i n t i n gt e l e x ( n b d p ) a n do n l ys u p p o r t st h e l a n g u a g eo fe n g l i s h a si t c a nn o tp r o c e s si n f o r m a t i o ni nc h i n e s e 、析t ht h e d i s a d v a n t a g eo fs i m p l ef u n c t i o n , l o wr e c e i v i n gs e n s i b i l i t ya n dl o wi n t e l l i g e n c e ，i th a s n ol o n g e rm e tt h ed e m a n d so f d e v e l o p m e n to f m o d e mn a v i g a t i o n f i r s t , t h ed e v e l o p e da c t u a l i t ya n de x i s t e dp r o b l e m so fn a v t e xi nh o m ea n d o v a t s c a $ a r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so f c o n c e p t , f u n d a m e n t a l ，m o d u l e so f t h es y s t e ma n dt h ew o r k i n gm o d eo fn a v t e xa r ei n t r o d u c e d ac h i n e s ec 垴【m c 6 盯 e n c o d i n gm e t h o di sd i s c u s s e di nd c t a i l i na d d i t i o nt h es i m u l a t i o no fs y s t e mi sd o n e b ym e a n so f t h em a t l a b 如a r e m o r e o v e r , t h ed e s i g no f h a r d w a r eo f t h er e c e i v e r i si n t r o d u c e di nm o d u l e s e s p e c i a l l yt h er fr e c e i v i n gm o d u l ea n dt h ec o n t r o y p r o c e s s i n gm o d u l eb a s e do n r 9 1 r m 9 2 0 0m i c r op r o c e s s o ri ss t r e s s e d t h er f r e c e i v i n gm o d u l ei st h ec o r ei nt h ef r o n tp a r to fn a v t e xw h i c hc o m p r i s e sm i x e r , a c t i v ec r y s t a ln a l t o wb a n d - p a s sf i l t e ra n d2 f s kd e m o d u l a t i n gc i r c u i t m o r e v c r , t h e m i n i a t u r i z a t i o no ft h em o d u l ei sc o m p l i s h e du n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no fe m c 1 1 圮 p r o c e s s i n go fd a ma n da s s o r t i n gw i t ho t h e rl o g i cp a r t so ft h es y s t e mi sd o n eb y c o n t r o l p r o c e s s i n gm o d u l ew h i c hr e c e i v e st h ei n s t r u c t i o n s ，a sw e l la st h ed i s p l a yo f r e l e v a n td a t a p c bo ft h es y s t e mh a r d w a r eh a sb e e nd o n eu s i n gt h es o f t w a r o f p r o t e l 9 9o nt h eb a s i so fp a r t i c u l a ri n d r o d u c f i o no ft h ec i r c u i td e s i g no ft h e h a r d w a r e b a s e do nt h et h e o r ym e n t i o n e di nt h i sp a p e ra n d 、 d t l lt h eh e l po fs o f t w a r e e n g i n e e r , t h en e w - t y p e dc h i n e s ea n de n g l i s hn a v t e xr e c e i v e rh a sb e e np r o d u c e d a f t e rt h ed e b u g g i n g , e a c hm o d u l eo ft h er e c e i v e rw o r k si np h a s ea n ds t e a d i l y t i l i s n a v t e xr e c e i v e rh a sb e e np r o v e dt oh a v eh i g hr e c e i v i n gs e n s i b i l i t y k e yw o r d s ：n a v t e x ；r e c e i v e r ；f s k ；a r m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 龇毕名；件胁哗 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 随着海上通信技术的发展，特别是于1 9 9 9 年2 月1 日起全面实施的全球海 上遇险系统( 以下简称o m d s s ) ，使海上遇险和安全通信的概念发生了巨大的变 化。g m d s s 是采用卫星通信、数字技术、计算机控制和网络技术等现代无线电 通信设备来代替使用了近百年的传统的人工莫尔斯电报和无线电通信系统，是 海上无线电通信的一次大革命，极大的改善了船舶的航行安全及海上船舶的搜 索、救助能力。 世界航行警告业务( w w n w s ) 是由国际海事组织i m 0 和i h o ( i 垂i 际航道组织) 为协调发射区域性无线电航行警告业务和其他紧急信息而设置的。w w n w s 的 区域界限不是按国家所有权海域划分的，而是按地理位置和电波可能覆盖的范 围划分的，称为n a v a r e a ( n a v i g a f i o n a r e a ) 区域，把世界划分为1 6 个航行警告 区，每一区域都由一个指定的协调国负责。w w n w s 有3 种不同的业务，即远 海域、岸基和本地业务。国际间协调的航行警告有两种不同的业务：远海域的 n a v a r e a 业务和岸基的n a v t e x 业务。本地警告业务完全由本国主管部门协 调完成。为了保证航行安全，需要及时有效地由岸上向航行的船舶提供有关海 上航行的安全信息，海上安全信息包括航行警告、气象警告、气象预报和其他 海上紧急信息。 海上安全信息播发系统( n a v t e x ) 是以窄带直接印字电报方式发送和自动 接收海上安全信息的系统，是全球海上遇险与安全系统( o m d s s ) 的重要组成部 分。i l 】全世界已有5 0 多个国家建立了n a v t e x 系统，所使用的基本语言是英文。 n a v t e x 主要分为两种：一种被称为国际n a v t e x 系统，为航行于国际水 域的船舶提供英文的海上安全信息；另一种称为国家n a v t e x 系统，为所有行 于本国水域的船舶提供本国的安全信息。国际n a v t e x 业务是指在5 1 8 k h z 的 频率上以窄带直接印字电报方式协调播发和自动接收英语的海上安全信息。由 于国际n a v t e x 系统是采用同频工作方式，为了防止发射台之间的干扰，国际 海事组织( i m o ) 将全球按地理位置划分为1 6 个航行警告区域( n a v a r e a s ) ，协调 武汉理工大学硕士学位论文 n a v t e x 信息的发布，在每个区域内，按地理位置依次确定电台的标识。我国 位于第l l 区。截止到2 0 0 0 年6 月，全世界已有5 4 个国家建立了国际n a v t e x 系统。国家n a v t e x 业务是指在5 1 8 k h z 以外的频率上以窄带直接印字电报方 式协调播发和自动接收本国( 或本地区) 语言的海上安全信息。对非英语国家而 言，考虑到本国的实际，目前己有1 2 个国家使用英语以外的9 种语言( 法语、 西班牙语、希腊语、意大利语、葡萄牙语、冰岛语、日本语、韩国语和越南语) 在4 9 0 k h z 或者4 2 0 9 5 k i - i z 的频率上传输本国语言的n a v t e x 信息【1 i 。 1 2 我国开展n a v t e x 业务现状 截至2 0 0 6 年，我国海上安全信息的无线电发播方式主要有以下几种【1 2 】： 表1 - 1 我国海上安全信息的无线电发播方式表 方式中文英文内容发播海岸电台 各岸台( 定时播发仅限上海、 中高频莫尔斯广播 气象、航行警告等 广州两台) 各岸台( 定时播发仅限上海、 中高频莫尔斯广播 、， 气象、航行警告等 广州两台) 高频无线电传广播 、，航行警告等上海、广州 高频无线电传广播 、， 气象、航行警告等上海、广州 上海、广州、大连、福州、 n a v t e x5 1 8 、，气象、航行警告等 2 亚 n a v t e x5 1 8、f航行警告等上海 根据国际海事组织关于n a v t e x 区域的划分，我国己先后在三亚、广州、 福州、上海、大连、天津、湛江建立了7 个n a v t e x 业务海岸电台，链状覆盖 了我国沿海4 0 0 海里以内的海域，分别向所辖海域以5 1 8 k h z 为工作频率发布英 文的n a v t e x 信息为航行于国际水域的中外船舶提供各种航行安全信息。自运 行以来，成功挽救了成千上万人的生命与财产安全。另外，香港和台湾两地区 的航行警告业务也己经开通。中文n a v t e x 系统是在4 8 6k h z 频率上，使用窄 带直接印字电报方式用中文广播和自动接收海上安全信息的系统。图1 1 所示， 由国家海事局协调各台中文n a v t e x 信息的发布，各台以2 5 0 海里为半径，按 2 武汉理工大学硕士学位论文 序定时向所辖海域发布n a v t e x 航行警告、气象预报和各种搜救信息。所有在 中国沿海及a 2 航区作业并装备中文n a v t e x 接收机的船舶都能够自动接收中 文n a v t e x 信息【2 】。 灯标管理部门 电子助航部门 近海作业 政府公告 船舶报告 航行区域协调台 国家协调部门 最初的遇险电报i 天气预报 搜救协调中心l 气象报告协调台 n a v t e x 协调中心 大连 l | 天律上海福州 ii 广州湛江三亚 图1 - 1n a v t e x 信息流程图 1 9 9 2 年8 月1 日，旨在改善航运安全和帮助搜寻救助作业，强制性安装 n a v t e x 的规则已生效。这些新规则使得3 0 0 总吨及以上的所有船舶强制要求 安装n a v t e x 系统。根据交通部关于进行中文n a v t e x 播发的通知，我国 于2 0 0 6 年6 月正式开通中频( 4 8 6 k h z ) 中文n a v t e x 播发业务。中文n a v t e x 的播发内容包括：航行警告、气象警告、气象预报和其他紧急的海上航行安全 信息。 1 3 课题研究的目的和意义 传统的n a v t e x 无线接入系统采用窄带直接打印( n b d p ) 的工作方式， 仅支持英文、功能单一、接收灵敏度不高、智能化程度低，已经不适应现代航 运发展的要求。目前基于5 l 系列单片机的英文n a v t e x 接收机还是市场上的主 打产品，国内市场上比较流行的是日本j r c 公司的n c r - 3 0 0 a 型n a v t e x 接收 机，该机型仅支持5 1 $ k h z 的英文n a v t e x 业务，灵敏度较低，功能单一，信 息处理部分技术陈旧。国内外目前已经提出了下一代n a v t e x 无线接入系统的 解决方案，基于d s p 和软件无线电技术的新型n a v t e x 接收机已经完成了理论 设计，但具体产品的面市尚须时日，新型中英文n a v t e x 接收机的市场需求巨 武汉理工大学硕士学位论文 大。为服务我国近海航运及为海上作业船舶提供各种中英文海上安全信息，必 须尽快研制新型中英文n a v t e x 接收机。 现有的n a v t e x 系统不具备处理中文n a v t e x 信息的能力，英语语言上的 障碍严重制约着它在我国的应用。由于气象秘航行安全的信息不能及时获取， 海难事故时有发生。当前国内基本没有公司能够提供中英文n a v t e x 接收机设 备，国内使用的还是英文n a v t e x 接收机。且现有接收机在灵敏度和信息处理 方式方面还存在重大改善空间，所以应用最新通信及信息处理技术开发工作在 5 1 8k h z 和4 8 6k h z 双频n a v t e x 接收机( 用4 8 6 k h z 接收中文信息，5 1 8k h z 和国际通用信息兼容) 为减小在此领域我国与国际水平的差距，为近海航运及 海上作业船舶提供各种中文海上安全信息方面具有重大意义。 海洋经济开发是我国经济发展的重要组成部分，船舶的航行安全是海洋开 发的基本保障，研究新型的船用安全信息无线接入系统对我国海洋经济开发具 有重要意义。 1 4 主要工作与论文组织 1 4 1 主要工作 本设计的主要任务是：根据相关的国际和国家标准，应用现代通信技术和 信息处理技术，设计出具有处理中文信息处理能力的n a v t e x 接收装置，为近 海( 距大陆线2 5 0 海里以内) 航运及海上作业船舶提供各种中文的海上安全信息。 本课题主要工作归纳为以下几点： ( 1 ) 对n a v t e x 系统播发中文n a v t e x 信息的技术要求、n a v t e x 系统 的中文编码方案进行分析并运用m a t l a b 软件对n a v t e x 系统进行仿真。 ( 2 ) 完成满足国家标准( g b l l 4 1 1 8 9 ) 的中英文n a v t e x 接收机射频接收板 模块的硬件设计和调试，实现设备小型化、模块化。 ( 3 ) 完成基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式微处理器的控制与信息处理电路板的硬 件设计和调试。 1 4 2 论文组织 全文分为六章，结构安排如下： 第一章介绍了课题提出的背景及我国n a v t e x 业务开展现状，课题的意义 4 武汉理工大学硕士学位论文 并说明本文的主要工作。第二章主要介绍n a v t e x 系统的特点以及工作方式。 第三章在提出了中文n a v t e x 系统的中文编码方案，进行了性能分析，并运用 m a t l a b 软件对n a v t e x 系统进行了仿真。第四章主要介绍接收机硬件设计。 第五章是接收机电路p c b 板设计与硬件调试。第六章总结了本文所傲的工作和 不足之处，提出进一步研究需要解决的问题和以后的发展方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章n a v t e x 系统概述 2 1n a v t e x 系统的特点 n a v t e x 系统在播发方面比较简单。现有的中频发射设备经改装，在达到 要求的频率稳定度下，便可作为n a v t e x 发射设备使用。因此，在播发方面有 很多优点”刈： ( 1 ) 输出功率低，覆盖范围广。在北欧许多国家使用的设备，最大输出功 率为5 0 0 w ，夜间可调低为1 5 0 - 2 0 0 w ，其覆盖范围可达4 0 0 海里。 ( 2 ) 由于使用5 1 8 k h z 和4 8 6 k h z 作为播发频率，电波主要依靠地波传播， 传播较稳定，接收地点场强稳定，接收可靠。对于现有的海岸电台，只要具备 中频发射能力，稍加改装就能成为n a v t e x 发射台； ( 3 ) n a v t e x 发射台可遥控，甚至一个协调中心可控制三个播发台，由于 采用定时播发，节省劳力，便于管理。一般情况下，每个电台每天播发6 次 n a v t e x 信息，每次l o 分钟。 由于n a t e x 系统采用同频工作方式，为防止发射台相互间的干扰，i m 0 将 全球按地理位置划分为1 6 个航行警告区( n a v a r e a s ) ，协调n a v t e x 信息的发 布。1 6 个航行警告区的5 4 个沿岸国家已经建成或着手建立9 0 多个n a v t e x 发 射台，基本上覆盖了全球海洋。在每个区域内，按地理位置依英文字母八b c 的次序确定电台的标识。各台所赋予的英文字母称为发射台及其覆盖海域的识 别码。我国位于n a v a r e a s 的第1 1 区，从南到北电台标识依次为：l ( 香港) 、 m ( - - - 亚) 、z ( 湛江) 、n ( 广州) 、o ( 福州) 、q ( 上海) 、t ( 天津) 、r ( 大连) 等。每 个发射台在识别字母确定以后，它的发射时间也被确定。而且各组的各个播发 台不同时工作，避免了相邻的各发射台之间的相互干扰。尽管各个相邻航行警 告区的播发台有可能同时工作，但是由于它们各自覆盖的海域相隔很远，在 5 1 8 k h z 和4 8 6 k h z 频率上不会造成相互干扰。 各个n a v t e x 播发台所播发的报文，应根据信息种类分别用英文字母予以 编号，该字母称为报文的主题字母。对于每一种信息再按播发的先后次序予以 编号，也就是在报文的主题字母之后紧跟编号，表示这一类报文播发的先后次 6 武汉理工大学硕士学位论文 序，便于存档。这些信息各自由一个协调台汇总，然后送到整个系统的信息协 调中心，在那里形成报文，送往发射台进行发射。 中文n a v t e x 接收报文格式如图2 1 所示，其中：z c z c 表示定相信号的 结束，b i b 2 8 3 8 4 ；为技术编码。 b l 是发信台识别标志，能够使接收机识别接收或拒绝该电台的信息。为了 防止两个使用同一识别标志电台对船台接收所造成的干扰，必须保证这两个电 台的地理位置相距较远。n a v t e x 发射台的通信距离大约为4 0 0 海里，因此， 应保证接收机在特定时刻和特定位置只能接收一个电台的信息。 图2 1n a v t e x 报文格式 b 2 是各种电报的分类识别字母。b 3 8 4 是每一类磁电报的流水编号，从o l 开始至9 9 后再重新从0 1 开始，但要避免使用仍然有效的电报编号。编号0 0 只 能用于特别重要的电报，如始发的遇险电报。 n a v t e x 发射台的主要规范【1 2 】： 功能单信道m f 发射机 频率 5 1 8k h z & 4 8 6k h z 频率稳定度4 - 1 0h z 寄生辐射射频谐波和噪声均低于主信号4 0d b 7 武汉理工大学硕士学位论文 天线电容范围 调制 电源 环境要求 发射机： 天线部分： 4 0 0 1 2 0 0p f f 1 b ( f s k 数据，1 7 0 0 - a ：8 5h z , 1 0 0 b a u d 交流2 2 0 v 温度为0 至u + 5 0 摄氏度 湿度在+ 3 5 摄氏度为9 5 温度在3 0 至u + 7 0 摄氏度 湿度在+ 3 5 摄氏度时为9 5 载波功率监控报警： 士3d b 接口：符合r s 2 3 2 c ，易于报文处理系统连接 n a v t e x 发射功率按所覆盖的海域范围及天线( 包括地网) 情况而定，通常做 成可调整的。 本次设计的新型中英文n a v t e x 接收机的技术指标是： l 接收频率：5 1 8 k h z ，4 8 6 蛆z 2 频率容差：在发射信号频率误差为士1 0 h z 以内，接收机能正 常接收打印 3 接收模式： f 1 bn a v t e x 广播 4调制方式：移频键控( f s k ) 5 信号编码：英文信息接收符合i t u - r 4 7 6 建议要求 中文信息接收符合国家标准g b t1 8 7 6 6 - 2 0 0 2 规定 的n a v t e x 中文编码技术要求 6 信号传输格式：符合i t u - r 5 4 0 建议要求 7 接收机灵敏度( 5 0 f 1 输入) ： 英文接收：5 2 u v ，字符错误率 4 中文接收：qu v ，中文错误率 b w b 时，即带外 钟+ y c o s h z 卜。( 别 7 ， 焉b 叫吲y l 珂 lj l 、。 舛叫一1 ( 别r 等( 莩怫曰l 以 等( 等删b l 栉 j 当谐振器的数日n 确定以后，谐振频率和q 值可以被计算出来。 m 衄= 孚( 劝奇数) 1 = 三( 沩偶数j 式中m 是中心频率每一边的谐振器数目。 蜴= 石f o ( 4 一l o ) ( 4 - 1 1 ) ( 4 - 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 - 1 4 ) “- 1 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 q 优= 式中矗是波纹度带宽，q 牌是第m 个谐振器的q 值。 最= s i n h 量 式中是通带波纹度，设为在厶以上频率第m 个晶体的频率， 以下频率的第r a 个晶体的频率，则有如下关系。 厶一厶= 瞩s ( 莩啪) 厶：石+ 盘善 厶= f o 一量圣 e = e o s h! s i i l 一j 一 行瞄一，r ( 4 - 1 6 ) ( 4 1 7 ) 为在f b “- 1 8 ) ( 4 1 9 ) ( 4 - 2 0 ) ( 4 2 1 ) 当谐振器的频率和q 值计算出来以后，就需要根据所要求的q 值，来选择 合适的晶体和计算出阻尼串联电阻。其关系式表示如下： 拈鲁一恐( 4 - 2 2 ) 式中足是晶体的等效串联电阻。 根据以上各式，本次设计的有源晶体滤波器技术指标如下： ( 1 ) 中心频率：4 m h z 士i h z ( 常温) 槲 愚吕s 1 一行 武汉理工大学硕士学位论文 4 m h 畦1 0 h z ( - 2 0 _ - 5 5o c ) ( 2 ) 3 d b 带宽：3 0 0 - _ 3 4 0 h z ( 3 ) 2 0 d b 带宽：小于6 0 0 _ - 7 0 0 h z ( 4 ) 带内波动：小于o 1 d b ( 5 ) 插入损耗：小于2 d b ( 6 ) 6 0 d b 阻带宽度：小于士1 k h z 由上各式计算得： n = 4 ，f i = 4 0 0 0 0 5 7 5 h z , f i = 3 9 9 9 9 4 2 5 h z ，6 = 4 0 0 0 1 3 8 h z , i = 3 9 9 9 8 6 2 h z , 具体设计 电路图见图4 9 。 图4 - 94 m h z 有源晶体滤波器电路图 c i - 1 3szld bod b r fod b - 2 ：一2 4 0 2 曲 ，a 。f ：5 。一$ 1 3 ，。4 ，塞 ，3 ；一2 ；9 a 4 0 0 0 0 5 5 e 5 6 蛐2 r、 | v 一 罗 、 。 8trt3 9 9 9 删z200h z 3top4-001hh4 n 2 6 c c f 0 6 o ，0 1 ；5 ， 图4 - 1 04 m h z 有源晶体滤波器频率响应特性曲线 武汉理工大学硕士学位论文 在4 m h z 有源晶体滤波器电路的设计中，根据理论计算，最终采用的是两 级双晶体滤波器节串联，再加上一级射极跟随器的方案，主要器件采用的是工 作频率较高的金属氧化物场效应管。器件全部采用贴片封装，为得到较好的通 带特性整个滤波器电路置于金属屏蔽罩下。使用网络分析仪实测得到该滤波器 频率响应特性曲线，见图4 - 1 0 ，由曲线可以看出本滤波器的中心频率，3 d b 带宽， 2 0 d b 带宽，插入损耗，带内波动等指标符合设计标准。 4 3 32 f s k 解调电路的设计 f s k 解调按处理方式分类，可分为相干解调和非相干解调，特别是非相干解调 方式，实现简单，硬件电路简单，无需恢复出同步的载波。常用的非相干解调方 法有过零检测法、鉴频法和分路匹配滤波法等，本次设计采用鉴频法通过 c a 3 0 8 9 和x r 2 1 1 芯片来实现f s k 硬件解调。 如果传输的信号带宽很窄，并且传输信号的信道噪声、干扰很小，信噪比较 大，也即数字通信系统的工作环境比较干净，则可以考虑只使用一路鉴频解调电 路来解调2 f s k 信号。图4 1 1 为普通鉴频法的原理框图。在接收端f s k 信号进 入带通滤波器抑制掉干扰，经限幅器消除接收的信号在幅度上的畸变。解调器的 关键部位是鉴频器，他把两种不同频率的f s k 信号变成两种不同的电压信号，然 后送低通滤波器滤除高频分量，从而得到基波的包络线，最后经判决器恢复出其 基带数字信号。 圈 图4 i l 普通鉴频法解调f s k 信号原理框图 c a 3 0 8 9 是i n t e r s i l 公司生产的一种窄带( f v 0 通信芯片。该芯片集成了 三级中频限幅放大器、积分鉴频器、a g c 电路、a f c 电路、噪声抑制开关，信 号强度计量电路等常用通信电路单元。它的低电压设计使其具有省电、灵敏度 高等特点，在窄带语音或数据通信方面可达到最佳性能。c a 3 0 9 9 的主要技术指标 有；( 1 ) 工作电压范围宽为vc c = 5 1 6v ；( 2 ) 输入极限电压灵敏度为3 0d b ： ( 3 ) 耗电少：vc c = 1 2 v ( 静噪关闭) ，i c c - 1 6 m a ：( 4 ) 静噪时，最小电流会增 武汉理工大学硕士学位论文 加；( 5 ) 信号强度显示：5 5d b 动态范围。 在n a v t e x 接收机设计中，前端接收的信号经晶体滤波器送至1 脚限幅放 大器输入端，经限幅放大器的输出8 脚送至鉴频器，鉴频器输出至音频放大器经 6 脚输出。9 脚和1 0 脚之间接入带泵电阻r 的晶体振荡器作为积分输入信号 ( q u a d r a t u r e 玳p u t ) ，笔者通过大量试验证明，此输入信号的波形对芯 片6 脚最后输出的音频信号质量乃至整机的灵敏度有很大的影响，应以输入标 准的正弦波为宜。当输入幅度为1 0 0 m v 的三角波时，6 脚输出为稍变形的三角 波，如图4 1 2 所示：当输入幅度为1 0 0 r n v 的标准正弦波时，6 脚输出正弦f s k 信号，波形平滑，如图4 1 3 所示。 r 的取值直接影响c a 3 0 8 9 的通带在v e e 为5 v 时，6 脚输出的f s k 信号为 标准的正弦波，当输入i f 信号5 1 8 0 8 5 k h z 时，输出频率为1 7 8 5 k k ，见图4 1 3 ； 当输入i f 信号5 1 7 9 1 5 k h z 时，输出频率1 6 1 5 k h z 。将此信号送给解调芯片 x r 2 2 1 1 ，可以解调出数字信息。 ) a 毪2 1 l 是美国e x a r 公司出品的用于数据通信的单片锁相环芯片，尤其适 用于f s k 信号解调。其工作电压在4 5 2 0 v , i 作频率为0 0 1 3 0 0 k h z ，片中集成了 一个锁相环、一个积分鉴相器和f s k 电压比较器。可以通过配置外围器件来设 置所需解调信号的中心频率、带宽和输出时延。该芯片具有良好的精度，广泛 用于音频段的信号解调。本机使用x r 2 2 1 1 对l7 0 0h zf s k 信号进行解调，得 到7 单元码的解调数据( t t l 电平) ，送到信息处理部分，经译码及处理后，再把 报文送到显示部分。x r 2 2 1 1 检波器的输出也同时作为本机自检信号的来源。 x r 2 2 1 1 解调电路如图4 1 4 所示，解调出的数字信号波形见图4 1 5 。 图4 - 1 2 稍变形的三角波图图4 1 3 标准f s k 信号图 武汉理工大学硕士学位论文 图4 - 1 4x r 2 2 1 1 解调电路 图4 1 5x r 2 2 1 1 解调后波形 4 4 触摸屏电路设计 4 4 1 电阻式触摸屏的工作原理 图4 1 6 一个电阻式触摸屏的实物图。下面详细介绍一下电阻式触摸屏的工 作原理。 图4 - 1 6 电阻式触摸屏 电阻式触摸屏一般附着在液晶屏的表面，与液晶屏相配合使用，如果能测 量出触摸点在屏幕上的坐标位置，则可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或 图符获知触摸者的意图。 武汉理工大学硕士学位论文 玻璃罩 金属涂层 绝缘支点( 透明隔离前 图4 1 7 触摸屏的触摸示意图 电阻触摸屏以一层玻璃作为基层，上面涂有一层透明氧化金属( 1 1 d 氧化铟) 导电层，上面再盖有一层玻璃或是外表面硬化处理的光滑的塑料层，它的内表 面也涂有一层i t o 导电层，他们之间有许多细小的透明隔离点把两导电层隔开 绝缘，每当有笔或是手指按下时，两个导电层就相互接触，从而形成了回路应 用【3 0 】【3 1 1 。如图4 1 7 所示。 导电层的两端都涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极，上下两个导电 层一个是水平方向，一个是竖直方向，分别用来测量x 和y 的坐标位置，在水 平面上的电极称为x + 电极和x 一电极，在竖直平面的电极称为y + 电极和y 一电极。图4 1 8 为导电层的两对电极。 图4 - 1 8 导电层电极 所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表x 坐标和y 坐标的电压。 如图4 1 9 所示，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。一个电阻连接参 考电压( v c e ) ，另一个电阻接地。工作时，两个电极根据测量需要提供参考电压 或是作为测量端对接触点的位置进行测量。当测量接触点x 坐标的时候，导电 武汉理工大学硕士学位论文 层上的x + 电极和x 一电极分别接上参考电眶和地，y 电极不加电压，这样x 电极间会形成均匀的电压分布，再用y + 电极作为测量点，将得到的电压值通过 a d 转换，就可判断出相应接触点的x 坐标。测量y 坐标的方法亦是如此，只 需将其改成对y 电极加电压丽x 电极不加电压即可【3 1 11 3 2 1 。 且，d w 0 c a ) 测髓x 坐妊随( b 删壁￥堂椿值 图4 1 9 触摸屏的内部结构示意图 x 坐标的计算公式如下： y 坐标的计算公式如下： x ：堡l 材 马+ 恐 触撬矗 “- 2 3 ) y ：箬。肘 ( 4 2 4 ) 马+ 墨 、。 其中。为加在a d s 7 8 4 6 内部a 仍转换器上的参考电压，当使用差分输入 模式时直接使用作为参考电压；使用单端输入时，则通过芯片的引脚接 入外部参考电压。m 的值根据a d s 7 8 4 6 的控制命令字中的m o d e 的不同选择 而变化，当选择m o d e = 0 时，表示转换结果为1 2 位数据，故m - - 2 1 2 = 4 0 9 6 ； 当选择m o d e = i 时，表示转换结果为8 位数据，则m - - 2 8 = 2 5 6 ：关于命令字的 具体用法，后面会详细介绍。 而测量触摸的压力的原理则是和i t o ( 氧化铟) 材料的自身特性有关，i t o 导电膜的电导率公式为p = p o ( 1 + 3 五d ) ，其中d 为导电膜的厚度，所以i t o 电 导率和i t o 导电膜的厚度成反比。因此当触摸的压力越大，接触点的i t o 导电 膜就越薄，对应的电导率就大，电阻就越小。可以看出，触摸压力的测量实质 是测量接触点i t o 导电膜的电阻值【3 l 】。 武汉理工大学硕士学位论文 4 4 2 触摸屏控制器a d s 7 8 4 6 a d s 7 8 4 6 是美国b u r r - b r o w n 公司推出的新一代电阻式触摸屏专用控制器。 它在与触摸屏连用时，一旦笔或手指点触摸在屏上，可迅速得到该点的位置信 号，从而达到在触摸屏表面上寻址的目的。a d s 7 8 4 6 是典型的逐步逼近寄存器 型a d 变换器，其结构以电容再分布为基础，包含了取样保持功能。a d s 7 8 4 6 的引脚与以前产品a d s 7 8 4 3 的引脚完全兼容，只是增加了片内温度测量、触摸 压力测量和电池电压测量三个功能。a d s 7 8 4 6 的其它主要特点如下： 具有四线制触摸屏接口； 可单电源工作，电压范围为2 2 5 2 5 v ； 内部自带+ 2 5 v 参考电压； 具有1 2 5 k h z 的转换速率； ( 1 ) 引脚功能 a d s 7 8 4 6 具有t s s o p 1 6 和s s o p 1 6 两种封装形式。表4 1 为各引脚功能 说明。 表4 - 1a d s 7 8 4 6 的管脚功能表 引脚名称功能描述 l + v c c 电源输入端 2x +x + 位置输入端 3 y +、n 位置输入端 4x x 位置输入端 5y - y 二位置输入端 6g n d 接地 7v b a t电池监视输入端 8a u xa d c 辅助输入通道 9 v r e f参考电压输入 1 0 + r v c c电源输入端 1 1 p e n i r q #笔中断输入，需外接1 0 k q 1 0 0 k q 的上拉电阻 1 2d o u t 串行数据输出端。数据在d c l k 的下降沿移出。 1 3b u s y 忙时信号线，当c s # 为高电平时为高阻状态 1 4d i n串行数据输入端。当c s # 为低，数据在d c l k 上升沿锁存起 1 5 c s 撑 片选信号 武汉理工大学硕士学位论文 该芯片由6 路通道选择器、逐步逼近式寄存器( s a r ) 、+ 2 5 v 参考电压、电 容式a d 转换器( c d a c ) 、温度传感器等部分构成。a d s 7 8 4 6 工作时有时需要一 个外部参考( v r e f 弓l 脚) ，其中外部参考电压的范围是1 v + v c c ，由它可以直 接设定a d 输入通道的输入范围，其平均基准输入电流取决于变换速率。 ( 2 ) 典型应用 a d s 7 8 4 6 的典型应用电路如图4 - 2 0 所示。 图4 2 0a d s 7 8 4 6 的典型应用电路 在正常转换时，首先通过c s 管脚信号将芯片选中，根据d i n 输入的数据配 合d c l k 的脉冲时序来选择打开相应的通道，然后通过判断b u s y 管脚转换是 否结束，再通过d o u t 管脚输出转换后的数据。例如当测量触摸屏上某点的y 轴坐标时，控制系统先向a d s 7 8 4 6 送相应的命令字数据，a d s 7 8 4 6 则打开y + 和y 二驱动，即y + 接电源，y 二接地，然后将x + 输入端模拟信号送入输入通道进 行a d 转换即可得到y 轴坐标；当测x 轴坐标时，原理同上。 ( 3 ) 脉冲时序 a d s 7 8 4 6 是由c s 、d c l k 、d i n 等多个管脚共同作用的，c s 是片选信号， d c l k 是时钟脉冲，控制命令字在d c l k 的上升沿时由d i n 输入，转换的结果 在d c l k 的下降沿时由d o u t 输出，图4 - 2 1 是a d s 7 8 4 6 的时序图。 童。i。一 一 l ：i 八n nr u l 嗥1 ) 眦几n 啤一叩帅n 衄口叩几n 一同口丁工工 口同口丁工工皿 0c_d自 ”1广厂 一 曰五匹盈丑正= = 亚圆哑 图4 - 2 1a d s 7 8 4 6 的时序图 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 工作方式 a d s 7 8 4 6 触摸屏控制器的工作方式是由控制字节决定的，控制字节中各位 的描述如表4 2 所示。 表4 - 2a d s 7 8 4 6 控制命令字 b i t ob i t 7 b n 6b 晒b i t 4b i t 3b t 2b i t l 0 v i s b )( l s b ) sa 2a la om o d e 艇r ，i f r p d lp d o s 是开始标志位，只有s 位为高时a d $ 7 8 4 6 才开始接收命令字，a 0 、a i 、 a 2 是通道选择，根据测量的需要而改交，具体所对应的选择见表3 - 3 。m o d e 在前面简单介绍过了，主要是用来选择转换结果是8 位数据精度还是1 2 数据精 度，当m o d e = i 时，转换结果为8 位数据；当m o d e = ( ) 时，转换结果为1 2 位 数据。根据实际要求在此选择了m o d e = 0 。s e r d f r 是工作方式选择位， a d s 7 8 4 6 有两种工作方式，一种是单端输入，一种是差分输入，在测量一般的 坐标数据时，可以采用单端输入，但在需要避行压力测量的时候，则推荐使用 差分输入的工作模式，因为使用单端输入方式的话必须要有外部参考电压输入， 而且测量结果不如差分输入方式准确。p d i 和p d 0 则是用来控制内部参考电压 和模数转换器的开关。 表4 3 差分模式下测量通道的选择 2a 1a 0+ r e f舶fy -) 【+y +