（通信与信息系统专业论文）嵌入式网络化eas监控系统的研究和实现.pdf

摘要 随着信息化时代的来临，商品电子防盗( e l e c t r o n i c a r t i c l es u r v e i l l a n c e ， e a s ) 系统的网络互联己经成为必然的发展趋势。本文通过对当前嵌入式i n t e m e t 技术进行比较分析，在综合利用了数字信号处理技术、网络通信技术和嵌入式技 术的基础j 二，对嵌入式网络化e a s 监控系统进行了深入研究。 论文根据e a s 系统的市场需求，提出了网络化的嵌入式e a s 嗡控系统的设 计方案，并设计了嵌入式e a s 系统的硬件平台、软件系统及监控系统服务器软 件。在嵌入式e a s 系统的硬件平台的设计中，采用a r m 7 微处理器l p c 2 1 1 4 作 为系统的控制器，设计了门道检测器、现场显示、串行通信和i n t e m e t 接入等相 关电路。门道榆测器包括发射器和接收器，发射器产生并发送稳定、低频的标签 信号，接收器接收信号，将其调理后送入l p c 2 1 1 4 。其软件没计在对小波变换和 傅立叶变换进行分析比较后，实现了减小实数f f t 运算量的方法，使用了f f t 对标签信号进行频谱分析，提出了可靠的报警策略；系统移植了u l p ，并修改了 a r p 和u d p ，实现了i e 浏览及设嚣的功能。e a s 监控系统服务器软件的设计以 网络通信和数据库编程技术为基础，实现了系统监控、设备管理、数据套询和报 表打印等重要功能。 论文涉及到计算机应用、电路设计、数字信号处理和网络通信等多方面内 容。本文设计的系统不仅解决了当前e a s 系统中误报、漏报率高的问题，开发 了网络控制功能，实现了设备的网络化。本论文对嵌入式设备的网络接入技术和 远程监控方面有一定的参考价值。 关键词：e a s 、f f t 、协议栈、远程豁控、刚页浏览 a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go fi n f o r m a t i o ne r a , t oe n a b l et h ee a ss y s t e mb ec o n n e c t e d 、v i t h n e t w o r kh a sa l r e a d yb e c o m ei n e v i t a b l et r e n d t h i sp a p e rt h r o u g hc o m p a r i n gc u r r e n t e m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g y ，o nt h es y n t h e t i c a l l yu t i l i z i n go ft h et e c h n o l o g yo ft h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n de m b e d d e d ，t h ee m b e d d e d n e t w o r ke a ss u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e dd e e p l y i nt h i sp a p e r , t h er e l a t e dc o n t e n ta b o u tt h es y s t e mi ss t u d i e d ，a n dt h e m a r k e t s r e q u i r e m e n t sa l ea n a l y z e d ，a n dan e wd e s i g nb a s eo nt h ee m b e d d e dn e t w o r ke a s s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi sp r o m o t e d ，t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls o f t w a r eo fs e r v e r a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe m b e d d e de a ss y s t e mi si m p l e m e n t e da n dt e s t e d i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ea r m 7c p ul p c 2 11 4i su s e da n dt h ed o o rd e t e c t i n g m a c h i n e ，s h o wi nl o c a l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n di n t e m e tc o n n e c t e dp e r i p h e r a l c i r c u i ti sd e s i g n e d t h ed o o rd e t e c t i n gm a c h i n ei n c l u d i n ge m i t t e ra n dr e c e i v e r t h e e m i t t e rg e n e r a t e sl o w - f r e q u e n c ys t a b l eb u r g l a r p r o o fl a b e ls i g n a l ，t h er e c e i v e rr e c e i v e s t h es i g n a l ，s e n d si tt ot h el p c 2 11 4a f t e rp r o c e s s i n g i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，a f t e r c o m p a r i n gt h ew a v e l e ta n dt h ef o u r i e rt r a n s f o r m ，i m p l e m e n t i n gt h ew a yt or e d u c e t h er e a lf f to p e r a t i o nq u a n t i t ya n du s i n gf f tt oa n a l y z ef r e q u e n c yc h a r t , b r i n g s f o r w a r dar e l i a b l ew a r n i n gs t r a t e g y ；e x p l a n t st h eu l ps u c c e s s f u l l y , m o d i f i e st h ea r p a n du d pa n di m p l e m e n t st h eb r o w s e a n ds e t t i n gf u n c t i o nb yi ee x p l o r e r t h e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls o f t w a r eo fs e r v e rb a s e do nd a t a b a s ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n h a st h ef u n c t i o no fs y s t e mc o n t r o l ，d e v i c e sm a n a g e m e n t ，d a t aq u e r ya n dr e p o r t p r i n t i n ga n d s oo n t h ef i e l d so ft h ep a p e ri n v o l v ec o m p u t e ra p p l i c a t i o n s ，c i r c u i td e s i g n e d 。d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n ga n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，t h ed e s i g no ft h i ss y s t e mn o to n l y s o l v e st h eh i g hr a t eo f m i s - a l a r ma n dl a c k a l a r me x i s t si nc u r r e n te a ss y s t e m o nt h e b a s ea b o v ean e t w o r kc o n t r o l ，w h i c hh a st h ef u n c t i o no fe m b e d d e dw e bs e r v e ra n d a p ii n t e r f a c ei s d e v e l o p e dt or e a l i z en e t w o r ki n s t r u m e n t o v e ra l l t h ep a p e rh a s r e f e r e n c e dv a l u et or e s e a r c ht h en e t w o r ki n s t r u m e n t ，e m b e d d e de q u i p m e n ta n dr e m o t e m o n i t o r i n g k e y w o r d ：e a s ；f f t ：p r o t o c o ls t a c k ；r e m o t em o n i t o r i n g ；e x p l o r e rb r o w s e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：龈强 学位论文使用授权说明 刎年了月z z 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：暹区巍弘m 7 年歹月z z 日 河海大学颀1 论文嵌入_ ：【i = 嘲络化e a s 降系统的研究勺实现 第一章绪论 1 1 嵌入式网络化e a s 监控系统研究背景 商品电子防盗( e l e c t r o n i ca r t i c l es u r v e i l l a n c e ，e a s ) 系统是目前大型零售行业 广泛采用的商品安全措施之一。随着开架售货的方式现已逐渐被广大商家认淡并接受， 并且在中国市场的应用日趋广泛，对商品的科学管理以及应用高科技手段防止商品丢 失的需求也相应地越来越突出，如何防止商品被窃以及保护商场、书店的安全已受到 越来越多零售商的关注。e a s 系统一改传统的人盯人等方式，融合l 计算机技术、通 信技术和自动化技术等，辅以卓有成效的管理，对防止商品丢失、提高经济效益有着 至关重要的作用i lj 。 由于在减少商品丢失、精简人员、降低经营成本、提高企业形象和竞争力等方面 具有显著成效，e a s 系统的应用领域也从最初的服装行业扩展到百货、超市、图书馆 等各种行业。e a s 系统重在对物品本身的保护和有效的管理，而并非对人的监控与惩 罚，为我们创造了一个轻松愉悦的挑选环境，在众多的电子防盗产品中，e a s 系统是 目前最为有效的商品防盗设施【2 l 。 本课题主要以高校图书馆为应用场合，不同的应用场合往往有着不同的应用需求。 高等院校图书馆是师生获取知识的殿堂，e a s 系统可以加强安全管理，提高图书馆管 理效率。 1 2e a s 系统的研究现状 目前困内外对e a s 系统的研究主要涉及以下两个方面：应用的检测信号方式和信 号的处理方式。 e a s 系统以其应用的检测信号方式来分，可分为无线电系统、电磁波系统、分频 系统、声磁系统和谐波系统等。 1 ) 无线电系统( r a d i of r e q u e n c yr f ) 它采用无线电波作为发射接收信号，该系统最大优点是系统成本低、安装方便， 缺点是易受环境二f 扰，常常会出现自鸣现象，所以有些系统安装了红外线装置，相当 于加装了一个电动开关，只有当人员通过系统，阻挡了红外线，系统才开始工作，没 有人通过时，系统处于待机状态。无线电系统广泛用于国内各大超市。 2 ) 电磁波系统( e l e c t r o m a g n e t i cs y s t e m l 采用电磁波作为检测信号，该系统成本高，也易受到环境的干扰，特别是磁性介 质以及电源的干扰，对系统性能的影响比较大。 3 ) 声磁系统( a c n s t om a g n e t i cs y s t e m ) 声磁系统是利用两种金属薄片在交变磁场作用下机械振动，通过磁机械耦合 ( m m c ) 产生应答信号 3 1 1 4 1 ；固定在商品t 的声磁系统标签进入系统的检测区域时，会 河海大学硕l ：论文嵌入式嘲络化e a s 崎拧系统的研究与实现 产生共振。接收器收到连续四次的共振信号后，才发 h 报警。系统配合智能技术，由 微机控制、软件驱动，对周围环境噪声自动检测，因而能够很好适应环境，有较好的 抗环境干扰能力。但它的软标签有一定厚度，对有定弧度的产品保护功能受限。 4 ) 谐波系统( e l e c t r o m a g n e t i cs y s t e m ) 谐波系统( e l e c t r o m a g n e t i cs y s t e m ) 是利用磁条标签的b a r l d a a u s e n 效应进行检测报 警，工作频段为5 0 h z 到2 0 k h z 。磁条标签为一条由铁，钻，镍等铁磁性材料用急淬冷 工艺制成的金属玻璃合金( m e t a l l i cg l a s sa l l o y s ) 。当激励磁场强度达到钉扎闷值时，磁 条标签内的磁畴急剧扩张，导致磁条标签总的磁感应强度突然增大，从而使接收线圈 中的磁通量产生突变【5 1 。谐波系统可以用充、消磁仪对磁条标签进行充磁，消磁操作， 适合在高校图书馆中使用。 e a s 系统以信号的处理方式来分可分为模拟技术和数字技术两种。 1 ) 模拟技术( a n a l o gt e c h n i q u e ) 将采集到的模拟信号通过模拟电路滤波，得到所需频率的大小，然后通过比较器 进行判别。缺点足易受外界环境干扰，误报率高。 2 ) 数字技术( d i g i t a lt e c h n i q u e ) 将采集到的模拟信号进行a d 转换变成数字信号，再经过处理器处理后，便川 用其判断是否有标签通过检测区域。数字信号处理( d s p ) 技术具有速度快、抗一f 二扰能力 强、运算精确等特点，采用d s p 技术的e a s 系统，性能更加可靠、处理速度更快i “、 对标签的辨识更加准确。 目前，高校图书馆中使用的e a s 系统多是i 旨波系统，以模拟技术分析居多。但基 于模拟技术的谐波系统普遍存在下列问题：容易受到各种电磁场的于扰，尤其在检测 门距离较大时，因电磁场干扰导致误报、漏报较多，灵敏度低；监控系统功能彳i 强； 网络支持不够等。本课题设计了一个基于数字信号分析技术的、具有网络接口的、误 报漏报率低的谐波e a s 系统。 1 3 课题研究的意义 过去的几年中国的零售业取得了非凡的成就，而未来相当长的时间内还会保持高 速度的增长。作为零售业硬件之一的e a s 产业，在未柬将会有较大的市场空间。目前 中国e a s 产业主要集中在经济发达地区，广大内地应用还很有限，随着中国圈民经济 的快速增长，随着人们对e a s 的认识逐渐深入，其在内地市场的应用将越来越广泛， 并且je a s 必将突破现在主要应用在大型超市、图书馆的局面，向小型专卖店、百货 商场、音响店、书店及厂矿企业重点部门等领域迅速扩张。因此，嵌入式网络化e a s 系统的研究具有深远的意义： 1 ) 通过数字信号处理技术，可以大大降低误报、漏报率。 2 ) 用户能够远程监控设备，多个用户也能同时对同一个设备进行监控。 3 ) 一台主机可以实时监控多个设备。 河海大学硕i ：论丈嵌入式嘲络化e a s 嗡控系统的研究与实现 1 4 课题研究的主要内容 本课题以高校图书馆e a s 系统为研究背景，主要研究以下几方面内容： 1 4 1 标签信号处理 通过比较小波变换和傅立叶变换在分析信号方面的不同特点，选择快速傅立叶变 换( f f t ) 对标签信号进行频谱分析，完成f f t 的算法，并实现了减小f f t 运算量的 算法。 1 4 2 基于i n t e r n e t 的嵌入式e a s 系统的硬件设计 1 ) e a s 系统的发射器和接收器的设计 发射器首先产生4 0 k h z 信号，经分频、滤波，放大后，将信号发射；接收器接收 信号，经滤波、放大后，将模拟信号送至微处理器。 2 ) 网络化e a s 系统的嵌入式网络控制器的开发 嵌入式网络控制器为网络接入组成部分，j i ：发主要包括构建嵌入式网络控制器硬 件平台，使用基于a r m 7 核的微控制器作为系统的c p u ，研究a r m 微处理器的工作 原理和控制方法，并且根据嵌入式设备的特点和协议子集简化的思想，在移植u l p 的 基础上实现的i n t e m e t 接入功能，在系统中实现了i e 浏览及设置的功能。用户只需使 用i e 浏览器，在提供网络的环境中即能访问网络控制器，避免了使用专用的管理软件， 提高了设备的易用性，从而方便地进行了统一管理。 1 4 3 监控管理软件的设计 监控软件有以下两种方式： 1 ) b s ( 担w j 览器服务器) 结构模式 嵌入式网络控制器具有w e bs e r v e r 功能，在具有i n t e m e t 接入的场合，用户只需 使用m 浏览器即可对设备内部网页进行访问，动态监控各设备的工作状态。 2 ) c s ( 客户机服务器) 结构模式 系统采用d e l p h i 语言编程，完成数据采集、查询及报表生成等功能，并向第三方 程序提供接口，方便资源共享，最终生成运行稳定可靠的应用系统。 1 5 论文的组织 本文内容共分七章。第一章是绪论，简要介绍了课题的研究背景、意义、现状以 及主要研究内容等；第二章在需求分析的基础上提出了网络化e a s 系统的总体设计： 第三章是关于网络化e a s 系统的硬件平台的构建；第四章实现了标签信号频谱分析及 报警策略；第五章是有关网络化e a s 系统i n t e m e t 接入的研究与实现，并介绍其应用； 第六章介绍了监控管理软件的实现；第七章是系统测试，对系统的重要性能进行了测 试；第八章对本课题的研究进行了总结并展望了下一步的研究工作。 河海大学硕i ：论文嵌入式f i ；j 络化e a s 蜍拧系统的研究1 实现 本章小结 本章介绍了基于以太网的嵌入式e a s 系统的应用背景、研究现状及本课题研究的 主要内容。 河海太学硕 论文嵌入州络化e a s 陉系统的研究j 实现 第二章网络化e a s 系统总体设计 目前国内市场上有许多种e a s 系统，但各种系统的性能质量良莠不齐，因此设计 一种稳定可靠、功能齐全、性能良好、经济实惠的e a s 系统不仅有一定的学术意义也 同样具有一定的市场价值。本章在进行需求分析后提出了嵌入式e a s 系统的总体设计 方案。 2 1 系统设计分析 本课题研究的嵌入式e a s 系统以高校图书馆为应用背景，相关技术刖推广应用剑 其他场合。 2 1 1 系统设计原则 1 ) 经济性与实用性 管理人员能对管理系统和防盗报警系统熟练使用，能利用防盗报警系统实时掌握 警情，充分考虑实际需要和信息技术发展趋势，根据现场环境，设计选用功能适合现 场情况、符合要求的系统配置方案，通过严密、有机的组合，实现晟佳的性能价格比， 以便节约投资，同对保证系统功能实施的需求，经济实用。 2 ) 可靠性与安全性 硬件选用先进、成熟、可靠的产品，软件均是良好的中文界面系统的设计应具 有较高的可靠性，能确保数据的准确性、完整性和一致性，在系统故障或事故造成中 断后，具备迅速恢复的功能，同时系统具有一整套完成的系统管理策略，可以保证系 统的运行安全。 3 ) 可扩充性 系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。 并根据今后实际要求扩展系统功能，同时，本方案在设计中尉有冗余，以满足今后的 发展要求。部件化、模块化和层次化的系统规划设计，为正常使用和故障检测带来极 大的方便。 4 ) 追求最优化的系统设备配置 在满足功能、质景和性能等各方面要求的前提下，追求最优化的系统设备配置， 以尽量降低系统造价。 2 1 2 系统功能目标 1 ) 提供e t h e m e t 网络接口 系统具有e t h e m e t 网络接口，该接由网络控制器实现。网络接口内嵌t c p i p 应 用层协议，为监控系统等应用程序的开发提供相应的a p i 接口，实现网络的互联。 2 ) 能准确及时地判别私自携书者 系统能够及时地发现私自携书者，把误报、漏报率减小到最低，并且迅速报警。 河海大学硕i 。论文 嵌入式稠络化e a sl 般障系统的研究t j 实现 本系统设计了两种报警方式：扬声器发报警信号和红灯闪烁报警，临控程序可实时豁 测到报警信息。 3 ) 系统具有较好的数据处理能力和管理功能 系统具有较好的数据处理能力是指对e a s 系统进行检测，对报警信息进行查询， 包括设备号、时问等，能根据需要方便地生成报表。系统具有较好地管理功能是指可 建立、增加和删除监控对象及管理操作人员；控制监控对象时，设备管理人员需要输 入登陆密码，只有通过认证的合法人员爿。能登陆系统进行操作。 4 ) 系统具有可拓展性 系统的硬件设计和软件使用模块化结构，具有较大的灵活性和可拓展性，以适应 将来监控网络容量的扩充或监控对象的改变，也便于以后系统的升级。 2 2 系统的总体结构设计 根据以上的系统需求分析和功能设计，本课题将计算机技术、通信技术和网络技 术融为一体，构建了一个网络化的，模块化的e a s 监控系统，在进行系统总体设计时 结合考虑到系统的可实现性、可靠性、可操作性、可拓展性和性价比。 本系统的总体设计结构图如图2 1 所示。 e a s 系 统 t 画 监控管理软件 户鼐。， 舻引跹 图2 1 嵌入式网络化e a s l i 控系统的总体设计结构图 由系统结构图可以看出本系统主要有吣部分组成： 】1 发射器与接收器的设计 发射器将4 0 k h z 方波信号进行分频、滤波，得到低频、稳定的正弦波，将其发大 后发射出去。接收器将接收到的信号滤波、放大，送到l p c 2 1 1 4 进行频谱分析。 2 ) 嵌入式网络控制器 l 河海人学硕_ i = 论史嵌入式嘲络化e a si 剜空系统的研究j 实现 该控制器为网络化e a s 系统的网络接口，完成网络的接入功能。外部网络通过控 制器的以太网接口与控制器通信，从而达到对e a s 系统监控的目的。各控制器与交换 机相连接，再连接到路由器构成不同的子网。 3 ) 嵌入式网页浏览及设置功能的实现 嵌入式网页浏览功能的实现是以在嵌入式网络控制器星实现t c p i p 协议栈为基 础的。接入以太网的客户机通过i e 浏览器对监控设备进行监控和参数设置。 4 ) 监控管理软件 主要完成数据采集、数据处理、数据查询及显示、报表牛成和维护管理员操作等 功能；可根据需求进行软件升级等功能，方便资源管理，最终生成稳定可靠的应用系 统。 本章小结 本章对嵌入式网络化e a s 监控系统的设计进行了详细分析，介绍了系统的总体结 构设计。 河海大学颇i 二论文嵌入式嘲络化e a s 峨控系统的研究4 ，实现 第三章网络化e a s 系统硬件设计 根据前一章中的设计方案提出的功髓要求，设计了一种基于a r m 微控制器的e a s 系统硬件平台。 3 1 硬件方案的总体设计 3 1 1 设计原则 为保证系统的稳定运行和及其扩展的需要，嵌入式e a s 控制器硬件设计应遵循如 下几条原则： 1 ) 硬件电路采用标准化、模块化设计； 2 ) 硬件结构和软件方案应统筹考虑，这两部分的设计是互相关联、密不可分的， 硬件的处理能力和存储容量能满足软件运行的需要： 3 ) 输入输出旺适当留有余地，便于进行二次开发。 3 1 2 硬件总体结构 根据上述设计原则及功能要求设计了嵌入式网络化e a s 系统的硬件平台。其硬件 结构图如图3 1 所示。 图3 1e a s 硬件总体结构图 e a s 的硬件是以l p c 2 1 1 4 为核心微处理器的电路设计，主要包括信号的发射与接 收、以太网接口、液晶显示接口、d 转换接口和串行接口等模块的电路设计。发射 器产生并发射正弦波信号，接收器接收信号，将其调理后送入l p c 2 11 4 进行a d 转换 并进行频谱分析，通过对信号频谱的分析可检测出是否有标签信号通过；液晶显示接 口模块可实时显示信号的频谱；串行接口模块将频谱分析结果发送到上位机，以便于 观察和计算；以太网接口模块的实现了系统的网络化。 河海大学颀l ：论文嵌入式阀络化e a s 瓶控系统的研究与实现 3 2l p c 2 1 1 4i o 口分配 p h i l l p s 公司的l p c 2 1 1 4 是基于一个支持灾时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i sc p u ，1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在 最大时钟速率下运行1 1 0 1 。a r m 7 t d m i s 为低功耗、高性价比的1 6 3 2 位r i s c 微处理 器，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合叫【j 2 】。l p c 2 1 1 4 主要片内外围功能模块 包括： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，超小l q f p 6 4 封装。 1 6k b 片内静念r a m 。 1 2 8 k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽度接t j j n 速器町实现高达6 0m h z 工 作频率。 4 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 p s 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 ，路输出) 、实 时时钟和看门狗。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0k b i t s ) 和2 个s p i 接口。 通过片内锁相环( p l l ) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 多达4 6 个通用l j o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断引 脚。 片内晶振频率范围；l 3 0m h z 。 双电源 - - c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( z 8v 士0 1 5v 1 - - i o 操作电压范围：3 肚3 6v ( 3 0v 士1 0 0 o ) ，可承受5 v 电压。 其部分引脚定义如表3 1 所示。 表3 1l p c 2 1 1 4 部分i o 引脚分配 引脚标志功能说明引脚标志功能说明 p 0 2 l - p 0 2 5 p 0 2 7 p o 2 9 j m l 2 8 6 4 数据线 p 0 3 0 ( a i n 3 )标签信号输入线 p 1 1 6 p 1 1 7j m l 2 8 6 4 控制线p 0 18 p o 2 0c s 8 9 0 0 地址线 p o 8 p o 1 5 c s 8 9 0 0 数据线 p 0 om a x 3 2 2 1 接收线 p o 1 6 p o 1 7c s 8 9 0 0 控制线p o 1发送线 3 3 信号的发射与接收模块 在谐波e a s 系统中，过高的频率会使磁条标签消磁，稳定的磁场有利于标签信号 的检测，因此发射器模块要产生一个低频、稳定的磁场。 9 河海大学硕i ：论文嵌入式网络化e a s 髓拄系统的研究j 实现 3 3 1 发射器模块的设计 该模块主要实现信号的产生与发射。信号的产生部分通过分频得到所需的低频检 测信号，这样可以减小外界干扰，使榆测信号的频率栩对稳定。初级方波信号的产生 选用计数器4 0 6 0 ，外接4 0 k h z 的晶振，输出为4 0 k h z 方波。浚信号通过分频器4 5 2 2 ， 实现5 分频，输出信号为8 k h z 方波。将该信号通过4 0 4 0 再次分频，输出即为较为稳 定的l k h z 方波。该部分电路如图3 2 所示。 1 5i 图3 21 k h z 方波产生电路图 该1 k h z 方波通j 2 立r 2 ，和g ，组成的r c 低通滤波器，将1 k h z 作为截止频率，根据 = 互鬲1 石，可算得马，= 5 1 k q ，c 1 9z o 0 3 3 f 。再将该信号经过一个跟随器后，再 通过一个二阶无限增益多路反馈低通滤波器，电路如图3 3 所示。 图3 3 二阶无限增益多路反馈低通滤波器电路图 1 0 河海足学硕 “论文嵌入式嘲络化e a s 峪控系统的研究 ；了实现 利用节点a 、n 列方程，同时考虑运算放大器的开环电压增益a o o ，叫以导出 名f s ) ：。_ 二墨d 垒6 一一一 一 c 2 3 c 2 0 如& ，s 。+ ( 是2 琏，+ 是。憋2 + 恐。7 ) g 萨，是6 + l 根据巴特沃思低通滤波器表，并选择c 2 ，= o 1 f ，c ：。= 0 0 1 f ，可算得 r 2 6 “2 8 q ，r 2 2z 1l k f 2 ，r 2 7z2 2 t q ，得到频率近似为l k h z 的正弦波。使用e w b 软件 对该电路进行仿真，当输入v 0 1 为l k h z 频率的方波时，v 0 2 的输出为频率近似为l k h z 的正弦波，仿真结果如图3 4 所示，其中红线为输入方波信号v 0 1 ，黑线为输出的信 号v 0 2 。 图3 4 对二阶无限增益多路反馈低通滤波器电路仿真结果 为了能够加大接收到的信号的强度，对u 5 a 的输出v 0 2 进行功率放大。该信号 与电容耦合后通过一个增益可调的积分电路，衰减高频噪声。然后通过一个推挽式互 补对称电路进行功率放大，将该信号通过电容耦合后由线圈发射1 3 1 。积分电路及推挽 式瓦补对称电路分别如图3 5 和如图3 6 所示。 河海大学硕上论文嵌入式阿络化e a s 监控系统的研究，实现 c 2 1 图35 积分滤波电路图 j 、7 3 图36 推挽式互补对称电路图 3 3 2 接收器模块的设计 由于接收到的信号很微弱，所以信号经过c ，耦合后需接入放大电路，因为本系统 2 河海大学硕t ：论文嵌入式i 叫络化e a s 峨控系统的研究实现 检测的频率不高，因此c 1 3 的值要比较大，选用c 1 3 = o 1 f 。l p c 2 1 1 4 的a d 转换器 的测量范围为：o 3 3 v ，因此需将信号加上偏置电压，使其幅值全部为正。偏嚣电压 的实现是将+ 5 v 分压，然后接入个跟随器。偏置电压生成电路如图3 7 所示。 图3 7 接收电路及偏置电压生成电路图 为了使信号满足a d 转换器测量范围，将其接入个增益可调的运算放大电路 - 5 v 1 0 k 图3 8 加偏置电压后信号放大电路图 河海火学硬i ：论文嵌入式网络化e a s 峪控系统的研究与实现 增益为：4 = l + i 等，其中r ：。可调。放大信号经过跟随器后进行a d 转换e 该 一6 十“2 0 部分电路如图3 8 所示。 3 4 网络通信接口模块 3 4 1 以太网控制器硬件结构 以太网的接口芯片选用c s 8 9 0 0 a c q 3 ，c s 8 9 0 0 为低功耗的以太网控制器，广泛 应用于：i ：= 控机中。该控制器具有高度集成的设计和简单总线接口的特点。内部功能模 块主要是8 0 2 3 介质访问控制块( m a c ) 。8 0 2 - 3 介质访问控制块支持全双工操作，它 负责处理有关以太网数据帧发送和接收，包括冲突检测，帧头产生和检测，c r c 校验 码的生成和验证。通过对发送控制寄存器( t k c m d ) 初始化配置，m a c 能自动完成 帧的冲突后重传。同时选用3 3 v 供电的c s 8 9 0 0 a c q 3 ，有利于和l p c 2 1 1 4 之间的电 平匹配。 ，c s 8 9 0 0 a 的接口电路如图3 9 所示。c s 8 9 0 0 a 有i o 模式，m e m o r y 模式和d m a 三种模式，其中后2 种模式处理速度快，但需要2 4 m 的内存映射，本系统对网络传 输速度没有特殊要求，因此采用默认的f o 模式即可满足系统要求。c s 8 9 0 0 a 的管脚 m e m w 和m e m r 被置高，以关闭m e m o r y 模式。l p c 2 11 4 通过s h b e ，i o w 和i o r 等控制信号线对c s 8 9 0 0 a 的工作方式进行控制设置和读写操作。c s 8 9 0 0 a 数据传输 千i 吨卜 j 6 0 1 r 1 0 。譬jl d 峰 【印f ” 。乩 _ 口产 f ，”嚣 几下一”野： 鹂 长譬 惭 障黼i 虬i 目咀种 忖 删。蚺陬。m 懈 辨鄯掰甜嘲i i l 鬻鬻鬻鬻缫麓鬻l l 蠡g 别揪嬲i i g ；剽鳓鳓；i i i l ；l 建l l l 遂蠹l r 型撕蝴黼2 8 ：8 = 0 t 黼叶 斗棒惭 i 。 。渊扩“掣“等； 昌吕目588 s 雌舡 珊d ，3= il 绷l l l g l 图3 9 c s 8 9 0 0 a 接口电路图 4 河海夫学预，l 论史嵌入式阿络化e a s 嶷控系统的哿f 究0 宴现 有8 位和1 6 位，芯片复位后默认为8 位，本设计采用1 6 位模式，由于c s 8 9 0 0 a 使用 8 个1 6 位的寄存器接收数据因此只需3 根地址线，c s 8 9 0 0a 0 接地。在访问之前必 须为总线高位使能管脚( s h b e ) 提供一个由高到低，再由低到高变化的电平脉冲信 号【1 4 1 1 ”1 。 3 4 2 以太网通信接口电路 c s 8 9 0 0 a 片内集成了一个1 0 m 的以太网收发器( 1 0 b a s e t ) ，其片内集成了所有 用于和局域网通信的模拟和数字电路，可通过一个隔离变压器t r c 2 0 2 3 直接和局域网 相连。可以用相似的设备替换这个器件，但是必须注意第和第二线圈之间的电压转 换速率。对于3 3 v 电源供电的情况下。发送电压转换速率必须是l ：1 2 5 ，接收电压 转换速率必须是1 ：l 。电阻r 4 0 用于连接两根接收线，电阻r 1 2 和r 1 3 与两根发送 线相连，用于阻抗匹配。如果使用一个可屏蔽的r j 4 5 连接器，隔离变压器与以太网之 间需加上两个电容( c 2 4 ，c 2 5 ) 。在这种情况下必须正确连接信号地。r j 4 5 为网络 接头，其可接1 0 m 或1 0 0 m 的网络集线器( h u b ) 。一个1 0 0 m b p s 的集线器如果侦测到 c s 8 9 0 0 a 以1 0 m b p s 的速率工作，它会自动地切换传输速率到1 0 m b p s 。t r c 2 0 2 3 与 r j 4 5 接口连接的电路如图3 1 0 所示。 r 4 0 1 0 0 r 1 2 82 rj3 c 5 1 一 一 - 6 0 t 7 7 j ij ， 图3 1 0t r c 2 0 2 3 与r j 4 5 接口连接电路图 3 5 串行接口模块 本系统要使用个串口来传送频谱信息，然后在上位机的软件t 显示出来，便于 调试。本模块设计了r s 2 3 2 接口电路，选用3 3 v 供电的m a x 3 2 2 1 作为r s 2 3 2 ：芯片， 其电路连接如图3 1l 所示。 河海大学碳_ i 论文嵌入式嘲络化e a s 晦柠系统的研究j 实现 图3 1 l 串口模块的电路连接图 3 6 液晶显示模块 本系统的需求是文字和图形信息同时显示，故选用了j m l 2 8 6 4 图形点阵液晶显 示器。它主要采用动态驱动原理由行驱动器、控制器和列驱动器三部分组成了1 2 8 ( 列) x 6 4 ( 行) 的全点阵液晶显示。此显示器采用了s m d 的硬封装方式，通过导电橡胶和 压框连接l c d ，可延长其使用寿命，并且连接可靠。j m l 2 8 6 4 工作电压为+ 3 3 v ，可自 带驱动l c d 所需的负电压，可完成图形、字符的显示；内部有显示数据锁存器和用于 文本显示的字符库；与c p u 接口采用8 位并行数据总线输入输出和5 条位控制总线， 其连接电路圈如图3 1 2 所示。 2 f g 3 g n d p 23 2 v c c p 2 4 35 v 0 p 25 4 ； 九矿r p 26 5 r d p 27 8 c e ，、量 c d n d b 01 0 ，r s t p 50 6d b o 1 2 , b 1 1 1 d b 0 p 5l 7d b l 1 2 , b 21 2 d b l p 52 8d b 2 _ 一 d b 31 3 d b 2 p 53 9d b 3 1 0 d b 41 4 d b 3 p 54 1 0d b 4 -_ d b 51 5 d b 4 p 55 l ld b 5 d b 61 6 d b 5 p 56 1 2d b 6 d b 7 1 7 d b 6 1 3d b 7 1 8 d b 7 p 57f s 1 9 l e d + 2 0 l e d = = 图3 1 2j m l 2 8 6 4 与l p c 2 1 1 4 连接电路图 1 6 河海人学顿t 一论文嵌入式嘲络他e a s 胨控系统的研究实现 本章小结 本章介绍了嵌入式e a s 系统的硬件设计，对以太网通信接口电路、串行接口电路 和液晶显示电路等做了详细的说明。 河海大学硕i ：论文l 耩入式刚络化e a s 崦控系统的研究，实现 第四章标签信号频谱分析的实现 标签信号经过a d 转换后，对其进行频谱分析，然后撤掘大量试验验证报警的正 确性，并将频谱显示出来。本章将详细阐述以_ j 二内容的实现方法。 4 1 标签信号采集的实现 根据b a r k h a u s e n 效应，非晶态铁磁体磁条标签在正弦交变的磁场作用下，会产生 频率与其相同的尖锐的脉冲信号，该脉冲信号具有丰富的频谱，这些频谱即为判断磁 场中是否存在磁条标签的依据【1 6 】。本课题中磁条标签产生的谐波频率主要在3 k 左右， 因此该系统设计的采样频率为8 k ，根据采样定理，可分析的信号最高频率为4 k ，满足 分析要求。使用l p c 2 11 4 进行a 仍转换需要f 确设置两个寄存器，分别是： a d c r ：a d 控制寄存器。a d 转换开始前，必须写入a d c r 寄存器来选择j ： 作模式。 a d d r ：a d 数据寄存器。该寄存器包含a d c 的d o n e 标志位和1 0 位的转换 结果( 当d o n e 位为1 时，转换结果考是有效的) 。 数据采集部分程序如下： p i n s e l l = 0 x 1 0 0 0 0 0 0 0 ；将p o 3 0 设置为a i n 3 产进行a d c 模块设置，其中x n 表示第n 位设置为x ( 若x 超过一化，则向高位 顺延、+ a d c r = ( 1 3 )lh s e l = 1 ，选择通道0 ( ( f p c l k 1 0 0 0 0 0 0 1 ) 8 )f转换时钟为1 m h z ( o 1 6 )1b u r s t = 0 ，软件控制转换工作 ( o 1 7 )c l k s = 0 使用1 l c l o c k 转换 ( 1 2 1 )n p d n = 1 ，正常工作模式 ( 0 2 2 )lh t e s t l ：o = 0 0 ，正常工作模式 ( 1 2 4 )| h s t a r t = 1 ，直接启动a d c 转换 ( 0 0 口三 口 等效的频域表示式为： 厂- 喝o ，r ) = _ - q gf f ( w ) p7 刑y ( 口w ) 加， z t ； 式中f ( w ) 和( w ) 分别是x ( t ) 和p ( f ) 的傅立叶变换。 2 ) 小波变换在频谱分析上的应用 小波变换在频谱分析上的应用就是将数字信号分别与小波所对应的高频与低频滤 波器做卷积，求出该信号的低频与高频部分。传统的m a u a t 算法可以将低频部分不断 分解，而高频部分不做处理，其缺陷是高频部分分辨率不高。小波包是小波概念的推 j “，它不但将低频部分分解，而且也将高频部分分解，