（生物医学工程专业论文）基于dsp的射频eas系统的设计与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n ti nd e f e n d i n gt h e f t ，e l e c t r o n i ca r t i c l e s u r v e i l l a n c e ( e a s ) s y s t e ma r ee x t e n s i v e l ya p p l i e di ns u p e r m a r k e t b e c a u s eo ft h e m e r i t so fs i m p l ep r i n c i p l e ，l o w e rc o s te t c ，r a d i of r e q u e n c ye a ss y s t e m sa r e w e l c o m e db ym o s tp e o p l e t h r o u g ht h e s e v e r a ld e c a d e s d e v e l o p m e n to fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i th a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c c e s s f u l l y t h e s y s t e mu s i n gt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rh a sb e c o m eat r e n di nd e s i g n i n gs u c hk i n d o fd e v i c e o nt h eb a s i co ft h ed e s c r i p t i o n so ft h em a i nc o n f i g u r a t i o na n dt h ep r i n c i p l e so f t h ee 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 es y s t e m ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dak i n do fd e s i g n m e t h o do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nr a d i of r e q u e n c ye a ss y s t e mb a s e do nt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y o nt h ea s p e c to fh a r d w a r ec i r c u i t ，i ti sm a d eo ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r t h e t r a n s m i t t e ri n c l u d e s s w e e p i n gf r e q u e n c ys i g n a ls o u r c e ，b r o a d b a n da m p l i f i e r , l l i g h - f r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e ra n do u t p u ti m p e d a n c em a t c h i n gn e t w o r k a m o n g t h e m ，w ep r o p o s ean e wd i g i t a lw a yt od e s i g ns w e e p i n gf r e q u e n c ys i g n a ls o u r c e ， w h i c hw eu s ead i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e rt oo u t p u ts w e e p i n gf r e q u e n c ys i g n a l c o n t r o l l e db yd s p t h er e c e i v e ri n c l u d e se n l a r g i n gm a g n i t u d e ，s e l e c t i n gf r e q u e n c y , m a g n i t u d ed e m o d u l a t i o n ，w a v e f o r mc o n v e r s i o n ，f r e q u e n c yd e m o d u l a t i o n ，p u l s e s h a p i n g , c o r es y s t e m o fd s p ，e x t e r n a l d i s p l a y a n d c o n t r o l l i n g c i r c u i t s t m s 3 2 0 f 2 812w i l lb ec h o s e na st h em a i nc e n t e rp r o c e s s o rw h i c hw i l lb ei nc h a r g e o fp r o c e s s i n gt a gs i g n a l a tt h es a m et i m e ，t h ee m b e d d e da dm o d u l ei su s e dt o a c q u i r i n gt a gs i g n a l b e c a u s eo ft h es y s t e mh a r d w a r e ，t h ef u n c t i o no fs y s t e mi s r a i s e d ，t h ep r i c eo fs y s t e mc u td o w n ，t h es p e e do fs y s t e mi n c r e a s e d w i t hr e g a r dt ot h es o f t w a r ed e s i g n , t h es o f t w a r eo ft r a n s m i t t e ri n c l u d i n gm a i n p r o g r a ma n ds u b p r o g r a ma r eu s e dt os e n dd a t af r o ms p io ft m s 3 2 0 f 2 8 12t od d s v i 上海人学硕士学位论文 a n dm a k ed d so u t p u th i g h - p r e c i s i o ns w e e p i n gf r e q u e n c ys i g n a l ，w h o s ec y c l ei s a l w a y sc h a n g e a b l e t h es o f t w a r eo fr e c e i v e ri n c l u d i n gm a i np r o g r a ma n di n t e r r u p t r e s p o n s ep r o c e d u r e sm a i n l yc o m p l e t ew o r ks u c ha ss y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，i n t e r r u p t s a m p l i n g , i d e n t i f y i n gt a gs i g n a l ，s o u n da n dl i g h ta l a r m i n g ，e x t e r n a ld i s p l a ya n ds oo n w i t hr e g a r dt oa l g o r i t h m st oi d e n t i f yt a g s ，s o m em e t h o d sa l eu s e ds u c ha si m p r o v e d a u t o - c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d ，p o w e rs p e c t r u ma n a l y s i s ，a sw e l la sp e a k d e t e c t i o nm e t h o d t h e s em e t h o d sr e a l i z er a p i da n da c c u r a t ei d e n t i f i c a t i o no ft a g s i g n a l t h em a i np r o g r a mu s e s t h ecl a n g u a g e ，w h i c hi s a d v a n t a g e o u s f o rt h e r e a d a b i l i t ya n dt r a n s p o r t a b i l i t y i na d d i t i o n ，t h et h e s i ss u mu pe x p e r i e n c eo np c b d e s i g n i n gw h i c hg e tf r o mt h e p r o j e c t ，a n ds y s t e mw a st e s t e d f i n a l l y , t h ew o r ko ft h ew h o l et h e s i sw a ss u m m e du p ， a n dw et a k eal o o ka tt h en e x ts t e pi nt h er e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：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 ) ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ：d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ( d d s ) ；l a b e l s t a g s ；s e l f - r e l a t i o nc o e f f i c i e n t v u 原创性声明 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。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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：鹚兰亟日期：塑：之：! ? 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：埘弓， 上海大学硕上学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着全球经济的迅速发展和人们生活水平的提高，传统零售业以柜台销售 为主的销售模式逐渐被开架销售这种崭新的模式所代替，开架销售实现了商品 与顾客的“零距离接触，为顾客创造了一个轻松愉悦的购物环境，极大地刺 激了顾客的购物欲望，从而提高了商品销售量。开架经营模式具有统一管理、 方便顾客等优点，但也增加了商品被窃的可能性。根据国际零售保安协会最近 的统计资料显示，全球零售业每年因商品损耗所造成的金额损失约占总体营业 额的1 7 ，其中4 2 属于内盗、3 8 属于外盗，只有2 0 才是来自管理的失误。 而在国内，零售业商品被盗问题也非常严重。零售业利润薄、消耗高，如何防 损，特别是防止因失窃所造成的损失，对零售业而言就显得至关重要。为了降 低损失，增强竞争力和抵御风险的能力，就需要将先进、实用的管理手段与技 术手段结合起来，进行综合应用。而在技术手段中，对零售业而言最为重要的 技术手段之一，就是电子商品防盗( 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 ，简称e a s ) 系统。 e a s 系统是一种电子装置，它用电子技术手段赋予商品一种自卫能力，即 一旦有人企图不付款而将商品带出商场外，它便会通知系统，发出报警。让偷 盗者昭然于众，这从根本上改变了以往一切防盗系统都停留在被动状态的监控 防盗上，使防盗措施落实到每件商品上。【1 】 在过去的十几年里，中国的零售业取得了非凡的成就，e a s 系统在国内也 得到了长足的发展，而且在未来相当长的时间内还会有很大的发展空间。目前 中国e a s 产业主要集中在经济发达地区，在内地的应用还很有限，随着中国国 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。 e a s 是一种特殊的射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f y ，简称r f i d ) 系统， 只有1 比特数据量，即只包含有标签和无标签两种状态。多比特r f i d 系统有 上海人学硕士学位论文 纠错编码能力，但e a s 系统没有。所以e a s 系统一直以来存在着一些不足。 例如：检测灵敏度不够高；检测距离短；容易受到干扰，误报率高等。本文就 是要研究基于d s p 的射频e a s 系统，通过先进的数字信号处理技术来解决现 有射频e a s 系统存在的问题。 1 2 射频e a s 系统的发展 e a s 系统经过4 0 多年的发展，已由早期的单一原理单一产品发展到现在 不同原理品种繁多的局面，适应不同场合的需要。如果对e a s 系统从保护形式 上加以细分，可分为立式系统、隐蔽式系统和通道式系统。如果以其运用的检 测信号方式来区分，大致可分为射频系统、声磁系统、电磁波系统、微波系统、 分频系统、智慧型系统【2 】【3 】【4 】【5 1 。其中射频e a s 系统成本低，安装方便，在全球 e a s 系统市场中占主要份额。 我们按射频e a s 系统的发展过程将其归纳为以下三类：【6 】【7 】 1 模拟机型 早期的射频e a s 系统采用纯模拟电路设计发射调制、接收、放大解调、信 号变换、峰值检测和报警电路。其检测机理为：将天线附近的示踪标签( 相当 一谐振电路) 谐振时发出的电磁场信号进行接收、放大、解调、处理、识别， 当检测到的信号强度超过某一阈值时发出报警。模拟式e a s 系统的典型特征是 发射机采用r c 振荡单元作为低频调制器，没有跳频功能。接收机对信号进行 响应幅度、脉冲周期、脉冲宽度的判断，符合条件就开始矢量累计直至报警。 模拟式e a s 系统由于只检测标签信号的幅度，出现漏报率高、误报率高、 调试繁琐等缺点，而且电磁场的干扰和过低的信噪比会严重影响电路的正常工 作。 2 基于单片机的数字机型 以单片机为核心，辅以a d 转换器的数字式e a s 系统已经占据市场的主导 地位，相对于模拟系统而言，数字系统具有检测灵敏度高、响应速度较快的特 点。数字机型e a s 系统采用单片机作为接收电路的核心处理器，对变换后的接 收信号进行a d 采样，然后单片机用简单算法对数字化后的数据进行判断。由 2 上海大学硕上学位论文 于a d 采样的速度较快，并且可以通过多个采样周期来进行判断，因此大幅度 减少了漏报和误报。尽管如此，由于受单片机运算速度和处理数据能力的限制， 以单片机为核心的数字式e a s 系统响应速度难以达到较高的要求，而且标签识 别的算法比较简单，整个系统在环境干扰比较大的情况下也会发生漏报和误报。 3 基于d s p 的智能机型 智能机型的典型特征在于采用先进的数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，简称d s p ) 进行数据处理，提高了标签的检测速度，同时利用强大 的软件对数字信号进行拟人化分析，实现智能化，大大降低了误报率；运用自 动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，简称a g c ) 技术和自适应抗干扰技术， 能够更好抑制谐杂波的干扰，使系统具有良好的同步降噪及动态噪声抑制功能； 采用软件和硬件相结合的数字滤波技术，更好地抑制同频、金属车、手抓、电 火花等引起的干扰；采用数字调制发射技术，发射稳定的、精确的无线电调制 信号，提高了系统的稳定性；采用独特的l e d 显示技术，开机自检、程序加载、 身份信息识别码等逐个表示出来：软件针对软标签和硬标签q 值差异，设计了 不同加权运算法则，使检测效果更精确。 2 0 世纪6 0 年代，美国出现了第一套e a s 系统。最初应用于服装行业，随 后，应用领域逐渐扩展到百货、超市、图书等行业，尤其在大型超市的应用得 到充分的开发，其专业的防盗作用已为众多的零售商所共识。1 9 7 9 年，上海某 商厦首次使用e a s 系统，从1 9 9 2 年开始，北京、上海、广州、深圳等商业发 达地区的商场开始陆续安装e a s 系统。从无到有，历经近4 0 多年的发展，e a s 系统已被中国市场普遍接受。 e a s 系统可以同i n t c r n e t 、计算机网络、分布式系统、以及大型数据库技术 结合起来，完成从生产企业、大型超市到消费者的自动化管理，使人们生活中 的购物活动更加自由方便。 随着芯片设计技术的日臻成熟，专用的芯片设计变得越来越普遍，e a s 系 统与芯片设计结合起来是一种发展方向。另外，在射频部分采用数字化方案， 实现数字调制解调，可从根本上解决e a s 系统抗干扰的问题，这就是通常我们 所说的r f i d 技术。r f i d 是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动 3 上海人学硕士学位论文 识别目标对象并获取相关数据，相对于e a s 系统对偷盗现象发生之后进行阻 止，r f i d 的出现可以真正实现实时监控商品的异样情况，对问题的发生进行预 测。r f i d 的诸多功能使得这种技术的应用前景非常广泛，但目前仍有些因素制 约着r f i d 的广泛应用，一是成本居高不下，虽然使用r f i d 将为客户带来高回 报，但过高的一次性前期投入仍将是阻碍企业选择的重要因素。另外，由于没 有统一的标准，致使部分r f i d 功能无法充分发挥。虽然r f i d 的应用暂时遇到 了阻碍，但r f i d 采用的技术方法可以为e a s 系统设计提供借鉴。i s - 2 0 】 1 3 国内外研究现状 国内外关于e a s 系统研究发表的论文都比较少。国外主要研究一些辐射防 护和安全方面的问题。j a m e sv a n d e r p o o l 研究了e a s 系统的种类，工作原理， 对植入体内的医学设备产生干扰的可能性以及所采取的安全措施【2 l 】。d s m i t h 利用e a s 系统设计了一个轮胎压力检测器【2 2 1 。g a n gk a n g 和o mp g a n d h i 用国 际非电离辐射防护委员会和i e e e 提出的两种方法计算了e a s 系统的磁场在人 体各种组织中引起的感应电流密度和电场2 3 1 。 由于国内研究e a s 系统的大多是和e a s 系统制造厂商合作的高校，所以 国内的论文偏重于实际应用，主要是e a s 检测器特别是接收器的性能提高和标 签识别算法的改进。 国内研究e a s 系统性能提高的文献主要研究以a t 8 9 c 5 1 单片机【2 4 1 ，p i c 单片机【2 5 1 ，a r m 2 6 】和d s p 芯片【6 】【7 】【2 7 】【2 8 1 为核心的接收器，也有针对发射器扫频 信号源的研究 2 9 1 。其它的文献都是对标签处理识别算法的研究，有将神经网络 算法引进到标签识别中来的尝试【3 0 】，也有将伪随机码用于e a s 系统的设想【3 1 1 。 郑州大学信息工程学院一直在e a s 系统以及r f i d 方面与深圳普诺玛商业安全 设备有限公司合作，除了在硬件方面的改进，他们采用的基于自相关函数绝对 均方差的信号识别算法相对于单片机的简单处理算法而言，优势非常明显，检 测率大幅度提高，误报也大大减少。 4 上海大学硕士学位论文 1 4 本文的主要内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担和企业合作的课题的工作为基础， 主要完成基于d s p 的射频e a s 系统软硬件的设计和实现。论文主要内容如下t 第一章阐述了课题研究的背景、意义、射频e a s 系统的发展和国内外研究 的现状； 第二章阐述了射频e a s 系统的工作原理，分析了标签特性，在此基础上给 出了系统的总体设计方案和主要技术指标； 第三章在分析系统数字部分需求的基础上确定了d s p 的型号，并介绍了 d s p 核心系统的设计和系统开发工具； 第四章介绍了发射器的软硬件设计； 第五章介绍了接收器的软硬件设计； 第六章总结了在本次硬件电路设计中积累的印刷电路板的处理经验，并对 系统进行了测试； 第七章总结了全文的工作并展望了下一步的研究工作。 上海大学硕上学位论文 第二章基于d s p 的射频e a s 系统的工作 原理及总体设计 2 1 射频e a s 系统概述 2 1 1 射频e a s 系统组成 射频e a s 系统由三个部分组成：检测装置、示踪标签、解码系统。【6 】 1 检测装置：一般由发射器和接收器两部分组成，集检测、微机处理、声 光报警于一体，其结构图如图2 1 所示。 发射接收 天线天线 if 发射器 射频电磁场 il 接收器 图2 1 检测装置结构图 2 示踪标签( l a b e l s t a g s ) ：主要分为硬标签和软标签两种。 硬标签可以重复使用，它是在圆形塑料壳内将一导线绕制成圆形环，在导 线的两端焊接瓷片电容，构成l c 谐振电路。它主要用于服装、箱包、鞋帽等 软表面商品，且必须与专用开锁器配套使用。 软标签是一次性使用的，它是在4 4 的不干胶载体上，腐蚀上多圈铜箔条， 构成电感器，用特殊的激光工艺打上可被一定能量击穿的电容，组成l c 谐振电 路，它主要用于硬表面的商品，通过专用的解码器才能使其失效。【3 2 】 3 解码系统：包括开锁器和解码器( 含解码板) 。 开锁器用于解除硬标签，是快速、方便、简单地将各种硬标签取下的装置， 这种装置不损坏硬标签。 6 上海大学硕上学位论文 解码器是使软标签失效的装置，通过在解码器内产生一个高压脉冲信号， 使软标签内的电容击穿，从而使软标签失效。 2 1 2 射频e a s 系统工作原理 常见的射频e a s 系统标签的谐振频率为8 2 m h z 。射频e a s 系统工作时， 发射器在8 2 + 0 5 m h z 的范围内产生周期变化的扫频信号，并在高频天线周围产 生射频电磁场。如果有标签存在于检测区，则在每个变化周期内，标签里的l c 振荡回路都会发生共振，产生扰乱信号。接收器通过天线接收发射信号，并对 其进行检波，同时作相应的波形变换，最终通过处理器判断是否有由标签引起 的波形变化。如果判断为标签信号，发出声光报警；否则，不予报警。 购完物的顾客在收银台付款后，收银员用专用的开锁器或解码器将其所购 商品上的标签取下或解码使其失效；如果顾客没有付款，未拔除的硬标签或未 经解码的软标签会引起检测通道内电磁场的变化，该变化被接收机检测出来并 发出报警，拦截商品出门。 7 1 2 2 标签特性分析 为便于提取和识别感应信号，我们对标签通过门道时产生的标签信号进行 特征分析。【6 】【3 3 】 当标签通过商场的出口通道处时，由于发射器和接收器之间射频电磁场的 作用，接收的信号波形会发生变化。通过鉴别接收信号的波形特征就可以判断 是否有标签通过。通常在一个周期中标签所在的频点被扫到两次，因此在环境 比较好的情况下，一个周期中将出现两个比较大的波形峰值。图2 2 为正常环 境下，无标签通过门道和有标签通过门道时的标签信号波形。 由于扫描信号是正弦波，具有周期性和对称性，所以标签信号也具有周期 性和对称性。由于标签具有固定的谐振频率，所以标签信号的出现符合一定的 时序性。判断标签信号主要有以下几条依据： ( 1 ) 强度 标签信号的电压强度v 应满足v v t 。v t 为门限电压，和系统以及环境的 7 上海太学士学位论文 噪声电压水平有关。噪声较强时，v t 也应设置较高，噪声较弱时应使用较低的 v t 。如果标签信号没有满足强度性质，即使满足以下3 条性质，也不能够报警。 a 1 无标签情况 f a ) 有标签情况 图2 2 环境良好时的波形变换后的信号波形 ( 2 ) 周期性 周期性是指如果t 时刻有一个标签信号，则t + t 时刻也会有一个标签信号。 t 为扫描周期o 5 6 毫秒。周期性具有较高的精度，误差在5 0 微秒以内，是包含 信息量展大的性质。而且对于不同系统都适用。如果一个系统仅仅使用强度作 为判断依据，误报率和检测率很难达到满意的程度。如果和周期性配合使用， 基本上能够满足要求。 ( 3 ) 对称性 对称性是指如果t 时刻有一个信号，则2 t 缸一t 时刻也会有一个信号。t 础 是信号的对称轴，在这时刻，发射机发出的信号具有最大频偏。检波之前的 8 2 m h z 载波和检波之后的1 8 0 h z 包络中，信号都具有严格的对称性。在经过 带通滤波之后的3 k h z 中频波中，由于信号经过了微分，会向左或向右偏移半 个周期，约1 6 0 0 0 秒，这时需要检测信号斜率最大的点才能精确地检验对称性， 显然就很难做到精确。 ( 4 ) 时序性 上海大学硕上学位论文 时序性是指信号集中地出现在时间区间 t 。n t e a - - t ，t e 印。一t 和时间区间 2 t 瓠i 。一t 。蝴一t ，2 t 袖一t c 。岫+ t 内。t c 啪是发射机扫描频率等于中心频率 8 2 m h z 的时刻，t 是标签允许的误差范围。 另外，由于标签的移动路线是连续的，所以标签信号的强度具有渐变性， 逐渐增强然后逐渐减弱。同样，标签信号的能量随着标签方向、标签与接收器 的距离的变化而变化。 2 3 射频e a s 系统的硬件设计原理 射频e a s 检测器由发射器和接收器组成。发射器既可以看成是一台单音调 制的调频发射器，载频为晶，最大频偏为f ，基带频率为f m ，也可以看成是一 台从昂一f 到f o + a f 扫描的扫频仪【3 4 1 。发射器发出的调频信号为： a ， ( f ) = a e o s 2 x f 0 + 岛+ 芋s i n2 z t f m t 】 ( 2 1 ) jm 中心频率f o 一般是8 2 m h z ，频偏f 取0 5 m h z 。扫描频率f m 一般是18 0 h z ， 也有扫描频率可变的发射机。一般提供四档频率可供选择，例如：1 5 0h z ，1 6 0 h z ，1 7 0 h z ，1 8 0h z 。 基于上述原理，传统的发射器一般由调制信号产生电路、扫频信号产生电 路、宽带放大器、高频功率放大器等构成。调制信号产生电路主要由通用函数 信号发生器集成电路构成；扫频信号产生电路主要由压控振荡集成电路、谐振 电感、变容二极管组成，该电路结合调制信号产生电路产生的1 8 0 h z 正弦波， 产生7 7 m h z 8 7 m h z 的扫频信号；扫频信号通过宽带放大器以保持扫频信号 幅度平直，然后通过功率放大器对扫频信号进行功率放大，外加输出匹配网络 以保持良好的幅频特性。【6 】 接收器是一台频率固定的调频调幅接收机。接收器首先对接收天线接收到 的信号进行放大选频，将天线接收到的毫伏级微弱信号放大，筛选出发射频带 内的信号。放大选频后的信号分成两路，一路送幅度检波和波形变换电路，一 路送调频解调和脉冲整形电路。调幅部分通过包络检波电路后变成低频的包络 信号，由带通滤波电路将标签信号从检波后的包络信号中分离出来，通过a d 9 j ：海大学硕士学位论文 转换后进入处理器，通过标签识别程序判断是否有标签通过检测通道。调频部 分将发射机的基带信号恢复出来，并通过脉冲整形变换为方波，作为处理器的 同步中断信号，用来确定标签信号出现的周期和相位。【6 】 2 4 系统总体设计方案 基于d s p 的射频e a s 系统总体设计方案划分为两块：发射器的软硬件设 计和接收器的软硬件设计。 2 4 1 发射器总体设计方案 1 硬件部分设计方案 发射器硬件系统设计分为四个部分，分别是由d s p 核心系统和直接数字频 率合成器( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ，简称d d s ) 构成的扫频信号发生部分、宽 带放大部分、功率放大部分、输出匹配部分，发射器硬件系统原理框图如图2 3 所示。各部分实现的功能如下： 图2 3 发射器硬件系统原理框图 ( 1 ) 扫频信号发生部分：由d s p 控制d d s 产生7 7 8 7 m h z 的扫频信号。 ( 2 ) 宽带放大部分：完成对扫频信号的放大，并且滤除7 7 8 7 m h z 频率 之外的干扰信号，使从发射天线输出的扫频信号幅度平直。 ( 3 ) 功率放大部分：让扫频信号获得足够的高频功率，并馈送到天线上辐 射出去。 ( 4 ) 输出匹配部分：使高频功放电路的输出电阻与天线阻抗匹配，确保电 路具有良好的幅频特性。 l o 上海大学硕l 学位论文 2 软件部分设计方案 发射器软件部分完成由d s p 的串行外围接口( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ， 简称s p i ) 向d d s 发送控制字、频率字以及相位字，使其产生频率范围为7 7 8 7 m h z 的周期变化的扫频信号，扫频周期有1 5 0 h z 、1 6 0 h z 、1 7 0 h z 、1 8 0 h z 四档频率可供选择。 该部分软件包括产生1 5 0 h z 、1 6 0 h z 、1 7 0 h z 、1 8 0 h z 四种周期的7 7 8 7 m h z 扫频信号主程序、d s p 初始化模块、d d s 输出单一频率正弦波模块、d s p 向 d d s 写数据模块。 2 4 2 接收器总体设计方案 1 硬件部分设计方案 接收器硬件系统包括选频放大部分、幅度检波与波形变换部分、调频解调 与脉冲整形部分、d s p 核心系统部分、d s p 外围显示控制部分。其中幅度检波 与波形变换部分包括a g c 检波放大电路、带通滤波电路、延迟积累电路、低通 滤波电路、信号调理电路，调频解调与脉冲整形部分包括调频解调电路、脉冲 整形电路，d s p 外围显示控制部分包括液晶显示、声光报警、开关阵列及环境 干扰显示。接收器硬件系统原理框图如图2 4 所示。各部分实现的功能如下： 图2 4 接收器硬件系统原理框图 ( 1 ) 放大选频部分：采用差分放大电路对接收信号进行放大，并且使用差 分式的选频网络，筛选出系统需要频带内的有用信号。 ( 2 ) 幅度检波与波形变换部分：进行幅度检波放大、带通滤波、延迟积累、 上海大学硕l 学位论文 低通滤波后，提取明显的标签信号，经过信号调理后，进入d s p 的a d 采集通 道。 ( 3 ) 调频解调与脉冲整形部分：进行f m 解调，恢复出1 8 0 h z 基带信号， 通过脉冲整形，为延迟积累电路提供时钟脉冲，同时为d s p 提供中断信号。 ( 4 ) d s p 核心系统部分：对标签信号进行a d 采集，并进行处理和识别， 同时控制外围显示电路作出反应。 ( 5 ) d s p 外围显示控制部分：包括声光报警、液晶显示、开关阵列以及环 境干扰显示等。 2 软件部分设计方案 接收器软件主要实现标签信号的识别，这部分程序包括主程序和中断服务 程序，主程序主要实现d s p 的系统初始化工作，中断服务程序实现a d 采集、 标签识别、声光报警及液晶显示等。 2 5 主要技术指标 1 发射器的主要技术指标 输入直流电压：+ 2 4 v 输入直流电流： 3 0 0 m a 保险：2 5 0 v ，1 a ( 延迟式) 中心频率：8 2 + 0 0 5 m h z 扫描频偏：+ 5 0 0 k h z 调制频率：1 5 0 、1 6 0 、1 7 0 、1 8 0 h z 2 接收器的主要技术指标 直流电压：+ 2 4 v 直流电流：警戒状态： 3 0 0 m a ；报警状态： 3 8 0 m a ； 保险：2 5 0 v ，1 a 射频带宽：7 7 8 7 m h z 最大检测门距：4 0 x 4 0 m m 软标签：1 4 米；硬标签( 6 0 m m ) - 1 8 米 1 2 上海大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章首先介绍了射频e a s 系统的组成及工作原理，然后对标签的特性进行 了分析。在此基础上从整体上将系统分为发射器和接收器两个部分，分别介绍 了这两个部分的硬件总体设计和软件总体设计。硬件方面，介绍了硬件系统构 成和系统工作流程，软件部分则以功能模块的方式分别介绍了两部分软件的构 成，最后给出了系统的主要技术指标。 上海大学硕上学位论文 第三章d s p 核心系统的设计 3 1 射频e a s 系统数字部分的需求分析 根据上一章的总体方案设计，射频e a s 系统数字部分的需求分析如下： ( 1 ) 发射器的数字部分为扫频信号发生部分，包括d d s 和控制器。这部 分实现的功能就是通过控制器向d d s 发送数据，控制其产生周期变化的7 7 - - 一 8 7 m h z 的扫频信号，这里周期一般为1 1 8 0 秒即0 5 6 秒。 ( 2 ) 接收器的数字部分为标签信号的数字处理部分，以及外围的显示控制 部分。这部分的功能就是对波形变换后的标签信号进行采样，转换成数字信号 后，在数字信号处理器内部进行识别算法处理，作出有无标签通过的判断后， 控制外围的声光报警电路作出相应的反应，并通过液晶模块显示相关信息。 在这里，a d 采样的要求是采样速度和精度要满足标签信号采样的要求。 根据奈奎斯特定理，数据采样率至少要达到信号最高频率的2 倍，在实际应用 中通常是信号最高频率的5 倍以上。标签信号的频率为2 - 4 k h z ，所以a d 采 样率在2 0 k h z 以上就可以满足要求。另外，d s p 的处理速度要满足识别算法处 理的要求。 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 特点介绍 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司推出的c 2 0 0 0 系列中的新产品，是目前国际市场 上较为先进、功能强大的3 2 位定点d s p 。它具有卓越的数字信号处理能力，又 具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测 控场合。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 不仅具有以前c 2 0 0 0 系列芯片的特点，还增加了一些特性， 其主要性能特点如下： 3 5 - 3 7 】 ( 1 ) 高性能静态c m o s 技术 最高工作频率1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ； 低功耗设计( 核心电压1 8 v 1 3 5m h z ，1 9 v 1 5 0m h z ， i o 口电 1 4 上海大学硕上学位论文 压3 3 v ) ： f l a s h 编程电压3 3 v 。 ( 2 ) 高性能的3 2 位c p u 1 6 位1 6 位和3 2 位x 3 2 位的乘法累加操作； 两个1 6 位x 1 6 位的乘法累加器； 哈佛总线结构； 可达4 m 字的线性程序数据地址； 代码效率高( 用c c + + 或者汇编语言) ； 与t m s 3 2 0 f 2 4 ) ( l f 2 4 0 x 处理器的源代码兼容。 ( 3 ) 片内存储器 1 2 8 k x1 6 位的f l a s h 存储器； 1 k x1 6 位的o t p 型只读存储器； l 0 和l 1 ：两块4 k x l 6 位的单口随机存储器； h 0 ：一块8 k x1 6 位的单口随机存储器； m 0 和m 1 ：两块1 k x1 6 位的单口随机存储器。 ( 4 ) 引导r o m ( 4 k x1 6 位) 带有软件的引导模式； 标准的数学表。 ( 5 ) 外部存储器接口 有多达1 m 字的存储空间； 可编程等待状态； 可编程读写选通计数器； 三个独立的片选端。 ( 6 ) 时钟与系统控制 支持动态的锁相环倍率调整； 片内自带振荡器； 看门狗定时器模块。 ( 7 ) 外部中断扩展( p i e ) 模块 上海大学硕十学位论文 可支持9 6 个外部中断( 当前只使用了4 5 个中断) ； 3 个3 2 位的c p u 定时器。 ( 8 ) 电机控制外围设备 两个事件管理器( e v a ，e v b ) ； 与c 2 4 0 x 系列兼容的器件。 ( 9 ) 串口外围设备 串行外围接口( s p i ) ) 两个串行通信接口( s c i ) ，标准的u 址盯； 改进的局域网络( c c a n ) ： 多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 和串行外围接口模式。 ( 1 0 ) 1 2 位的a d ，1 6 通道 2 个8 通道的输入多路选择器； 两个采样保持器； 单路转换的时间为：8 0 n s 1 2 5 m s p s 。 ( 1 1 ) 最多有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出( g p i o ) 引脚 3 3 选用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的理由 综合考虑各方面的要求，结合t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点，选用该芯片作为接收 器数字信号处理部分的c p u ，理由说明如下： ( 1 ) 由于数据处理的量大，要求c p u 的处理速度很高，而且有足够大的 内存。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的工作主频最高可达1 5 0 m h z ，片内3 6 k 字的s r a m ，可 以胜任复杂大量的数据处理工作。 ( 2 ) 由于标签信号的特点，要求采样速率应该在2 0 k h z 以上，采样精度 至少为1 2 位。考虑到系统设计简便性，采用嵌入式a d 完成模数转换的功能。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内a d c 转换精度为1 2 位，具有两个采样保持器，完全符合标 签信号采样的要求。 另外，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内包含1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储器，能够存储现 在设计的系统程序，这样省去外扩f l a s h 的麻烦，简化了硬件结构，减小了 1 6 l 海大学硕十学位论文 产品体积，方便使用。 综合考虑控制器向d d s 发送频率字需要花费的时间和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的外 设速度，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 完全满足要求，而且t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是c 2 0 0 0 系列中性 价比最高的芯片，故发射器中扫频信号发生部分的控制器也采用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，这样在软硬件设计上可以和接收器系统共用一个模块，大大节 省了开发时间。 接下来，将介绍t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 外围基本电路的设计，我们称其为 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 核心系统，它将在发射器和接收器的设计中作为一个模块共用。 3 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 核心系统设计 图3 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的核心系统原理框图 图3 1 为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的核心系统原理框图。由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的片内 存储器已经能够满足软件设计的需要，并且还有片内f l a s h ，故不需要扩展外 部存储器。调试测试接口不是必需的，但它在开发工程过程中发挥的作用极大， 所以在样品阶段要设计这部分电路。核心系统框图中的“其它部分指的是一 些功能设置，如d s p 的工作模式，在该设计中d s p 是工作在微控制器模式， 即m p m c 管脚置低，还有b o o t m o d e 的设置等。 3 4 1 电源管理模块 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片采用两种供电电压，一种是+ 1 8 v ( 或+ 1 9 v ) 内核供电 1 7 上海大学硕士学位论文 电压，一种是3 3 v 的i o 口和f l a s h 编程供电电压。为保证芯片正常工作，必 须进行电源转换提供这两种工作电压。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最大能量功耗是3 0 0 m a 。 由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内核可以工作在1 8 v 或1 9 v 电压下，所以在进行电源设计 时应考虑到其中一路输出为1 8 v - 1 9 v 可调。 线形稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不需要外围元件。但 是传统的线形稳压器，如7 8 x x 系列都要求输入电压要比输出电压高2 - - 3v 以 上，否则不能正常工作，但是5 v 到3 3 v 的电压差只有1 7 v ，所以7 8 x x 系列 已经不能够满足3 3 v 电源设计要求。面对这类需求，许多电源芯片公司推出了 低压差稳压器。这种电源芯片的压差只有0 2 v 1 3 v ，可以实现5 v 转3 3 v 1 8 v 的要求。这里综合考虑系统的功耗和电源芯片的性能特点，选用a m s l 0 8 4 可 调电源芯片进行电压转换。应用该芯