（通信与信息系统专业论文）基于nrf9e5的井下人员定位系统.pdf

露瓣丈学疆士擘霞论文 攮要 基于n r f 9 e 5 的井下人员定位系统 。 通信与信息系统专业 研究生：唐凌嚣导教惩：搿，l 、海 摘要 为适应煤矿安全象产的簧求，结合煤矿生产实际，开发了一种并下人员 射频识别定侥管理系统，该系统具有性能稳定，人员识别率褒，误码搴小， 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王作原 理。结合我翻井下人员工作现状阐述了并下入员定使系统对于现实煤矿生 产的璧要意义及开发挎下人员定位系统的紧追性。说明了本人所从搴的主 要研究工作；并下人员定位系统硬件电路设诗( 包括并下人员射频卡、井 下射频识别阅读基站、远程数据传输接口) ，通信协议制定及相关底层单片 视程净静编写。对予井下人掇定位的人员运动方向谯判荆、箨下入爨射频 卡与井下射频识别阅读墓站阅的数据交换确认机制方面提出了自己的创新 愚路并在实际工作中餐现了蠢己的设计方案。 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 主要琦能，并盈讨论眈较了备辩数撵校验方法、嘉| 鬏谲镧方式、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，展后得出了系 统黔选型结论 第三，本文从硬件电路殴计的角度详细分析了井下人员射频卡，井下射 频谖裂阕读蒸菇、远程数据循辘接繇三个独立电路静硬锌电貉谩诤藤理及 实现，并将电路中所用关键芯片n r f 9 e 5 、s p 2 3 3 8 、m 7 5 1 2 b 进行了详细介绍。 第疆，本文洋缨夯绍7 势下天虽定整系绕鹣整髂蘧信势浚，并缝会实际 系统详细分析了井下人员射频卡、井下射频识别阅读基站商频头、井下射 频汲爨阕渎墓站主控潮程彦、弗下射频识爱阕渎整棼f s k 载波监测及运程 数据传输接口中的五个独立单片机软件程序设计原理及实现嘏图。 最磊，裁翁己酝扶事故势下天虽定垃系统瓣藏景获工修串瓣不是避霉7 总结，提出了自己的一些意见和建议。 关键弼；射频识列，劳下入爨定经，n r f 9 e 5 ，孳冀搬 四川i 大学硕士学位论文 摘要 ao r i e n t a t i o ns y s t e mo fm i n ep e r s o n n e lb a s e dn r f 9 e 5 m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m g r a d u a t e ：t a n gb os u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh ex i a o h a i 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 im 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 c 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 sar a t eh i g l l ，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 c ，a n dh a s v e r yb 碴r 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 f c o n c e p t ，b d e f i y s a y sar a d i o 丘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 fo u rc o u n t r ym i n ew o r kp r e s e n t l y ， w ee 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 l i o ns y s t e ma n dt h eu r g e n c yt o d 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 ep 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 gb a s e ，t h el 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 e o f f e s p o n d e n c ea g r e e m e n te s t a b l i s h m e n ta n dr e l a t e ds 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 f o rt h em i n ep e r s o n n e lo r i e n t a t i o no fd i r e c t i v ed i s c r e t i o n ，t h er a d i o f r e q u e n c yc a r da n dt h e m i n er e a d i n gb a s e o fd a t a e x c h a n g eo fc o n f i r m m e c h a n i s m ，w ep u tf 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 l w 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 em i n ep e r s o n n e l 婴川夫学颂士学位论文摘要 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 f t 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 n l n l 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 er 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 g e 5 、s p 2 3 3 8 、m 7 5 1 2i nt h e e 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 m 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 er a d i of r e q u e n c yc e l l ，m i n e p e r s o n n e lr a d i of r e q u e n c yb a s ec o n t r o lp r o c e d u r e ，m i n ep e r s o n n e lr a d i o f r e q u e n c yb a s ef s kc a r r ym o n i t o ra n dt h el 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 e e t cf i v ei 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 m u 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 d p u tf 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 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 no r i e n t a t i o ns y s t e m ， n r f 9 e 5 ，s i n g l e c h i p ，毒e j 四川大学颈七学位论文 基于n r f 9 e 5 的拌下人员定位系统 第1 章绪论 1 1 射频识别技术的概念 射频识别技术简称r f i d 4 1 ，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耦合、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，两且射频识 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【3 3 1 。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【3 5 l ，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 统一标准已经得到业 界的广泛认同1 2 4 1 ，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 i o b a l 第1 页 凹型盔兰堡堂竺堡壅兰王! 婴! 竺苎三墨塞竺墨竺 ( 电子产品代码环球协会) 由于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。 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 多家荚国和欧洲的流通企业都是e p c 的 成员，同时由荚国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 l 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 3 射频识别技术的系统构成 射频识别( 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f 1 0 i 。 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波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 为有源电予标签和半无源电子标签。 有源电子标签，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。 第2 甄 f ， t j 婴型茎兰堡主兰竺堡壅苎主! ! ! ! 墅竺苎! 叁墨墨鱼墨堡 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 者标签芯片工作所需电压的辅助支持。标签未进人工作状态前，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。 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口( 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。例如：a n s in c i t s 2 5 6 2 0 0 l ，i s o l 8 0 0 0 系列射频识别国际标准等均对 阅读器与应用程序接口a p i 做出了明确规定【2 4 1 。 1 3 3 射频识别的工作原理 图i 射频识别系统的基本模型 第3 页 天线) 婴型查兰塑! 兰壁丝塞兰王堡! ! 墅墼苎! 墨塞竺墨竺 射频识别系统的基本模型如图1 所示。其中，电子标签又称为射频标签、 射频卡、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祸合元 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 本课题的背景及我所从事的工作 1 4 1 背景 近年来，煤矿重特大事故时有发生，煤矿安全生产的形式引起了社会广 泛关注，但由于我国煤矿生产设备落后，管理不善，官煤勾结等诸多原因， 使得煤矿安全生产形势不容乐观。从总体上来看，我国虽然煤炭存储量大， 但多数煤矿都是高瓦斯矿，开采难度大，危险性高，加之我国并下工作人 员整体素质不高，因此我国煤矿事故频发，煤矿生产百万吨死亡率高居不 下。一旦煤矿发生事故，如何快速有效的救出井下被困人员是事故抢险中 的重中之重。若能在事故发生后准确判断井下被困人员的具体位置，再结 合矿井实际采掘工程平面图制定出行之有效的营救路线，将大大提高灾后 救援的成功率。随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生 产监测应用领域中的不断发展，如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况 和分布位置是摆在我们面前的一个急待解决的问题。对于这一点，国外发 达国家在上世纪末就已经意识到并开发出了部分井下人员定位产品，本世 纪初，我国也开始在这方面进行探索研究并取得了很大的成果。利用现今 先进的射频识别技术、数据通信传输技术、计算机管理数据库，结合煤矿 生产实际，开发出来的井下人员定位系统不但在发生事故时能救人救命， 还有利于完善管理相对落后的煤矿企业人员管理，加快企业信息化建设的 步伐。因此，国家安全监测总局已于2 0 0 5 年提出争取在2 0 0 7 年实现全国 范围内大中型煤矿的井下人员定位系统。 第4 彝 r j 四川大学硕士学位论文基于n r f g e 5 的井下人员定位系统 1 4 2 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 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 数煤矿试运行后及被淘汰。 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射频卡为基础，它既可 加大并下人员阅读基站数据交换的有效范围( 1 0 2 0 米) ，又可提高射频 卡的使用的方便性，解决多人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。 我们开发的基于n r f 9 e 5 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、人员定位方向等方面都处于国内领先水平 1 4 3 本人所从事的工作 我们开发的这套基于n r , f 9 e 5 的井下人员定位系统主要由人员数据库管 理系统和井下人员射频数据采集系统两部分构成。人员数据库管理系统主 要负责将井下阅读基站接收到的原始人员数据信息进行存储、分析及生成 第5 页 婴坐查兰竺兰竺堡苎 苎王! ! ! ! 墅堕苎! 墨塞丝墨竺 各种报表，而井下人员数据采集系统主要负责井下人员数据的射频采集、 存储、传送。由于整个井下人员定位系统相当庞大，因此是由多人协同完 成的，我主要是从事并下人员数据采集系统硬件电路系统设计( 包括射频 卡、射频识别基站、远程数据传输接1 = 1 ) ，通信协议制定及底层单片机程序 的开发。 第6 页 四川大学硕士学位论文 基于n r f g e a 的井下人员定位系统 2 1 系统框图 第2 章系统框图 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i d 数据采 集、存储、传送等功能，井下人员定位系统框图如图2 所示。 r 管；熊丛 ”厘至 l 同 1 一 圆 回 i 一 7 网 l 井f 基站 i _ j j 图2 井下人员定位系统框图 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 佩带一个信号感应器，当下井人员进入井下以后，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 上传到控制中心的计算机上，计算机马上就可翔断出具体信息( 如是准， 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，因此下面将就这部分内容进行重点介绍。 第7 页 四川大学硕士学位论文 摹于n r f 9 e 5 的井下人员定位系统 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【2 7 】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射频卡中存储的信息；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 数据的调制方式嘲嘲 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0 、l 组成的序列与一个正弦型载波 相乘，即 p 。( f ) 。晓a g ( t 一万t ) j c o s w d ( 2 - - 1 ) 这里，g ( t ) 是持续时间为瓦的矩形脉冲，而4 。的取值服从下面关系 4。协篓妻碧p(2-2，l 4 月l , 概率为( x - e ) 现令 ，o ) - z a n g ( f n b ) ( 2 - - 3 ) 则 e o ( t 、s ( t ) e o s w , t ( 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，这 对于提高数字信号的接收性能是f 分必要的。二进制振幅键控方式足数字 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 塑型查兰堡主兰丝丝苎墨王! ! ! ! 墅竺苎! 叁星塞堡墨竺 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i w - 进制移频键控，就是指对于信源发出的0 、l 序列，使0 符号对 应于载频m ，而l 符号对应于载频而得到的已调波形，而且m 与w 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 c t ) - a g ( t 一，l r , ) c o s ( m h 吼) + ：一g ( f n 五) c o s ( w ：f + 以) ( 2 - - 5 ) 一般而言，控键法得到的吼，以是与序列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，具体框图如图3 所示。 w i 图3f s k 相干解调系统框图 判决器通过判断那个的输出值大来决定是0 或1 ，因此不需专门设定门限电 平，系统设计简单。且较振幅键控而言，移频键控的性能优势明显。 所n - 进制移相键控，就是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种 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 0 0 ) 一【 ：4 。g ( f - n t s ) j c o $ w e t ( 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，若采用绝对移相键控，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 相位变相位或相位变0 相位) ， 则恢复的数字信息就会发生0 变为l 或l 变为0 而造成的错误恢复。考虑 第9 炙 四川大学硕士：学位论文摹于n r f g e 5 的拌下人员定位系统 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j r ”现象。为此，实际中一般不采用二进制移相键控方 式，而是采用一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m 表示( 中定义为本码元初相与前一码元初相之差) ， 并设 中= j r 数字信息“1 ” 中= o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， 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1 l 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 数据的校验旧1 7 j 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l 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 第l o 页 婴型查兰堡主兰竺堡塞 苎兰! 墨翌堕盟苎! 墨星堡墨竺 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接 收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 传输频率可调( 4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z ) ； 低电压工作方式，电源供电范围为1 9 v 到3 6 v ，具有内部电源管 理器： 输出功率为一2 0 d b m 1 0 d b m ，可通过软件编程控制其传输输出功 率： 提供多频点、多频段工作模式，不同频率通道问的切换时间小于 6 5 0 u s ； 低的发射电流，当输出功率为一1 0 d b m 时，典型电流值为9 m a ； 低的接收电流，典型峰值电流为1 2 5m a ； 低功耗工作，休眠电流仅为2 5 u a ： 具有载波监听功能： 具有自动地址检测匹配功能： 内置数据8 位和1 6 位c r c 校验功能； 下面我将对该芯片的主要模块进行一下简单介绍： a ) 微处理器 n r f g e 5 内嵌处理器兼容标准8 0 5 1 ，典型的指令周期为4 至2 0 个时钟周 期，与标准8 0 5 1 的1 2 至4 8 个时钟周期相比，运算速变要快很多；另外， 第1 7 页 四川大学硕士学位论文 基于n r f g e 5 的井下人员定位系统 它比标准的8 0 5 1 多了5 个特殊的中断源：a d c ，s p i ，2 个射频相关中断， 一个唤醒功能；它的三个定时器与8 0 5 2 相兼容；通用异步收发时，波特率 既可以用定时器1 又可以用定时器2 生成；同时，控制器的时钟是由外部 晶振得到，且时钟频率控制灵活。 n r f 9 e 5 的内部框图如图4 所示。 o w 口i m 日圆i 目 v 鹞渤 m f m v 鹞n 向 m 口q m 垤d 1 1 n m 图4n r f 9 e 5 的内部框图 与常用8 0 c 5 1 不同，n r f 9 e 5 内嵌处理器的存储单元比较特殊，它是由一 块与8 0 c 5 2 兼容的2 5 6 个字节r a m 和5 1 2 个字节r o m 及一个4 k 的r a m 组成。 5 1 2 个字节的r o m 中包含一个初始装载程序，当系统上电或程序复位时，这 个初始装载程序将引导系统通过s p i 接口将用户编写的放在一块外部串行 e e p r o m 程序存储器中的程序调入内部4 k 的r a m 中，然后系统在根据调入到 第1 8 蠢 四川大学硕士学位论文基于n r f g e 5 的井下人员定位系统 r a m 中的程序运行。对于外部e e p r o m 中存放的程序格式，n r f 9 e 5 系统也专 门做了规定，表1 就显示了e e p r o m 中最初几个字节格式。 。表1e e p r o m 中的数据格式 765432lo 0 2版本保留s p e e l ) x o _ f r e q o o0 0 1 ： 用户程序的起始偏置( n ) 2 ： 用户程序的块数( 每块2 5 6 个字节，包含0 块) n 用户数据的第一个字节，被导入程序发到内部x r b 的地址o x 0 0 0 0 n + l 用户数据的第二个字节，被导入程序发到内部x r a i i 的地址o x 0 0 0 1 第一个字节的最后4 位用于设定正确的s p i 接口频率。 s p e e d ( 比特3 ) ：e e p r o m 最大速度 1 = 1 m h z 0 - - 0 n d h z x o _ f r e q ( 比特2 、1 和比特0 ) ：晶振频率 o o o - - 4 m h z 0 0 1 = 8 m h z 0 1 0 - - - - 1 2 m h z 0 l l = l n d h z 1 0 0 - - - - 2 0 m h z 为了便于使用者将写好的程序转化为上面要求的头格式，n o r d i c 公司等 门提供了一个免费的软件e e p r e p 。 第1 9 页 竖坐盔兰堡兰壁垒茎薹王坚! ! 墅塑茎! 垒墨塞垒墨竺 e e p r e p 的标准命令格式如下： e e p r e p o p t i o n s 是标准汇编程序或编译器输出程序 是一个满足要求的适合于写入串行e e p r o m 中的程序 值得注意的是，上面两种文件都要求是1 6 进制文件格式。关于e e p r e p 的可调整优化参数如下： - - cn ：设置n r f 9 e 5 的晶振频率 一i ：忽略累加和检查 一pn ：设置程序存储器大小 一s ：选择低e e p r o m 时钟 在n r f g e 5 中的微处理器中，系统提供一个可编程脉宽调制( p w l f i ) 输出 口，它是与p o 7 复用的一个多功能引脚。脉宽调制输出信号的分辨率可由 程序控制为6 、7 、8 比特，脉宽调制的输出信号频率可由一个6 位预定标 寄存器通过编程由晶振分频而得，同时，该脉宽调制输出信号的占空比可 由一个8 位寄存器控制，范围是o 一1 0 0 可调。 为便于n r f 9 e 5 中各部件问数据的传输，微处理器提供一个简单串行可 编程接口( s p i ) 主控功能，三根数据总线( m i s o ，s c k 和m o s i ) 通过向s p i _ c t r l 中写入控制命令控制其与通用目的1 o 口p l 的最低三位、r f 射频收发摸块、 a d 转换子系统复用。s p i 硬件不能生成任何片选信号，因此当我们在使用 该接口与外部一个或多个s p i 设备相连时，必须用一组通用目的i o 口生 成片选信号e e c s n 。当s p i 被定义为与内部r f 射频收发模块相连时，片选 信号由内部p 2 口自然生成。 n r f 9 e 5 微处理器有两个与标注8 0 5 1 兼容的全双工c m o s 输入输出口p 0 和p l ，但是这两个i o 口都是复用的。与标准的8 0 5 1 不同，它们的引脚输 入输出方向由相应的p o _ d i r ，p o _ a l t ，p i d i r ，p ia l t 决定。具体情况如 表2 和表3 。 n r f 9 e 5 中内置a d 转换器，最高a d 转换速率位8 0 k s p s ，其中a d 转换的 参考电压可由程序控制选用外部a r e f 引脚的电压或内部1 2 2 v 电压。a d 转 第2 0 页 婴型茎兰堡兰兰竺丝苎薹王! ! ! ! 墅塑苎! 墨塞垡墨竺 换有5 路可供程序选择的输入，当选择0 - - 3 时，对应外部信号输入引脚 a i n o - a i n 3 ，当选择4 时，提供输入电压监控功能，它将选择内部1 2 2 v 参 考电压对输入电压v d d 的i 3 值进行a d 转换。a d 转换的默认精度是l o 比 特，但是可以通过软件编程将其变为6 、8 、1 2 位精度a d 转换。同时，我 们也可通过编程将其变为差分模式下的a d 转换，这时，a n i o 引脚将作为负 极性输入端，其余三个外部a d 转换输入端就成为信号正极性输入端。 表2p o 口功能 引脚 p oa l t n 和p 0 - d i r n 中的值 1 0l l 0 0 o l p o og t i m e ro u tg t i m e ro u tp 0 oo l r rp o oi n p o i1 1 ( do u tr x di np o 1o u tp 0 1i n p 0 2t x do u to u tp o 2o u tp 0 2i n p 0 3i n t oni ni n t oni np o 3o u tp o 3i n p 0 4i n t lni ni n t lni n p o 4 o u tp o 4i n p 0 5t oi n t o i np o 5 o u tp o 5i n p 0 6t ii nt ii np o 6o u tp o 6i n p 0 7p 删o u tp 删o u tp o 7o u tp o 7i n 表3p l 口功能 引脚 s p ic t r l ：0 ls p i 且r l ! = 0 1 p l a l t np la l t n = o p 1 - d i r n = op id i r n = l s c ks p i c l o c ko u tt 2i np 1 o o u t p 1 oi n m o s rs p i d a t a o u to u tp i i i o p 1 1o u tp 1 1i n h i s os p i d a t a i ni np 1 2i np l t2i np l2i n e c s np 1 3 o u tp 1 3i o p l3 o u tp 1 3i n 第2 1 页 婴型查兰堕兰竺堡苎兰王! 垦翌墅竺苎! 叁墨里竺墨竺 n r f 9 e 5 提供了几种可在编程情况下控制的低功耗模式，包括它的a d 转 换和r f 射频子系统均可以通过程序关闭或打开。c p u 可以停止工作，但所 有r a m 和寄存器中的值都将被保存下来。在掉电模式下，看门狗、r t c 唤醒 定时器和通用目的输入输出口唤醒功能可以将系统激活。当外部晶振被关 断时，系统工作电流只有2 5 u a 。为了支持系统的低功耗工作模式，微处理 器中包含一个低频时钟c k l f ，它总是存在于系统中。当晶振电路开始工作， 它就由晶振时钟直接得到，当晶振电路停止工作时，它由一个低功耗r c 振 荡电路得到。所以只要v d d 上的电压大于等于1 8 v ，这个时钟就一定存在。 r t c 唤醒定时器、通用目的唤醒定时器以及看门狗定时器都是工作在这个定 时器下的，因此系统可以保证在掉电模式下这些功能的实现。r t c 唤醒定时 器是一个2 4 位可编程递减计数器，看门狗是一个1 6 位递减可编程计数器。 它们的分辨率范围为3 0 0 u s 至8 0 m s ，可编程控制，在默认的情况下，这个 分辨率为l m s 。r t c 唤醒定时器可由用户软件控制开启和关断，而看门狗在 系统复位时足被关断的，一旦在程序中被激活，就不能再被关断，直至下 一次复位发生。 n r f 9 e 5 中的微处理器指令系统与标准8 0 5 1 兼容，但由于在n r f 9 e 5 的微 处理器中，每4 个时钟周期就构成一个指令周期，因此相对于标准8 0 5 1 的 1 2 个时钟周期构成一个指令周期而占，绝大多数指令的运算速度都提高了 3 倍。然而，在有些指令中，n r f 9 e 5 所需要的指令周期比标准8 0 c 5 1 需要 的指令周期要多一些，这种情况下的指令时序就需要具体分析了。另外， 为了提高数据存储块的移动速度，n r f 9 e 5 的微处理器中提供了两个数据指 针。除了与标准5 l 兼容，提供一个用于访问外部数据存储空间或外设的 d p t r o 外，n r f 9 e 5 的微处理器还提供了一个用于访问外部数据存储空问或 外设的d p t r i ，它的功能与d p t r o 完全兼容。为了区分o p t r o 和d p t r ，n r f 9 e 5 微处理器还增加了一个控制比特s e l ，用于选定使用那个指针作为当j i 数据 指针，当s e l = o ，选定d p t r o ，当s e l = l ，选定d p t r l 。在大块数据移动 时，双指针可大大的增加系统工作的效率。 由于n r f 9 e 5 的微处理器有很多特殊功能，因此除了标注8 0 c 5 l 中标准 的特殊功能寄存器外，还会有一些与它的特殊功能相关的特殊功能寄存器， 具体情况如表4 所示。 第2 2 咀 一 四川大学硕士学位论文基于n r f g e 5 的井下人员定位系统 表4 特殊功能寄存器 s f r 地 r w肆b i t 初始值名字功能 址 8 0r w 8f f p op o r t o ， 9 0 r 胃8f f p 1p o