简易无线定位装置报告.doc

简易无线定位装置（C题）报告摘要：本装置以多普勒效应为原理基础并结合高频相关知识，实现无线定位功能。系统由信号发射装置和接收处理装置组成，接收端分为两根天线，通过射频开关切换两根天线轮流接收信号，接收端会产生多普勒频移，将信号FM解调后，再根据多普勒频移公式及线性拟合计算出发射装置具体位置，精度可达50cm。关键词：无线定位；多普勒频移；射频开关；FM解调Abstract: This system is based on the theory of Doppler Effect and relevant knowledge of High-frequency electronic circuit. It can achieve wireless location. The system consists of signaling device and signal receiving and processing device. The receiver is divided in two antennas, the signal is received in turn by the switch of SPDT, a frequency shift will appear in the receiver. After demodulating the signal, according to the formula of Doppler Frequency Shift, and linear fitting, it can calculate a figure which can infer the location of transmitter. The accuracy can be up to 50cm.Keywords: Wireless location, Doppler Frequency Shift, SPDT, FM demodulation一、 方案比较及论证：1. 题目要求： 设计并制作一个简易无线定位装置，在一个 5 米直线上放置 2 根接收天线和 1 个 发信主机，其原理示意图如下：图（1.1）（1）基本要求 （ 1）当主机放置在距离 A 或 B 从机 5 米的范围内，主机能够自动识别已经处在从 机包围的区域内，并发出提示音；将主机放在上述区域外，主机能自动识别超出测 试范围并发出报警声（ 5S 内完成）。 （ 2）将主机放置在直线任意位置，主机将能够自动识别自己的位置，并显示与两个 从机各点的距离，误差不大于 1 米（定位时间 10S 内完成）。 （ 3）发射功率小于 1W，供电电压小于 12v。（2）发挥部分 （ 1）进一步提高精度及实现平面定位（需增加一个天线）。（ 2）主机和从机采用 50 鞭状天线，天线长度不大于。要求高频功率放大器 的输岀功率100mW（在负载电阻 50 上） ,且通过液晶显示所处位置。 2.方案比较与选择综合题目要求，结合现代技术水平，大致有三个方案可供选择：方案一：基于鉴相器的测距技术。发射机距两个接收天线之间的距离一般不相等，电磁波在传输送到接收机时就会在接收天线上产生相位差，根据相位差的不同可以实现定位。该方案的缺点是很明显的，首先是为了增加无模糊测量距离就必须减小发射信号的频率，这样就会降低发射信号的平均功率从而减小作用距离，故不采用该方案。方案二：基于RSSI实现测距定位。它是利用电磁波在传输过程中，接收信号功率强度与传输距离存在着某种变化关系，找出特定环境中的这一变化关系，从而实现定位。该方案缺点在于测试环境要求较高，在室内近距离功率衰减很不明显，很容易收到环境因素的干扰。故不采用该方案。方案三：基于多普勒频移实现定位。当信号接收端以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，从天线接收到的信号会造成相位和频率的变化，通过FM解调可将频率变化转换成电平变化，再通过STM32单片机DA采样计算后获得位置信息。该方案有点在于在可以忽略信号功率对于定位误差的影响，且接收信号处理简单。故采用该方案。二、 系统分析与设计1.系统框图（1）发射部分：（2）接收处理部分：2.系统理论分析：应题目要求，发射端发射固定频率的82MHz正弦波，在接收端前级采用射频开关芯片来实现天线切换，随着不同位置接收天线的切换，模拟出接收端位置的移动，每次切换最大相对位移为5米，则相对速度为5m/s，将开关频率设置在50kHZ，则最大相对速度为250km/s，多普勒频移公式如下： f=vcf0 （2.1）公式（2.1）中，f为最大频偏量，v为接收端相对发射机移动速度，c为光速，f0为载波频率。可以看出，c和f0是常量，f与v呈线性关系，而v与L1,L2关系公式如下：v=|L1-L2|tfsw （2.2）其中fsw为开关频率，这里选为固定值50kHz,且t为1s，因此公式（2.2）可改为：v=|L1-L2|5104 （2.3）由式（2.3）可推出： f=vcf0 =510431088.2107|L1-L2| =13.7103L （2.4）式（2.4）可得到频偏f与相对位移L（可推出发射机位置）的线性关系。这样，接收端接收到的即为频偏为fsw 的FM调制波，经解调后得到频率为fsw ，幅度为f的波。又经功率检测后得到一直流量，再经多次线性拟合取均值，最后由单片机换算得出发射机位置。3.系统模块设计：（1）发射部分：为了使发射机的频率稳定，我们采用MB1504锁相环芯片产生高频振荡，振荡频率为82MHz，后级再接低噪声、电流反馈型运放THS3201作为输出驱动，将信号发射出去。（2）接收前端：由于接收端的两根天线需要高速切换才能产生较大频偏，因此我们采用AS17992射频开关芯片，该芯片最高开关频率为3GHz，远超过该系统所需的50kHz。内部结构如图（3.1）所示：图（3.1）（3）FM解调部分：因为接收信号为一调频波，因此该部分我们选用集成收音机芯片来完成FM解调，由式（2.4）可得出最大频偏fm为68.5kHz，据此我们选择CXA1691收音机芯片，该芯片最大频偏可达75kHz，满足题目要求。具体电路如图（3.2）所示：图（3.2）射频开关的输出接到P13口输入经过电容的耦合送到芯片的12脚。C20和L1是高放谐振回路。为了方便选台，将原本CXA1691的LC本振换为由外部的信号发生器产生，且频率比发射频率高10.7MHz，实现超外差接收天线信号。这样发射频率经过与本振混频以后经过10.7MHz陶瓷 滤波器过后送给中放、检波后输出。（4）有效值检测部分：因为频偏量与解调后的波的幅度有线性关系，因此我们选用AD8361真有效值检测芯片来检波，具体电路图（3.3）所示：图（3.3）由于前级输出幅度最大约为1.2Vpp，而AD8361检测线性区为DC-0.4Vrms，如图（3.4）所示，芯片输入阻抗为220，因此在输入端对地接1k电阻。程序的设计程序功能描述与设计思路1、 程序功能描述根据题目要求实现距离测试1） 发射端程序：配置锁相环频率2） 接收机部分：显示检测的电压、定时记录平均电压、画出待测物体坐标、根据拟