电信专业电子系统课程设计

1、 电信专业电子系统课程设计A 课程设计报告题 目： 射频识别RFID实验 院 （系）： 信息科学与技术系 专业班级： 电子信息工程0902班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 高峰 20 年 月 日至20 年 月 日华中科技大学武昌分校制目 录一课程设计目的2二课程设计题目描述和要求22.1 RFID系统组成22.2 RFID工作原理及过程33 通信电子线路实验部分53.1 高频振荡器53.2 高频功率放大器53.3 信号耦合与应答器供电7四通信原理实验部分8 4.1 RFID系统的调制与解调84.2 RFID系统的编码与解码125 RFID实验系统的检验和调试146 实验总结167 参考文献

2、16 一 、课程设计目的提高单片机的实际运用能力和对通信电子线路和通信原理的理解，加深巩固相应知识。熟悉通信应用系统设计方法，掌握通信应用系统制作、检测、调试方法和技巧，提高学生综合应用本专业基本知识的实践动手能力。 二 、课程设计题目描述和要求 射频识别RFID描述： 射频识别RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动识别技术，作为实体，它是利用无线射频技术对物体对象进行非接触式和即时自动识别的无线通信信息系统。RFID 最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。随着技术的进步，RFID 应用领域日益扩大，现已

3、涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。RFID 典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪；在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业用于零部件与库存的可视化管理；RFID 还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。目前，RFID 已成为IT 业界的研究热点，被视为IT 业的下一个“金矿”。各大软硬件厂商，包括IBM、Motorola、Philips、TI、Mic

4、rosoft、Oracle、Sun、BEA、SAP 等在内的各家企业都对RFID 技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投入大量研发经费，推出了各自的软件或硬件产品及系统应用解决方案。在应用领域，以Wal-Mart、UPS、Gillette 等为代表的大批企业已经开始准备采用RFID 技术对业务系统进行改造，以提高企业的工作效率并为客户提供各种增值服务。在标签领域，RFID 标签与条码相比，具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、穿透性强、外形多样、工作环境适应性强和可重复使用等多种优势。2.1 RFID系统组成：RFID实验系统由阅读器，应答器二部分组成。其总体组成框图如图2-1所示。功率放大

5、器解调电路（检波比较）解码电路（单片机）数码显示天线线圈整流电路稳压电路编码电路（单片机）调制电路（开关电路）天线线圈阅读器应答器能量传送信息传送图21 RFID实验系统组成框图 2.2 RFID系统的工作原理和过程 接通阅读器电源后，高频振荡器产生13.56MHz方波信号，经功率放大器放大后输送到天线线圈，在阅读器的天线线圈周围会产生高频强电磁场。当应答器线圈靠近阅读器线圈时，一部分磁力线穿过应答器的天线线圈，通过电磁感应，在应答器的天线线圈上产生一个高频交流电压，该电压经过应答器的整流电路整流后再由稳压电路进行稳压输出直流电压作为应答器单片机的工作电源，实现能量传送。应答器单片机在通电之后

6、进入正常工作状态，会不停的通过输出端口向外发送数字编码信号。单片机发送的有高低电平变化的数字编码信号到达开关电路后，开关电路由于输入信号高低电平的变化就会相应的在接通和关断两个状态进行改变。开关电路高低电平的变化会影响应答器电路的品质因素和复变阻抗的大小。通过这些应答器电路参数的改变，会反作用于阅读器天线的电压变化，实现ASK调制（负载调制）。在阅读器中，由检波电路将经过ASK调制的高频载波进行包络捡波，并将高频成分滤掉后将包络还原为应答器单片机所发送的数字编码信号送给阅读器上的解码单片机。解码单片机收到信号后控制与之相连的数码管显示电路将该应答器所传送的信息通过数码管显示出来，实现信息传送。

7、（1）阅读器电路图87805R1 10018171216891910181011121315162012R11 1KC15 22FT39014U4 CD4511 45 R2 1M12U1AG1 13.56MHzC522PC6100P1312147U1BT1C1970L1200HC70.1FC9 530PC10 12PC80.1FR3 75C11R61K0.01FIN60L3200HC140.01R74.7KR74.7KR8 1M2L23.2H6cm 4TC147FC20.1123C3100FC40.0156U2 LM3587R910M4RP2 100RP120KC130.01R5 10KC12

8、10FR4 1KD1LED LG5621AHR131KR121KT29014+12V3+C16 22PC17 22P4MHzG21U1 74HC04U3 AT89C2051R1010K10F3R14R15200（2）应答器电路图RFID系统实验主要涉及通信电子线路和通信原理课程的基础理论和基本知识，这两门课程的知识是相互关联的，某些内容会相互交叉或重叠。本实验中，将实现能量传送的过程作为通信电子线路实验的内容，将实现ASK调制与信息传送的过程作为通信原理实验内容，分别进行叙述。 三、通信电子线路实验部分 3.1 高频振荡器本实验系统采用的石英晶体与门电路构成的多谐振荡器。多谐振荡器是一种自激振

9、荡电路，该电路接通电源后利用电容的充放电，当输入电压达到与非门的阀值电压VT时，门的输出状态即发生变化继而产生一定13.56MHz载波信号产生模块 频率和幅值的矩形脉冲和方波。3.2 高频功率放大器高频功率放大器是为应答器提供能量的电路，因此是整个RFID系统最重要的部分。衡量功率放大器的指标有两个：一个是要求输出功率大；一个是要求集电极的耗散功率低，效率高。功率放大器按照电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。功率放大器电流导通角越小，放大器的效率越高。本实验系统采用由高频晶体管C1970组成的丙类功率放大器,电路结构如图3-1所示。+12VT1C1970L1200HC70.

10、1FC9 530PC10 12PC80.1FL23.2H6cm 4TR3 75RP2 100图3-1 高频功率放大电路3.2.1 高频扼流圈：图3-1中的高频扼流圈L1作为丙类功率放大器的集电极负载和电源接入电路，必须具有较大的高频阻抗和很小的直流电阻，才能保证丙类功率放大器有较高的有效直流电源电压和高频输出信号幅度。本实验系统中采用导磁率较高的NX-500镍锌铁氧体用线径0.4mm的漆包线绕制3040圈，电感量为150200H。 3.2.2 输出谐振回路：为了不失真地放大信号，非线性丙类功率放大器的负载必须是LC谐振回路。图3-1中的 C9、C10与L2组成输出谐振回路，即选频回路。这里采用

11、的是LC串联谐振回路。因为LC串联谐振回路谐振元件上的电压是输入电压的Q倍，采用LC串联谐振回路的目的，是为了在输出天线L2上得到较高的高频信号电压，以取得好的能量传输效果。在RFID系统中天线是传输能量和信息的一个关键环节。天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。RFID系统包括两类天线：阅读器天线和应答器天线。阅读器天线用于发射高频电磁波和接收应答器返回的数据信息，应答器天线用于接收阅读器天线发射的高频电磁波，并将磁场能转换为电能，为应答器芯片供电。RFID天线主要有线圈天线、微带贴片天线、偶极子天线3种基本形式。作用距离小于1m的近距离RFID天线一般采用

12、工艺简单、成本低的线圈天线。本实验系统中阅读器天线L2采用线径0.4mm的漆包线绕成直径6cm的环形空芯线圈，线圈圈数为4圈。 3.3 信号耦合与应答器供电 3.3.1 信号耦合：根据射频耦合方式的不同，RFID系统的信号耦合方式分为电感耦合（磁耦合）方式和反向散射耦合（电磁场耦合）方式两大类。人们通常把具有很小作用距离(典型值在lcm之内)的射频识别系统称之为紧耦合系统。为了正常工作，必须把这种系统的应答器插入阅读器中，或者是放置在一种事先规定的表面上。紧耦合系统不仅可采用电感式耦合，也可采用磁场式耦合。具有写读功能的、作用距离可达1 m的系统称为遥控耦合系统。几乎所有的这种系统都是采用电感

13、(磁)式耦合。作用距离大于l m的射频识别系统称之为远距离系统。所有远距离系统都是采用电磁波方式工作在超高频和微波范围内。这类系统根据其物理功能原理被称之为反向散射射频系统。还有一些工作在微波范围的远距离系统采用的是表面波应答器。如图32所示，当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，阅读器的电感线圈上会产生感应电压。当距离够近，应答器天线电路所获得的能量可以供应答器芯片正常工作时，应答器和阅读器才能进入信息交互阶段。 图32阅读器与应答器之间的耦合电感耦合方式的射频载波频率（称为工作频率）为13.56MHz（波长为22.1m）和小于135KHz(波长为2400m)的频段。本实验系统采用13.56M

14、Hz电感耦合方式。因为使用频率范围内的波长比阅读器天线和应答器之间的距离大很多倍，所以应答器到天线的电磁场可以作为简单的交变磁场来对待。3.3.2 应答器供电：电感耦合方式RFID系统的应答器基本都是无源的，能量（电源）从阅读器获得。当应答器天线线圈L4靠近阅读器天线线圈L2时，在L4上产生感应电压，将这个感应电压整流后，即可产生应答器芯片所需要的直流电压。 本实验系统的应答器供电电路如图33中所示。整流电路为标准的桥式整流电路，由4个二极管构成，为了减小功率损耗，二极管最好选择导通压降为0.3V的锗二极管。此处C19的作用有两个，一是滤除整流后电流中可能含有的高频成分；二是有一定的稳压作用。

15、整流得到的直流电压通过78L05产生3.55V的稳定直流电源为应答器芯片供电。C20、C21、C22的作用是进一步滤除高频成分和稳压。选择78L05作为电压调整和稳压元件，也是为了减小功率损耗、得到较高的稳定直流电压，保证应答器芯片能够正常工作。1 3 21 2034510 11L43.2H6cm 4TIN60×4ZD1ZD2ZD3ZD4C1910FC2047FC22100FC210.01R1410KC23 22FT49014R15 10KC2422PC25 22PG34MHzU5AT89C2051LS7805C1812Pab 图3-3 应答器整体电路图 四、通信原理实验部分4.1

16、RFID系统的调制与解调 4.1.1 RFID系统的调制方式RFID系统通常采用数字调制方式传送信息，用数字调制信号（包括数字基带信号和已调脉冲）对高频载波进行调制。已调脉冲包括NRZ码的FSK、PSK 调制波和副载波调制信号，数字基带信号包括曼彻斯特码、密勒码、修正密勒码信号等，这些信号包含了要传送的信息。4.1.2 ASK调制方式的实现（1）副载波负载调制： 首先用基带编码的数据信号调制低频率的副载波，可以选择振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、或相移键控（PSK）调制作为副载波调制的方法。副载波的频率是通过对高频载波频率进行二进制分频产生的。然后用经过编码调制的副载波信号控制应答器线

17、圈并接负载电阻的接通和断开，即采用经过编码调制的副载波进行负载调制，以双重调制方式传送编码信息。（2）负载调制：电感耦合系统，本质上来说是一种互感耦合，即作为初级线圈的阅读器和作为次级线圈的应答器之间的耦合。如果应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合，则处于阅读器天线的交变磁场中的应答器就能从磁场获得最大能量。同时，与应答器线圈并接的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成反作用，从而引起阅读器线圈回路变换阻抗ZT的变化，即接通或关断应答器天线线圈处的负载电阻会引起阻抗ZT的变化，从而造成阅读器天线的电压变化。如图4-1所示：图 4-1 负载调制原理示意图根据这一原理，我们在应答器中以二进

18、制编码信号控制开关S,即通过编码数据控制应答器线圈并接负载电阻的接通和断开,使这些数据以调幅的方式从应答器传输到阅读器，这就是负载调制。在阅读器端，对阅读器天线上的电压信号进行包络检波，并放大整形得到所需的逻辑电平，实现数据的解调回收。4.1.3 ASK调制信号的解调（1）包络检波：大信号的检波过程，主要是利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程。利用电容两端电压不能突变只能充放电的特性来达到平滑脉冲电压的目的，如图4-2所示。 图42 包络检波原理实验电路如图4-3所示,在高频信号正半周D1导通时，检波电流分三个流向：一是流向负载R7（4.7K），产生的直流电压是二极管的反相偏压，

19、对二极管相当于负反馈电压，可以改变检波特性的非线性；二是流向负载电容C14(103)充电；三是流向负载R8（10K）作为输出信号。如忽略D1的压降则在电容上的电压等于D1输入端电压U2,当U2达到最大的峰值后开始下降,此时电容C14上的电压Uc也将由于放电而逐渐下降,当U2<UC时,二极管被反偏而截止,于是UC向负载供电且电压继续下降,直到下一个正半周U2>Uc时二极管再导通,再次循环下去。 C11R61K0.01FIN60L3200HC140.01FR74.7K13.56MHzD1检波输出图4-3 包络检波电路（2）比较电路：经过包络检波以及放大后的的信号存在少量的杂波干扰，而且

20、电压太小，如果直接将检波后的信号送给单片机2051进行解码，单片机会因为无法识别而不能解码或解码错误。比较器主要是用来对输入波形进行整形，可以将正弦波或任意不规则的输入波形整形为方波输出。比较电路由LM358组成，如图44所示。C1210FC130.01FRP120K+5V832756U2 LM358R8 1MR910M+12V检波信号比较输出4R4 1K1C26 10F图4-4 比较电路LM358类似于增益不可调的运算放大器，其电路结构如图4-5所示。 OUT1 1IN1(-) 2IN1(+) 3GND 48 VCC7 OUT2 6 IN2(-)5 IN2(+)+-+-图45 LM358电路

21、结构和引脚功能图每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM358输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM358用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM358的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时

22、输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。4.2 RFID系统的编码与解码 在RFID系统中，为使阅读器在读取数据时能很好地解决同步的问题，往往不直接使用数据的NRZ码对射频进行调制，而是将数据的NRZ码进行编码变换后再对射频进行调制。所采用的变换编码主要有曼彻斯特码、密勒码和修正密勒码等。RFID系统的编码与解码可以采用编码器、解码器或软件实现方法完成。本实验系统采用软件编程方法实现应答器端的编码和阅读器端的解码。

23、4.2.1 RFID实验系统的编码和解码RFID实验系统的编码由应答器单片机U5通过软件编码方式完成，解码由阅读器单片机U4通过软件解码方式完成。U4和U5均采用美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机AT89C2051芯片，片内含2K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PERROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容MCS-51指令系统，片内置通用的8位中央处理器和Flash存储单元。 图46 AT89C2051引脚排列图 4.2.2 解码显示模块在解码显示部分，选择用2051的P1口作为译码

24、的动态显示输出，动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。解码显示部分电路如图4-7所示。 图4-7解码 显示模块 45 18171216891910181011121315162012比较信号R11 1KC16 22PG24MHzC17 22PC15 22FU3 AT89C2051T29014R121KR131KT3

25、9014+5VU4 CD4511LED LG5621AHR14200R15200CD4511芯片封装形式如图4-8所示。CD4511芯片引脚说明：（1） A 0A3：二进制数据输入端，即为为8421BCD码输入端。（2） BI：消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。（3） LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，CD4511输出被保持在LE=0时的数值。（4） LT：测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否正常。 （5） YaYb：为数据输出端，即译码输出端，输出为高电平1有效。 （6） VDD：正电源。 （7） VSS：接地。 1 A