【引信射频装定系统设计案例分析5500字】

引信射频装定系统设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u12490引信射频装定系统设计案例分析 1300091.1系统原理框图 1581.2装定器设计与实现 2250831.2.1装定器电源电路设计 3208321.2.2装定器控制单元电路的设计 3118791.2.3装定器与上位机接口电路 466881.2.4装定器射频接口设计 53181.2.5装定器解调电路设计 6299451.2.6装定器软件设计 10262991.3引信接收器设计与实现 1146191.3.1接收器解调电路设计 1261491.3.2接收器负载调制电路设计 1244191.3.3接收器软件设计 15233481.4耦合线圈设计 1758381.1.1装定器数据发射线圈设计 17103461.1.2引信接收器数据接收线圈设计 181.1系统原理框图根据引信射频装定装定系统的功能，本系统主要分为两部分：装定器和引信接收器。装定器作为Sender，引信接收器作为Receiver。Sender中包括能量发射电路（电源电路）、控制电路、射频放大电路及与之匹配的发射线圈；Receiver包括能量电路、控制模块、数据编码存储和与之匹配的感应线圈。图4-1描述了小口径火炮引信射频装定系统原理。系统设计包含三部分：装定器软、硬件配置，引信接收器软、硬件配置，耦合线圈设计。图4-1系统原理框图Fig.4-1Systemprincipleblockdiagram装定器包含以下功能：（1）完成与上位机（火控系统）的通信；在本系统中，计算机与装定器的通信使用RS232串口。（2）完成与引信接收器的通信：两个模块之间采用ISO14443A通讯协议，该协议最大可实现50cm的通讯距离。Sender要控制Receiver的工作模式，包含以下两种工作模式：一是处于数据传输模式，正向传输装定数据信息；二是处于数据校验模式，此时Receiver读取内部FLASH的信息，进行编码调制后发送。（3）完成装定信息的处理和控制：信息的处理过程包括对信息的加密和转化等；装定信息的控制是指装定器为实现可靠的装定而采取的校验、信息反馈等方法。引信接收器要实现的功能包括：（1）在无源情况下，完成与装定器的通信，基于电磁感应原理，数据传输线圈之间采用ISO14443A通讯协议，并将数据信息存储于主控MCU内部的FLASH，完成数据的正向传输。（2）在无源情况下，基于电磁感应原理，数据传输线圈之间采用ISO14443A通信协议，将主控MCU内部的存储的数据信息经过一系列处理后返回给引信装定器，实现数据校验。（3）在有源情况下，可以读取装定信息。能量发射电路与能量接收电路参考芯科泰公司生产的XKT412、XKT3168芯片完成能量传输。耦合线圈要实现的功能包括：利用两套感应线圈的电感耦合，完成两个模块之间能量与信息的有效传输。1.2装定器设计与实现装定器模块电路的组成结构如图4-2所示，其中，电源给装定器MCU提供能量；MCU实现数据的接收、识别和处理功能，完成与射频（RC522）芯片的通讯；射频模块实现数据的调制解调功能；二级解调电路主要对返回的装定数据信息进行处理；Sender中数据线圈与接收线圈感应耦合传输数据。上位机与装定器MCU用RS232串口连接；MCU与射频模块之间采用SPI通信协议。图4-2装定器电路的组成结构Fig.4-2Thecompositionandstructureofthesettercircuit1.2.1装定器电源电路设计根据要求，为Sender提供28V的直流电压接口，在数据传输模块中，STM32F103芯片的正常工作电压为3.3V，RC522芯片正常工作电压为3.3V，CPL2102串口的工作电压为5V，所以设计稳压为5V的电路，将28V的直流电压转变为5V输出；在能量传输电路中，XKT412的电压范围为5-12V，电源接口28V的直流电经过LM7809芯片转换为9V输出，可以为Sender能量电路提供电源，其次，经过LM7805芯片后，转换为5V电压输出，同样为Sender信息传输电路提供电源。C1、C2、C3、C4为滤波电容，电路图如图4-3所示。图4-3稳压电路Fig.4-3Voltagestabilizingcircuit1.2.2装定器控制单元电路的设计装定器用STM32F103芯片作为主控MCU，该芯片选用48脚的LQFP封装，四边尺寸大小为9mm×9mm×1.6mm，最高的工作频率为72MHz，使用高性能的ARM@CortexTM-M332位的RISC内核，多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、1个USB接口和1个CAN接口ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>孙书鹰</Author><Year>2010</Year><RecNum>672</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[42]</style></DisplayText><record><rec-number>672</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="rx2r52a0xrtesnesarup00x80p952wpvrwf9"timestamp="1617882810">672</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>孙书鹰</author><author>陈志佳</author><author>寇超</author></authors></contributors><auth-address>军械工程学院光学与电子工程系;</auth-address><titles><title>新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用</title><secondary-title>微计算机应用</secondary-title></titles><periodical><full-title>微计算机应用</full-title></periodical><pages>59-63</pages><volume>31</volume><number>12</number><keywords><keyword>STM32F103芯片</keyword><keyword>嵌入式微处理器</keyword><keyword>温度测量</keyword></keywords><dates><year>2010</year></dates><isbn>1003-1944</isbn><call-num>11-2204/TP</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[42]。本系统中，主控MCU完成的功能包括：控制射频芯片工作以及相关外围电路（晶振连接、电源去耦等）的控制。主控芯片的电路图如图4-4所示。图4-4装定器主控MCU电路图Fig.4-4Circuitdiagramofthemaincontrolchipofthesetter端口配置如下：PD0、PD1为8M晶振输入口OSC-IN、OSC-OUT，PC14和PC15为32.768kHz晶振的输入口，PA9、PA10为UART1发送接收口TX1、RX1，四线SPI配置，BOOT0和BOOT1控制单片机的启动方式，PB12、PB13、PB14、PB15分别作为NSS、SCK、MISO、MOSI。PB8控制数据传输的方向，PB4控制射频芯片的复位。1.2.3装定器与上位机接口电路装定器与上位机之间用RS232串口连接。使用CPL2102芯片，CPL2102是USB-UART集成桥控制器，提供了一种简单的解决方案，可以以很少的零件和PCB将RS-232变为USB口。采用紧凑的5×5mmQFN-28封装。图4-5装定器与上位机接口电路原理图Fig.4-5Schematicdiagramoftheinterfacecircuitbetweenthesetterandthehostcomputer1.2.4装定器射频接口设计装定器射频接口电路连接主控芯片与数据发射模块，完成无线信号的调制、解调和编码等功能，是无线通讯协议的实现者。本系统采用ISO14443A通信协议。MFRC522是高度集成的读写器，用于13.56MHz的无线通讯中。MFRC522支持ISO14443A/MIFARE®模式，内部包含接收和发送两个模块，发射模块用于驱动与IC卡进行通信的PCB板载天线，而不再需要额外的供能电路；接收模块包含解调解码电路，通过IS014443A通讯协议接收与之匹配的信号ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈璐</Author><Year>2014</Year><RecNum>586</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[43]</style></DisplayText><record><rec-number>586</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="rx2r52a0xrtesnesarup00x80p952wpvrwf9"timestamp="1617672597">586</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>陈璐</author></authors><tertiary-authors><author>尹应增,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>超高频射频识别阅读器的频谱研究与系统设计</title></titles><keywords><keyword>超高频</keyword><keyword>射频识别阅读器</keyword><keyword>频谱分析</keyword><keyword>FPGA</keyword><keyword>PIE编码</keyword></keywords><dates><year>2014</year></dates><publisher>西安电子科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[43]。表4-1RC522射频芯片与STM32F103芯片连接关系图Table4-1ConnectiondiagramofRC522RFchipandSTM32F103chipRC522射频芯片SPI接口主控芯片STM32F103SDANSSPB12D5SCKPB13D7MISOPB14D6MOSIPB15D1-D4无RSTPB4EA高TEST高图4-6射频芯片电路图Fig.4-6Circuitdiagramoftheradiofrequencychip射频接口电路由RC522电路、低频通过高频拦截的滤波电路和Sender数据线圈谐振电路组成。TX1、TX2连接在Sender的数据线圈两端，TGND为线圈中心抽头，接地，RX1连接线圈一端，主要用于接收数据校验过程中的信号。射频（RC522）电路频率为13.56MHz，该晶振匹配电路同时产生高次谐波，这种谐波没有意义，第3、5和更高次的13.56MHz谐波必须被抑制，因而L1、L2、C3和C7构成一个低通滤波器，其余电容构成线圈谐振电容。1.2.5装定器解调电路设计装定器，也叫Sender，它的另一个功能，在数据校验过中，对引信接收器返回的数据信息通过解调解码等操作存储起来，当Sender数据线圈感应到副载波负载调制信号后，对该信号的解调过程为：首先通过RC522内部的解调器解调，再通过搭建电路实现二级解调，解调之后的信号送入单片机的IO口，单片机按照通信协议识别该信号并存储。二级解调电路如图4-7所示，包含比较放大电路和反相器电路。图4-8中通道一的黄色信号为经过RC522内部一级解调后的信号，这样的信号单片机不能识别，所以要搭建二级解调电路，首先经过LM393比较器，处理后的信号波形如图4-8通道二所示，再经过U2、U3斯密特反相器，处理后的信号如图4-9通道二所示，这样的信号幅值为3.3V，易于被单片机处理。图4-7二级解调电路Fig.4-7Secondarydemodulationcircuit图4-8解调后的信号Fig.4-8Demodulatedsignal图4-9反相器处理后的信号Fig.4-9Thesignalprocessedbytheinverter装定器包括单片机控制单元、射频功率放大电路、解调电路和Sender数据线圈谐振电路组成，电路原理图如图4-10所示。图4-10装定器电路原理图Fig.4-10Thecircuitprinciplediagramofthesetter

1.2.6装定器软件设计装定器中的单片机通过RS232串口接收来自上位机的数据，经过处理后，通过SPI配置射频芯片寄存器的值，从而实现向次级线圈发送装定信息的目的。系统控制流程为微处理器通电后，完成各个寄存器的初始化操作，然后进入中断等待阶段，在UART中断程序中判别上位机发送的信息并存储，然后对上位机发送来的数据进行Manchester编码，编码后通过MFIN引脚进入RC522芯片。在实际的装定应用中，程序设定为循环发送数据，以实现对Receiver中数据线圈的可靠装定。图4-11为装定器软件程序流程图。图4-11装定器软件程序流程图Fig.4-11Themainprogramflowchartofthesetter(1)单片机初始化装定系统的经常用于战场复杂的电磁环境中，所以系统时钟利用STM32的外部高速振荡时钟提供时钟信号，由主PLL输出时钟，软硬件资源的结合配置，减小了PCB板的体积，MCU最高频率可达到72MHz，用PLL作为系统时钟，控制AHB时钟不分频，然后8分频到Cortex系统，时钟为9MHz。程序见附录一。(2)射频芯片初始化在为RC522内部的寄存器Command和FIFO配置相应的值之后，至此射频芯片初始化完成。程序见附录二。(3)串口初始化与串口中断串口初始化，主要是安排好数据信息传输的速率以及串口中断，通过RXD（PA10）引脚把数据信息进入到MCU内部，数据传输速率为125kHz，串口波特率设置为125000bps，便于对数据接收。程序见附录三。(4)Manchester编码本系统中，采用Manchester编码形式进行装定信息的传输，原理是在一个码元周期内，采用上升沿对应数据0，下降沿对应数据1。程序见附录四。(5)验证数据的帧头//数据帧头为0xDB、0xA0在与上位机通讯的过程中，首先发送0X00（装定数据开始），验证数据的帧头。程序见附录五。1.3引信接收器设计与实现引信接收器的功能包括两部分：一是对接收到的数据信息通过解调解码等操作并保存，当Receiver中数据线圈感应到ASK调制信号之后，利用后续的调理电路对信号进行低通滤波，比较放大，处理得到主控MCU能够识别的信号，进入单片机解码存储；二是装定信息校验，装定信息存储至单片机后，通过副载波的负载调制，实现信息由Receiver回传至Sender，Receiver电路能量由接收电路提供，电路的组成结构如图4-12所示。图4-12引信接收器电路组成Fig.4-12Fuzereceivercircuitcomposition引信接收器安装在引信体内部，电路板为ϕ28mm的圆形电路板，且受引信体结构形状的影响，因而在实现原理的基础上，引信电路的小型化是重点。1.3.1接收器解调电路设计引信接收器电路实现的功能比较简单，包括数据的接收、发送以及存储。Receiver采用和Sender相同的芯片，STM32F103C8T6。在数据传输阶段，Receiver解码存储电路由接收线圈谐振电路、低通滤波电路、比较放大电路及反相器电路、主控MCU基本电路组成，如图4-13所示。H1为Receiver匹配的数据线圈，线圈与电容C1构成LC并联谐振耦合回路；由于能量与数据线圈同轴，接收端信号有干扰，而能量传输线圈频率为60kHz，数据传输线圈载波频率为13.56MHz，两套线圈之间频率相差较大，所以在电路中要加入LC低通滤波电路，即C2与L1构成的电路；二极管D1、R1、C3组成检波及低通滤波电路，检波电路检出调制信号的包络，为了将高于截止频率125kHz的信号滤掉，根据公式f=1/2πRC图4-13引信接收器解调电路Fig.4-13ThesolutionofthefuzereceiverTuningcircuit1.3.2接收器负载调制电路设计引信接收器在数据校验阶段，Receiver对13.56MHz的载波信号进行分频得到847.5kHz的方波信号，以它作为载波对主控MCU发出的装定信息进行调制，该调制信号控制开关管的通断，导致引信接收电路负载发生变化，这种变化感应到Sender中的数据线圈上，即数据线圈两端的电压幅值会发生变化，经过这个过程得到副载波负载调制信号。Receiver电路中包含数据线圈谐振回路、副载波调制电路、载波调制电路、分频电路等。上述电路的工作原理为：数据校验开始时，Sender数据线圈只发13.56MHz的载波，Receiver线圈感应到载波信号，与电容C14、可变电容C15构成振荡回路产生谐振，U1的74HC4040芯片为分频芯片，对13.56MHz的载波信号16分频，得到847.5kHz的信号，该信号称为副载波，Receiver的MCU发送装定信息，装定信息与副载波经过74HC00芯片的与非门，得到副载波调制信号，将该信号加载到开关管Q1上，开关管Q1随调制信号幅值的变化导通和截止，开关管的通断会导致接收电路负载电阻变化，从而引起Sender线圈上的电压幅值变化，最后在线圈上形成副载波负载调制信号。图4-14负载调制电路Fig.4-14Loadmodulationcircuit引信接收器包含MCU控制电路、解调电路、低通滤波电路、比较放大电路、副载波负载调制电路和Receiver线圈谐振电路组成，电路原理图如图4-15所示。

图4-15引信接收器电路原理图Fig.4-15Schematicdiagramoffuzereceivercircuit

1.3.3接收器软件设计引信接收器的软件设计主要完成对Sender输出信息的识别和存储等功能，通过无线供电模块为Receiver供电，首先进行信号解调，然后单片机对数据解码，解码后的数据存储在内部的FLASH中。如图4-16所示为引信接收器软件程序流程图。图4-16引信接收器软件程序流程图Fig.4-16Flowchartofthesoftwareprogramofthefuzereceiver(1)Manchester解码Sender信息编码使用Manchester编码，为与之匹配，在Receiver用Manchester解码。(2)数据存储引信接收器解码完成后，对数据信息进行存储，以此确保数据传输过程无误，要求Receiver主控MCU存储容量大于等于1Mb，使用STM32F103C8T6内部128KB的FLASH可满足要求。这里选用W25Q128存储器。W25Q128与主控MCU通过SPI方式通信，当数据全部存储后，即可返回原程序。数据存储流程图如图4-17所示。图4-17数据存储流程图Fig.4-17Flowchartofdatastorage（3）RC522内部解调实现RC522可以读写IC卡，说明RC522内部可对卡回传信号进行解调解码，根据RC522芯片技术手册，在程序中设置TestSel2Reg寄存器为07h，设置TestSel1Reg寄存器为06h，设置AnalogTestReg寄存器为FFh，则RX引脚输出的信号为第二级解调后的波形，设置AnalogTestReg寄存器值为56h，则AUX1引脚输出的信号为第一级解调后的波形。程序见附录七。（4）数据