【《引信射频装定技术研究》4600字】

第1章绪论引信射频装定技术研究目录TOC\o"1-3"\h\u16788引信射频装定技术研究 1247591.1引信装定系统通信技术分析 1175331.1.1通信方式 182041.1.2信号调制方式 2228921.1.3信号解调方式 3263861.1.4数据编码形式 3304671.1.5数据完整性 4107371.1.6RFID国际标准 51461.2引信射频装定系统供电技术 6100821.3引信射频装定系统方案 620551.3.1引信感应装定系统的组成 6100571.3.2系统工作频率的选择 811881.3.3系统电路设计 9325441.3.4耦合线圈的设计 91.1引信装定系统通信技术分析1.1.1通信方式单工通信即信号只能由A向B方向进行传输[29]。半双工通信是指发送端A与接收端B之间只有一个信号传输通道，但是在某一特定时刻的传输方向是单一的，只能是从A到B或是由B到A[30,31]，图2-1（b）所示。全双工通信是在指通信的Sender和Receiver可以互换，即A和B既可以是Sender，也可以是Receiver，在这种情况下信号可以同时在两个方向上传输，此时双方可以同时发送和接收数据[30]，理论上，这种方式可以提高网络效率，实际上仍然需要配合其他设备[32]，图2-1（c）所示。(a)单工通信(b)半双工通信(c)全双工通信图2-1三种通信方式1.1.2信号调制方式调制和解调是现代通信的重要手段。调制是用二进制数0和1对载波进行控制，使载波的相关参量随着数字基带信号的变化而变化。解调是识别载波参数的变化之后，并内部提取出二进制数的过程。装定信息经过数据发射线圈后，在数据发射线圈周围形成电磁波，能量发射线圈以同样的方式传输能量，改变电磁波信号的参量之一，得到调制后的信号，并传送到空间内的任一点去。常用的调制解调原理如下：振幅键控（ASK）：载波振荡的振幅根据编码方式的不同，在信号幅值的最大值与最小值之间变化，在这里用u0和u1表示幅值的最大和最小。键控度m指振幅变化（（u图2-2ASK调制原理Fig.2-2PrincipleofASKmodulation频移键控（2-FSK）：频移键控是用二进制数字0和1去控制振荡源输出调制信号[33]。相移键控（2-PSK）：相移键控就是让载波的相位在0°到180°之间改变，对输入信息进行调制[34]。副载波调制法：这种调制方法常用于阅读器与IC卡的通讯过程中。在阅读器电路中，电阻以很快的频率接通或断开电路，那么在载频±fH处会产生两条频谱线，这个频率叫副载波。图2-3所示为副载波调制信号的产生过程图2-3副载波负载调制Fig.2-3Subcarrierloadmodulation1.1.3信号解调方式相干解调，顾名思义，就是Sender与Receiver要有关系，这种解调方式就是说要在Receiver输入一个与Sender载波同频同相的信号，解调时发送端信号与Receiver相乘，可得到原信号1/2幅值的信号。常用于解调所有的线性调制信号。原始信号A与载波cos(ωt+θ)相乘后得到信号Acos(ωt+θ)；即先经过调制，解调时引入同样的载波信号F(t)=Acos(ωt+θ)化简后可得：Ft低通滤波器除去高频信号cos(2ωt+2θ)，可得到原信号1/2幅值的信号，A非相干解调是根据信号的调制幅度的不同，从中恢复出调制前的信号，振幅键控（ASK）信号一般采用包络检波。非相干解调只考虑信号包络形状，处理复杂度低，实现简单。1.1.4数据编码形式常用的数据编码方式如下：不归零编码：用二进制数0、1表示电平变化，电平由0变为1或由1变为0代表1，在一个周期内，电平不变表示0，在表示完一个码元后，电压不需回到0。这种编码方式的弊端在于需要通信双方同时同步发送数据信息。NRZ（反向不归零）编码：用二进制数字1代表高电平，用二进制数字0代表低电平。Manchester编码：定义传输数字0或1为一个周期，在半个周期的负边沿跳变代表二进制1，电平正边沿跳变代表二进制0。差动双相编码：在半比特周期中不管电平由0变为1还是由1变为0，代表二进制0，在整个码元周期内，电平一直是0或1，代表二进制1。米勒编码：这种编码方式与差动双相编码正好相反，不同于差动编码，米勒编码对单个和连续相同的马原进行区分，对于原始信号1，用半周期内的任意跃变表示，对于码元0，分单个0和连续0，在传输的字节中有1个0，电平保持0前不变，若数据列中存在至少相邻的两个0时，需要在连续的0边界处发生电平跃变。图2-4常用的数据编码形式Fig.2-4Commonlyuseddataencodingforms1.1.5数据完整性和校验：用无线方式发送数据的话，容易受到外部的干扰。干扰时间长的话，数据传输中会发生连续错误。校验和法是对传输的1个字节进行加运算，即在发送端，将8位二进制数的和作为第9位二进制数据传输给接收方，在接收方按照上述方法计算，若出现错误，发送端重新传送数据。CRC校验法：该方法可规定校验字段的长度，基本原理是：一段数据被认为是一个很长的二进制数，它被一个特定的数字去除，余数被用作传输的验证码，接收端进行同样处理，如有差错可以发现。这种方法可以发现数列中包含的数据顺序出错的问题。XOR校验和：在传输过程中，数据块的头部首先加上8位二进制数组成的命令字节，然后进行传输，传输规则为：一个字节的命令字节首先与数据块的第一个字节异或计算，结果在与数据块中的第二个字节进行异或计算，以此类推进行异或，直到计算至数据块的最后一个字节，最后一个字节的计算结果作为校验位，此时发送端在数据块字节的后面加上这个校验位发送出去，接收端在收到字节后也进行上述的操作。这种数据校验方法简单，但是弊端在于若接收端出现多处错误，且错误会0、1相互抵消，或者数据的前后位置之间变化，虽然不影响最终结果，但是数据传输会出错，这种错误不能检测出来。1.1.6RFID国际标准目前全球有五大射频识别标准组织，分别是EPCGlobal、UID、ISO/IEC、AIMGlobal和IP-X[36]。国际标准化组织ISO/IEC积极吸收了各国际行业协会的意见，是目前国际标准化组织的标准体系中实现最好的InternationalStandard[37]。本节介绍与射频装定系统密切相关的射频识别系统的InternationalStandard。表2-1描述了RFID的相关国际标准。表2-1RFID国际标准Table2-1RFIDinternationalstandards低频高频工作频率125kHz134.2kHz,123.7kHz13.56MHz13.56MHzISO标准18000-218000-3.1,1444318000-3.2,15693读写速度慢中等很快初级到次级的数据传输100%ASK,脉冲宽度编码(PIE)100%ASK，脉冲宽度编码（PIE）100%ASK,改进的Miller码（A型）；10%ASK，NRZ编码（B型）10%ASK,100%ASK；256中取1,4中取1次级到初级的数据传输ASK负载调制,Manchester编码或Differentialduplex编码FSK调制，NRZ编码ASK调制847kHz的副载波,Manchester编码(A型)；PSK调制的847kHz的副载波副载波的负载调制;Manchester,ASK(423kHz),FSK(423/485kHz)1.2引信射频装定系统供电技术为满足在存储、运输以及发射过程中的安全要求，引信在勤务处理阶段电源不能激活[38]。引信发射后的飞行过程中，能量是一切工作的基础。引信的装定过程、发射后的飞行阶段均需要能量供应，但是装定过程中能量传输线圈之间耦合较弱，所以在感应装定过程中，感应的能量只作为数据传输的媒介，不为发射后飞行阶段电路提供能量，电路能量通过激活电源提供[39]。1.3引信射频装定系统方案1.3.1引信感应装定系统的组成本文所设计的引信感应装定系统集数据传输与数据校验功能于一体，在主控MCU的控制下，将上位机通过串口发送的信息进行接收，经由单片机内部Manchester编码后成为基带编码信号，再由单片机控制输出到信息调制和发射电路，经过感应线圈的感应接收，信息接收电路主要实现信息的接收、解调和存储，从而实现感应信息装定的目的；数据校验主要负责数据信息的回传，即装定逆过程。图2-5系统总体结构框图Fig.2-5Blockdiagramoftheoverallsystemstructure由于引信接收器内部电路对能量要求比较高，且要保证数据校验的正常进行，使用一套线圈传输能量与信息难以满足要求，所以本系统采用两套传输线圈，一套专门用于传输能量，另一套专门用来传输信息。整个系统由引信装定器、引信接收器组成，采用半双工通信的方式，在某一时刻数据只能由装定器向引信接收器传输，或是由引信接收器向装定器传输。系统总体结构框图如图2-5所示。在数据传输过程中，初始装定信息通过串口从上位机发出，串口采用串行数据传输方式，在装定器主控MCU的控制下，装定信息实时编码，以一定占空比的码元形式经由串行数据总线进入存储芯片进行存储，同时，主控芯片将编码后的码元输入信号调制芯片，调制芯片在主控MCU芯片的控制下，对发过来到的二进制信息进行调制和功率放大，然后通过调制芯片输出端引脚将调制过后的信号连接到数据发射线圈上，进行装定信息的发送；由于引信在勤务处理阶段内部电源不激活，所以装定过程必须由装定器提供能量，感应耦合后传输给引信，完成装定信息的传输、存储。在数据校验过程中，装定器发出控制指令，引信接收器内部主控芯片读取存储器的信息，同时编码发送，通过引信接收器内部的副载波负载调制电路调制后发送至数据接收线圈，数据发射线圈感应到信号后，通过装定器射频芯片内部的解调电路对信号进行处理，SPI通信方式回传至装定器主控芯片，主控芯片解码存储。射频装定系统的设计方案，分为频率选择、装定器及接收器内部电路设计和耦合线圈设计三大模块。这里装定器结构确定，只需设计内部电路即可。通讯频率的快慢会对数据传输速率有影响，硬件电路主要完成装定数据的编码、调制、解调解码等功能，发射线圈和接收线圈等与电路匹配线圈的设计主要为了数据传输又快又好。1.3.2系统工作频率的选择根据引信装定系统的实际应用环境，确定系统的信息传输方式。依据RFIDInternationalStandard，选用系统的工作频率为13.56MHz。表2-2各频段射频系统的性能比较Table2-2Performancecomparisonofradiofrequencysystemsinvariousfrequencybands工作频段国际标准性能描述应用134.2kHzISO18000-2读写距离小于1cm，通讯速度较低，应答器功耗低，成本低，穿透水、金属不敏感动物识别；汽车防盗，门禁和安全管理系统ISO11784ISO11785续表2-213.56MHzISO18000-3读写distance1~10cm，通讯速率中等，技术成熟一卡通、银联卡、护照ISO14443A13.56MHzISO18000-3读写距离小于1~50cm，通讯速度高；技术成熟图书馆借还书，车站闸机，物流扫描ISO15693850~950MHz1.4~1.5GHzISO18000-4ISO18000-6ISO10374工作距离4~6cm，可一次提取多个标签，技术相对复杂，多采用半无源方式，对人体有害移动车辆识别、生产线自动化等表2-2直观介绍了射频系统的工作性能，在低频情况下，能量传输效率高、数据传输速率低；在高频情况下，能量传输效率低、数据传输速率高，工作距离远。本文的引信射频装定系统，装定过程中无源，要求能量耦合效率较高，且规定装定的时间窗口不宜过长，数据传输模块选用13.56MHz的系统频率。1.3.3系统电路设计图2-6系统电路组成Fig.2-6Systemcircuitcomposition本文的硬件设计包括引信装定器电路设计、引信接收器电路设计。系统电路组成如图2-6所示。引信装定器电路包含MCU控制模块，调制解调电路以及功率放大电路。本系统用STM32F103芯片作为系统主控芯片，其最高工作频率可以达到72MHz，主控芯片及其外围电路实现对后续电路的控制，调制电路的作用是以信号幅值为开关，去控制13.56MHz的载波，实现信号调制。解调电路用于数据校验过程中对回传信息的解调。引信接收器电路同样包含MCU控制模块，比较放大电路，负载调制电路和副载波调制电路，解调电路。数据传输过程中，解调电路用于装定信息的解调，比较放大电路实现对解调信号的进一步处理，使之成为能被单片机处理的信号。数据校验过程中，副载波调制电路主要实现对装定信息调制，负载调制电路依据已调信号的幅值控制电路通断，引起回路负载发生变化，从而反映到数据发射线圈。1.3.4耦合线圈的设计系统的工作方式为静态手持感应方式，整个装定过程为无源工作方式。耦合线圈