课程2电子设计竞赛讲座之无线通信系统

电子设计竞赛培训讲座之无线通信系统温州大学物理与电子信息工程学院阮秀凯主要内容电子设计竞赛无线通信类题目概述2007年无线通信类课题解析任务要求题目背景题目分析无线识别装置设计详解方案论证与比较总体设计理论分析与计算识别装置工作流程图测试方法与测试数据改进及扩展功能电子系统设计步骤电子系统设计常用工具讨论导言大学生电子设计竞赛从前几届全国电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成5类：电源类信号源类无线电类仪器类数据采集与控制类从各个题目看，不是简单的电路设计，而是“系统设计”历届无线电类题目2007第八届无线识别装置（B题）设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。2005第七届单工无线呼叫系统（D题）设计并制作一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。2003第六届电压控制LC振荡器（A题）输出频率范围：15MHz～35MHz历届无线电类题目(Cont.)2001第五届F题调频收音机用SONY公司提供的FM/AM收音机集成芯片CXA1019和锁相频率合成调谐集成芯片BU2614，制作一台调频收音机。1999第四届D题短波调频接收机短波调频接收机，接收频率（f0）范围：8MHz～10MHz。1997第三届D题调幅广播收音机利用所提供的元器件（附有资料）制作一个中波广播收音机。接收频率范围：540kHz～1600kHz；1995第二届题目三简易无线电遥控系统设计并制作无线电遥控发射机和接收机。2007年无线通信类课题解析无线识别装置（B题）任务图1无线识别装置方框图设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成，其方框图参见图1。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。无线识别装置（B题）任务（Cont.）装置中阅读器、应答器均具有无线传输功能，频率和调制方式自由选定。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。装置中的耦合线圈为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。线圈直径为6.6±0.5cm（可用直径6.6cm左右的易拉罐作为骨架，绕好取下，用绝缘胶带固定即可）。线圈间的介质为空气。两个耦合线圈最接近部分的间距定义为D。阅读器、应答器不得使用其他耦合方式。无线识别装置（B题）要求基本要求应答器采用两节1.5V干电池供电，阅读器用外接单电源供电。阅读器采用发光二极管显示识别结果，能在D尽可能大的情况下，识别应答器的有无。识别正确率≥80%，识别时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。应答器增加编码预置功能，可以用开关预置四位二进制编码。阅读器能正确识别并显示应答器的预置编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。无线识别装置（B题）要求（Cont.）发挥部分应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得（通过对耦合到的信号进行整流滤波得到能量），不允许使用电池及内部含有电池的集成电路。阅读器能正确读出并显示应答器上预置的四位二进制编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。阅读器采用单电源供电，在识别状态时，电源供给功率≤2W。在显示编码正确率≥80%、响应时间≤5秒的条件下，尽可能增加耦合线圈间距D。应答器增加信息存储功能，其存储容量大于等于两个四位二进制数。装置断电后，应答器存储的信息不丢失。无线识别装置具有在阅读器端写入、读出应答器存储信息的功能。其他。题目背景先从自动识别技术说起……目前，实际应用中的自动识别技术主要有：条形码IC卡RFID生物特征识别：指纹、人脸、虹膜…………自动识别技术是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术，它是信息数据自动识读、自动采集到计算机的重要方法和手段。无线射频识别技术（RadioFrequencyIdenfication，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。什么是RFID?工作原理：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至应用系统进行有关数据处理。应用系统主要完成数据信息的存储及管理，可以由简单的小型数据库担当，也可以是集成了RFID管理模块的大型ERP数据库管理软件。RFID的分类最简单的RFID系统：由标签（Tag）、阅读器（Reader）及天线（Antenna）组成，实际应用时需与计算机及应用系统相结合。RFID的基本类型(供电方式)ActiveSemi-ActivePassive电子标签存储类型只读可读写（容量从16bit到数百Kbit）(transmitterandreceivercombined)(receiverandre-transmittercombined)ReaderTag系统工作原理与条形码类似，只是用无线电代替了激光passivesemi-passiveactive•标签类型:•工作频率:Low(125KHz),High(13.56MHz),UHF(915MHz),MW(2450MHz)•耦合方式:readerantennasignalsignalInductivecouplingBackscattercouplingRFID的分类电感耦合反射调制式耦合方式发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，如上图所示。电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律耦合方式电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3-l0m。RFID的工作频率RFID系统的工作频率，主要有125KHz、13.56MHz、400MHz、860～960MHz、2.45GHz、5.8GHz等多个频段。但是，不同的国家和地区的对频率的分配和最大发射功率的规定是不同的。在某些地区，某些频段的RFID产品可能是被禁止使用的。一般而言，工作频率在100MHz以下的RFID系统是通过线圈之间的磁场耦合的方式工作，通常具有工作距离近，成本低，天线尺寸大，通讯速度低等特点，这类电子标签一般对人体没有影响；而400MHZ以上的RFID系统是通过无线电波发射和反射的方式工作，通常具有工作距离远，天线尺寸小，通讯速度高等特点，这类电子标签一般会有发射功率限制，以避免对人体或环境造成伤害。当前，国内主要应用的是无源、工作频率为13.56MHz和UHF（860~960MHz）的RFID。RFID不同工作频段的区别RFID为何可以无电源工作基于无线功率传输技术阅读器发射信号标签由无线电信号提供能量(约1/1000)电子标签与阅读器之间通过耦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。每个电子标签都含有唯一的识别码，用来表示电子标签所附着的物体。当电子标签接收到阅读器的发射信号的时候，电子标签被“唤醒”，然后根据阅读器发射的指令完成相应的动作，并将响应信息发射回给阅读器。电子标签上的存储单元，可以反复读写10,000次以上。ReaderTag题目分析此为功能性题目。题目的初衷是要做一个无线读卡装置。（RFID）此题最简单的方法是用一对现有的收发芯片，配上题目给出的天线。此题基本要求部分是进行简单的数字通信，发挥部分主要是无线功率传输的问题。解决的方法是，可在发送端不断地进行高频等幅波的发射，在接收端接收其高频能量，检波成直流分量并存储起来，可用电容作为存储元件。由于题目要求传输的信息量很小，可有较多时间进行高频能量的传输。此题的结果可能有三种：一是不能传输信息也就是失败；二是只完成基本部分；三是可进行无源接收。课题设计——方案论证与比较方案0采用供能、通信相分离的方式来实现无线识别。该方案的原理就是将供能和通信分开，用线圈的耦合作用实现应答器的无源供电；而通信则使用无线收发电路制作，比如应用10米波段的MC2833、MC3363收发电路或者315MHz、433MHz等频段的无线数据传输模块来制作。这样的设计，线圈主要完成能量的传输，比较容易实现，而信号的耦合则是通过其他无线通信途径来完成的，与题目中的“不依靠任何其他耦合方式”这一要求不符。课题设计——方案论证与比较（Cont.）方案一采用单片机与有源晶振振荡器组成无线识别系统。阅读器：用串口通信方式扫描应答信号，接收到应答信号后，判别其是否有效，若有效则显示应答器信息，并蜂鸣提示。应答器：当靠近阅读器时，通过线圈耦合获得工作能量，读取拨码开关状态，发送应答信号。特点：采用单片机异步串口通信方式，具有较高的显示正确率。但对于本设计任务，考虑到耦合能量有限，不足以驱动单片机。课题设计——方案论证与比较（Cont.）方案二采用PT2262编码芯片，与PT2272解码芯片组成无线识别系统。应答器通过四位拨码开关进行卡号设置，PT2262对卡号进行编码并通过耦合线圈发射出去；阅读器通过耦合线圈接收信号并交给PT2272解码芯片译码输出应答器卡号，由发光二极管显示。特点：系统组成简单，成本低，功耗小，且PT2262起始工作电压低非常适合能量供应有限的场合。PT2272/62台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路课题设计——方案论证与比较调制方式论证与比较方案一频移键控（FSK）传输速率快，数据正确率高，但调制电路复杂，成本高，尤其功耗较高，而且解调电路较为复杂。本题目要求低功耗，且对通讯指标要求不是很苛刻，如传输数据正确率≥80%，响应时间≤5S，故不宜选用该方案。方案二相移键控（PSK）与FSK类似。方案三幅移键控（ASK）调制电路简单，功耗较低，常用于简单的低速数据通信，解调电路也十分简单，满足本设计任务要求，综合考虑我们选用该方案。课题设计——总体设计1．阅读器部分（参考）电能由振荡电路产生经后经多级放大电路放大，通过耦合线圈发送出去；阅读器通过耦合线圈接收应答器发送的信号，信号经检波电路检波后送给PT2272串口接收，PT2272对编码信号进行解调后输出识别结果。振荡电路与检波电路是交替工作的，周期由555产生，单工切换可由电子开关控制。（在此采用继电器，功耗较大，速度较慢）阅读器设计阅读器原理图课题设计——总体设计2．应答器部分（参考）应答器通过耦合线圈谐振耦合获取能量，再经放大整流电路向储能电容充电获得系统工作所需电能；当电容电压经电压判断电路判断达到指定幅值时，应答器开始工作，PT2262读取拨码开关值，并通过串口发送编码信号，此时有源晶振产生载波信号，编码信号再经ASK调制，从耦合线圈辐射出去。应答器设计应答器原理图课题设计——总体设计阅读器电路图课题设计——总体设计应答器电路图课题设计——理论分析与计算1．耦合线圈匹配理论采用线圈与可变电容组成并联谐振回路，测试得线圈电感为11uH，可变电容容量为5~25PF，可得谐振频率为：21MHZ到9MHZ之间。对回路进行谐振频率测量得到谐振频率为11.4MHZ。因而，阅读器采用11.0952MHZ有源晶振产生接近与谐振频率的能源载波频率。应答器采用11.0952MHZ有源晶振作为载波频率。课题