无线自动识别系统电路的设计分机部分毕业设计.docx
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无线自动识别系统电路的设计分机部分毕业设计
西安工业大学北方信息工程学院
本科毕业设计(论文)
题目:
无线自动识别系统电路的设计
(分机部分)
毕业设计(论文)任务书
系别电子信息系专业通信工程班级B090310姓名陈少雄学号B09031002
1.毕业设计(论文)题目:
无线自动识别系统电路的设计(分机部分)
2.题目背景和意义:
目前大型船只均装有国际通用AIS自动识别系统,来进行身份识别。
而对于中小型船只来说,AIS系统过于昂贵的价格和过于复杂的系统功能使得该系统不适用于中小型船只的基本身份识别。
本课题所设计的系统就是针对这一点,专为中小型船只的身份识别提供便利。
该系统主要用在对进出港口的船只进行识别,它由设在岸上的主机和装在船上的分机两部分组成。
船只进出港口时,主机发出问讯信号,船上分机收到该信号后,能自动发出应答信号。
主机收到该信号后,可识别出该船只的“身份”。
该系统具有一定的实用价值。
3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标):
1)为提高可靠性及保密性,主机和分机均采用无线编码信号,发射功率>0.5W;2)主机收到分机信号后,能发出提示音并显示装置的编号;3)设计出电路图,装配图,并进行装配,调试。
4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):
本设计要求完成整个无线自动识别系统的功能设计,并进行装配调试。
设计工作要求严格按照学校的计划安排和各项规范进行,保质保量完成任务书中各项工作,技术指标满足要求并认真撰写学位论文。
1—3周:
查阅相关专业资料,选定方案,开题;
4—8周:
进行详细的方案设计、功能模块划分以及设备器件选型等,以及对硬件设备进行初步的了解和掌握,软件的初步应用和调试;
第9周——第10周:
利用Protel99完成电路图的封装,确保电路的可行;
第11周——第12周:
与主机进行接收发送的联调,实现课题的目的;
第13周——第15周:
撰写毕业论文,进行毕业答辩。
5.毕业设计(论文)的工作量要求撰写15000字论文
①图纸(幅面和张数)*:
A4(标准幅面210mm×297mm)
②其他要求:
提供完整的无线自动识别系统电路的设计,并完成与课题相关的3000字左右的英文文献资料翻译。
指导教师签名:
年月日
学生签名:
年月日
系主任审批:
年月日
说明:
1本表一式二份,一份由学生装订入册,一份教师自留。
2带*项可根据学科特点选填。
无线自动识别系统电路的设计(分机部分)
摘要
射频识别即RFID(RadioFrequencyIDentification)技术,又称电子标签、无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
常用的有低频(125k~134.2k)、高频(13.56MHz)、超高频,无源等技术。
RFID读写器也分移动式的和固定式的,目前RFID技术应用很广,如:
图书馆,门禁系统,食品安全溯源等。
本课题主要用在对进出港口的船只进行识别,它由设在岸上的主机和装在船上的分机两部分组成。
船只进出港口时,主机发出问讯信号,船上分机收到该信号后,能自动发出应答信号。
主机收到该信号后,可识别出该船只的“身份”。
本课题基于FRID射频识别技术对进港船舶身份编号识别进行研究。
仅以设在船舶上的船载设备进行设计讨论。
关键词:
滤波放大;编码;调频;高频功率放大
DesignofWirelessAutomaticIdentificationSystemCircuits(TheExtensionPart)
Abstract
RadiofrequencyidentificationisRFID(RadioFrequencyIDentification)technology,alsoknownaselectronictags,radiofrequencyidentification,isakindofcommunicationtechnology,throughthespecifictargetradiosignalrecognitionandtoreadandwritedata,betweenwithoutrecognitionsystemwithspecificobjectivestoestablishmechanicaloropticalcontact.Commonlyusedwithlowfrequency(125k~134.2k),highfrequency(13.56MHz),ultrahighfrequency,passivetechnology.TheRFIDreaderismobileandfixed,andtheapplicationofRFIDtechnologyisverybroad,suchas:
library,accesscontrolsystemandfoodsafetytraceability.
Thistopicmainlyusedonimportandtheshipsintheharbourwereidentified,whichiscomposedoftheshoreofthehostandinstalledintheship'sextensionoftwoparts.Ports,hostsendstheinformationsignal,theshipreceivedthesignalaftertheextension,canautomaticallysendaresponsesignal.Thehostreceivesthesignal,whichcanidentifytheships"identity".
ThisprojectisbasedontheFRIDradiofrequencyidentificationtechnologytostudythearrivalofshipidentificationnumberrecognition.Theequipmentintheshipisonlydiscussedinthepaper.
KeyWords:
FilterAmplifier;Coding;FrequencyModulation;HighFrequencyPowerAmplifier
1绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义
我国已经跨入了全面建设小康社会的时期,建设“和谐社会”成为现阶段我国社会经济发展的一个重要目标,如何更好地加强水上运输监管设施的建设,确保人民生命财产安全,保护环境,保障经济的持续发展,成为港航部门的重中之重。
近年来,随着陆路交通逐步显现物流运量瓶颈,提高水运效率,改善水运监管环境逐步成为沿江各城市的发展战略。
在传统“黄金水道”的长三角和运河沿线地区,各个主要城市都在制定雄心勃勃的“水运强市”、“数字港航”工程计划,充分发挥其内河航运的优势,降低物流运输成本,提高经济社会的综合竞争力,以利于进一步支持经济建设的快速发展。
在实际业务环境中,信息技术获得了广泛和深远的应用。
各个内河港航城市均已投入大量人力物力加快信息网络化建设步伐和科技投入力度,例如建立健全整个航区的船舶中心数据库,依据港航管理业务实现船舶年审、进出港签证、稽征缴费、现场监管、信息综合利用等业务的信息化、网络化动态管理。
这些依靠先进信息技术的系统应用,实现了不停航检查,打破了“属地管理”的传统模式,为打造“数字港航”奠定了扎实的基础,但在这些系统的现场监管模块中,仍然采用人工录入船名船号的采集方式。
如果出现船名船号被遮盖、夜间看不清、船舶流量过大及操作者困乏的状况,这就可能造成船名船号无法实现自动识别,成为打造“数字港航”的最大瓶颈。
那么,有没有经济实用的办法解决船舶船号的自动识别呢?
有,这就是近几年走向成熟的新技术,即射频识别技术(RFID)。
RFID是起源于上世纪50年代的一项自动识别技术。
它利用射频方式进行非接触式通信交换数据以达到识别目的。
一个典型的RFID应用系统通常由标识特定目标物体的电子标签、接收电子标签信号的阅读器以及应用软件组成。
与传统的磁卡、接触式IC卡相比,RFID技术完成识别工作时无须人工干预,适合于实现系统的自动化操作且不易损坏,可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡,操作快捷方便。
电子标签可以采用特殊的封装方式,有效抵御油渍、灰尘污染等恶劣环境的腐蚀和侵袭。
射频识别系统按电子标签的供电方式可分为有源和无源两类。
无源标签所需工作能量需要从读写器发出的射频波束中获取,经过整流、存储后提供,成本较低,但射频功率较大。
有源标签本身带有微型电池,由于不需要射频供电,
其识别距离更远,读写器需要的功率较小,具有读写稳定、防冲突性能佳、携带物品信息量大等优点,这在船舶识别应用中都是关键的性能要求[1]。
1.2课题的要求及指标
该系统主要用在对进出港口的船只进行识别,它由设在岸上的主机和装在船上的分机两部分组成。
船只进出港口时,主机发出问讯信号,船上分机收到该信号后,能自动发出应答信号。
主机收到该信号后,可识别出该船只的“身份”。
该系统具有一定的实用价值。
本课题的要求及技术指标如下:
a.为提高可靠性及保密性,主机和分机均采用无线编码信号,发射功率>0.5W;
b.主机收到分机信号后,能发出提示音并显示装置的编号;
c.设计出电路图,装配图,并进行装配,调试。
1.3研究者的工作任务
本课题所设计的方案由建立在基站上的主机和设置在船舶上的分机两部分组成,研究者的工作为分机部分的研究。
研究者完成本课题所需任务如下:
a.熟悉课题所属背景以及研究的目的和意义;
b.熟练掌握课题实现所需的软硬件的知识和使用方法,并利用Protel软件完成相关的电路图和程序;
c.对其进行调试和联调,确认能与主机部分进行有效的接收发送以及识别信号的功能;
d.将研究内容整理成论文。
1.4课题的内容简介
第一章:
简述无线自动识别系统船舶应用的背景意义,本课题的研究内容,要求和研究者的任务;
第二章:
陈述设计的大纲以及相关技术支持,原理图框架和结构;
第三章:
分述各个模块的结构以及实现所需芯片的结构功能和原理;
第四章:
对整个电路运作的原理进行陈述;
第五章:
对完成的电路进行PCB调试的方法,注意事项及调试结果;
第六章:
进行毕业设计的最后总结。
2设计实现方案
2.1实现原理
设在基站的主机发出信号后,船舶上的分机天线接收后解调,经过滤波放大电路对信号进行滤波放大,增强信号的强度。
经初步处理后的信号解码后传到触发电路后使其产生时钟脉冲促使编码电路开始工作,对信号进行编码,告诉主机接受到的信号的来源船只编号。
然后对编码后的信号进行调制及放大,增强信号的抗干扰能力以达到传送的要求。
最后将经多次处理后的信号发送出去给主机接受,这样分机的任务就算完成了。
2.2电路原理框图
整个系统分为接收端和发送端两大模块,其中接收端由滤波放大电路,译码电路和触发电路(单稳)组成;发送端由触发电路(多谐振荡),编码电路和调制倍频电路组成。
具体原理框图如图2.1所示。
图2.1系统电路原理框图
2.3实现分电路功能简介及所用芯片
滤波放大:
由天线接收到的信号因为易受天气等外界因素干扰,均以高频信号作为载波。
为了还原本来的信号,需要通过滤波放大电路进行变频放大。
这里用到MC3363芯片。
译码电路:
将编码器输入的二进制代码状态翻译成输出信号,以表示其原来含义的电路。
这里用到MC145027芯片。
编码电路:
对分机(各船舶)进行编号,并将其转换为可以用以通信,传输和存储的信号形式,用以区分各分机,这里采取二进制编码,范围0~99,用到MC145026芯片。
触发电路:
通过控制产生触发电平来使编码器工作。
这里用到NE555芯片。
调制倍频电路:
我们需要的信号由于频率、带宽以及易受干扰等原因,不适合直接用天线发射,所以就使用一个高频信号作为载波,把需要传输的信号混入载波中,通过天线发射,本课题中采用调频(FM)方式,提高我们需要的信号的抗干扰能力便于传输。
这里用到MC2833芯片。
高频功放电路:
高频功率放大电路用于发射机的末级,作用是将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间,保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。
这里用到三个三极管组成的电路进行功率放大。
此电路后接一个滤波电路,滤掉杂质信号[2]。
3子电路模块设计
3.1滤波放大电路
由天线接收到的信号因为易受天气等外界因素干扰,均以高频信号作为载波。
为了还原本来的信号,需要通过解调电路进行变频。
这里用到MC3363芯片。
3.1.1电路原理图说明
由天线接收到的高频信号经过LC选频电路甄选出49.7MHz的信号,经射频晶体管放大后,再经第一混频器放大并变频为10.7MHz的中频信号。
该中频信号外部滤波后输入第二混频器进一步放大并变频为455kHz的低中频信号,由18管脚经过两个非门送入MC145027芯片进行译码工作。
图3.1为MC3363芯片原理图。
图3.1MC3363原理图
3.1.2芯片介绍
MC3363是美国MOTOROLA公司生产的单片窄带VHF调频接收电路,主要应用于语音通讯和数据传输的无线接收机。
片内包含一个高放晶体管,振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、场强指示驱动及载频检波电路等从天线输入到音频输出的二次变频所有的全部电路,同样包含了混频用一本振缓冲输出,FSK检波数据限幅比较器。
具有低供电电压、低功耗、极高灵敏度和信噪比,广泛应用于语音和数字通讯的接收设备。
其特点如下:
a.输入带宽使用内部本地振荡器时为200MHz,使用外部本地振荡器时为450MHz
b.有射频放大器晶体管
c.是完整的双变频系统
d.工作电压低:
Vcc=2.0到7.0V
e.功耗电流小:
Vcc=3.0V时,Icc=3.6mA(典型值),不包括射频放大器晶体管
f.灵敏度高:
使用内部射频放大器晶体管,信纳比为12dB,输入典型值为0.3uV
g.有数据限幅比较器
h.接收信号强度指示器(RSSI)动态范围为60dB
i.所需外围元件少
j.采用Motorola公司的MOSAIC工艺制造[3]
MC3363最大额定值说明如表3.1所示。
表3.1MC3363最大额定值
参数
引出端
符号
数值
单位
电源电压
8
Vcc(max)
7.0
Vdc
工作电压范围
8
Vcc
2.0to6.0
Vdc
输入电压C=5.0Vdc)
1,28
V1±28
1.0
Vrms
静噪输出电压(峰值)
19
V19
±0.7to8.0
Vpk
结温度
±
TJ
150
︒C
工作环境温度范围
±
TA
±40to+85
︒C
贮存温度范围
±
Tstg
±65to+150
︒C
3.1.3电路介绍
MC3363是一个完整的FM窄宽接收机(从射频放大器到音频前置放大器输出)。
其工作电压低,可用于窄带话音及数据链路系统,功耗低,灵敏度高,镜频干扰抑制效果好。
MC3363电特性如表3.2所示。
表3.2MC3363电特性(Vcc=5.0V,F0=49.7MHz,Ta=25度)
参数
引出端
最小值
典型值
最大值
单位
功耗电流(载波检测低)
8
±
4.5
8.0
mA
±3.0dB限幅灵敏度(射频放大器未用)
±
0.7
2.0
Vrms
20dBS/N时的灵敏度(射频放大器未用)
±
1.0
±
第一混频器输入电阻(并联—Rp)
1,28
±
690
±
Ω
第一混频器输入电容(并联—Cp)
1,28
±
7.2
±
pF
第一混频器变换电压增益(Avc1,开路)
±
18
±
dB
第二混频器变换电压增益(Avc2,开路)
±
21
±
第二混频器输入灵敏度(20dBS/N)
(10.7MHzi/P)
21
±
10
±
Vrms
限幅器输入灵敏度(20dBS/n)(455kHzi/p)
9
±
100
±
射频晶体管直流消耗电流
4
1.0
1.5
2.5
mAdc
噪声输出电平(射频信号=0mV)
16
±
70
±
mVrms
恢复出的音频信号(射频信号电平=1.0mV)
16
120
200
±
mVrms
恢复出的音频信号的门限
(射频信号=1.0mV)
16
±
2%
±
%
检波器输出阻抗
16
±
400
±
Ω
数据比较器输出电压—高
18
±
±
Vcc
Vdc
数据比较器输出电压—低
18
0.1
0.1
±
Vdc
数据比较器门限电压差
17
70
110
150
mV
表头驱动灵敏度
12
70
100
135
nA/dB
载波检测门限(低于Vcc)
12
0.53
0.64
0.77
Vdc
静噪输出阻抗—高
19
±
10
±
MΩ
静噪输出阻抗—低
19
±
25
±
Ω
第一本振用于在PLL频率合成接收机中作为VCO。
MC3363可以与MC145026结合使用,构成用在46/49无绳电话波段上的双芯片十信道频率合成接收机;也可与MC14515X系列的CMOSPLL频率合成器及MC120XX系列的ECL前置分频结合,用于VHF频率合成,频率可达200MHz。
对于单信道系列,第一本振可用晶体来控制,频率可达60MHz。
频率跟高时,可在引出端25和26加一个外部振荡信号一建议电平取100mA左右。
第一混频器的传输特性可以再450MHz以内平坦度都较好(中频保持10.7MHz)。
第二本振采用考比兹振荡器,晶体控制,工作频率典型值为10.245MHz。
混频器经过双平衡以减小寄生响应。
第一、第二混频器的变换增益典型值分别为18dB、21dB。
混频器增益相对电源电压时稳定的。
用户采用陶瓷滤波器进行变频[4]。
3.2译码电路
将编码器输入的二进制代码状态翻译成输出信号,以表示其原来含义的电路。
这里用到MC145027芯片。
3.2.1电路原理图说明
MC145027解码器用于接收MC145026输出的编码数据流。
当解码器地址和编码器地址状态相并连续收到两组相同编码信号时,VT端由低电平跳变为高电平以指示接收有效,同时中断计算机进行接收。
MC145027译码器原理图如图3.2所示。
图3.2MC145027原理图
3.2.2芯片说明
MC145027是与编码器MC145026所对应的译码器,有A1—A5五位地址,当其与编码器当中的A1/D1—A5/D5设置状态相同时,VT端即变为高电平,指示发送有效,而把编码器中的A6/D6—A9/D9作为数据从D6—D9端输出。
在与MC145026配对使用时,MC145026的地址位A1/D1—A5/D5可以编为三个状态,而数据位只能编成“0”和“1”两种状态,若数据位编为“开路”,则在译码器MC145027中自动译成“1”。
这个在后面介绍发送端时会说明。
在编码器中选定Rs,Rtc,Ctc(选定公式方法在后文MC145026介绍中)后,按下式选择译码器中的阻容件,R1*C1=3.95Rtc*Ctc:
R2*C2=77Rtc*Ctc[5]。
3.3触发电路(单稳态电路)
该设计模块的功能是产生触发脉冲使编码电路工作。
由单稳电路和多谐振荡电路两部分组成。
3.3.1电路原理图说明
电路原理图如图3.3所示,在输入脉冲的触发下,其输出端产生一个具有恒定宽度的矩形脉冲,也就是说当触发脉冲被触发后,会翻转到另一个状态,而该状态又是暂时稳定的,经过时间t后又回到初始状态。
触发脉冲经过三极管控制继电器工作,使发送端的振荡器工作,所以也可看作是一个控制电路。
图3.3触发电路原理图
3.3.2芯片说明
单稳态触发器的特点是,在输入脉冲的触发下,其输出端产生一个具有恒定宽度的矩形脉冲,也就是说当触发脉冲被触发后,会翻转到另一个状态,而该状态又是暂时稳定的,经过时间t后又回到初始状态。
单稳态触发器通常用于脉冲信号展宽,延迟及整形。
此外,还可作振荡器、数字滤波器和频率-电压变换器等。
NE555的高触发端TH(6脚)和放电端D(7脚)接RC定时电路,低触发端TL(2脚)外接触发信号。
单稳态触发器的定时时间就是输出脉冲的宽度Tw。
Tw≈1.11×R1×C1[6]
3.4触发电路(多谐振荡电路)
接收端的单稳电路使继电器工作,控制电键闭合,多谐振荡电路开始工作,分别产生一个高低电平,经过三极管分送到两个MC145026编码器使其工作。
3.4.1电路原理图说明
电阻R1、R6和电容C9构成定时电路。
定时电容C9上的电压UC作为高触发端TH(6脚)和低触发端TL(2脚)的外触发电压。
放电端D(7脚)接在R1和R2之间。
电压控制端K(5脚)不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C10(0.01uF)。
直接复位端R(4脚)接高电平,使NE555处于非复位状态。
图3.4为多谐振荡电路原理图[7]。
图3.4多谐振荡电路原理图
3.4.2芯片说明
NE555引脚功能:
Pin1(接地)-地线(或共同接地),通常被连接到电路共同接地。
Pin2(触发点)-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3Vcc,下缘须低于1/3Vcc。
Pin3(输出)-当时间周期开始555的输出输出脚位,移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到0伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4(重置)-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5(控制)-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6(重置锁定)-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3Vcc电压以下移至2/3Vcc以上时启动这个动作。
Pin7(放电)-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力,当输出为ON时为LOW,对地为低阻抗,当输出为OFF时为HIGH,对地为高阻抗。
Pin8(V+)-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)[8]。
多谐振荡器的放电时间常数分别为
tPH≈0.7×(R1+R2)×C1tPL≈0.7×R2×C1
振荡周期T和
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