无线识别装置设计与实现论文.docx

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无线识别装置设计与实现论文

西南交通大学

本科毕业设计

无线识别装置设计与实现

年级:

2009级

学号:

********

姓名:

孙远俊

专业:

电子信息工程

********

2013年6月

院系电气学院电子信息工程系专业电子信息工程

年级2009级姓名孙远俊

题目无线识别装置设计与实现

指导教师

评语

指导教师（签章）

评阅人

评语

评阅人（签章）

成绩

答辩委员会主任（签章）

年月日

毕业设计任务书

班级电子2009级2班学生姓名孙远俊学号20092041

发题日期：

2013年2月25日完成日期：

2013年6月13日

题目无线识别装置设计与实现

1、本论文的目的、意义随着通信技术无线化的趋势发展，生活中的无线设备会越来越多，而且很多设备共用了ISM频段，如何实现不同无线设备自身和相互之间的识别，将是本题目要求的目的。

本题目要求学生利用简单的实验室设备设计出一套短距离无线设备识别系统，并且调试通过。

2、学生应完成的任务

（1）、设计总体方案：

主要由阅读器和应答器组成，阅读器包含高频接收模块、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。

（2）、高频接收模块以单片集成接收芯片MC3362为核心，结合MC145151构成锁相回路，接收应答器发送的信息。

（3）、应答器由耦合元件以及高频发射模块组成，其工作所需能量全部由耦合线圈提供，采用自动开关控制应答器与电源的通断以降低功耗。

（4）、8051单片机系统作为数据发送的控制部分，程序设计采用C语言在Keil51的编译器上编程实现。

（5）、实现无线识别应答器的有、无以及其预置编码的识别与显示。

（6）、撰写毕业设计（论文），25000字以上。

3、论文各部分内容及时间分配：

（共18周）

第一部分收集、分析资料（2周）

第二部分借用实验室单片机、通信实验箱以及电源，配置一个开发平

台、学习汇编语言编程（4周）

第三部分设计开发一个无线识别系统（6周）

第四部分软硬件调试、修改（2周）

第五部分撰写毕业设计（论文）（2周）

评阅及答辩修改、装订、评阅及答辩（2周）

备注

指导教师：

年月日

审批人：

年月日

摘要

随着科技的不断进步，通信技术进入了无线通信时代，无线通信技术的研究与发展对通信方式与生活思维方式改变具有重要意义。

目前，无线识别技术被广泛应用到很多领域，其中射频识别技术是无线电技术在自动识别领域应用中的具体运用，它是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。

该设计是在当今社会无线设备共用了ISM频段的情况下，如何实现不同无线设备自身和相互之间的识别。

其主要通过应答器、阅读器的相关设计，通过耦合线圈给应答器提供能量，通过8051单片机控制数据，来实现无线信号的识别。

整个设计由阅读器和应答器组成。

在应答器设计中，使用按键拨码开关进行编码预设置，当从耦合线圈获取感应电压时，电路开始工作时，PT2262读取拨码开关值，并通过串口发送编码信号，通过有源晶振产生载波信号，编码信号经调制后从耦合线圈辐射出去。

在阅读器设计中，主要包含高频接受模块、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。

高频接收模块以单片集成接收芯片MC3362为核心，结合MC145151构成锁相回路，接收应答器发送的信息。

经过软件设计与仿真和硬件的制作与调试，制作了包括阅读器与应答器在内的无线识别装置，在应答器部分设置四位编码，通过电磁耦合，可以在阅读器读到预设值，并通过数码管显示出来。

在5CM的范围内可以准确进行无线通信。

关键词：

无线识别射频阅读器应答器

Abstract

Asthedevelopmentofthetechnology,thecommunicationtechnologygoesintowirelesscommunicationera.Nowadays,theresearchanddevelopmentofwirelesscommunicationstechnologyisveryimportantonthemeansofcommunicationandthewayofthinking.RFIDtechnologyhasbeenwidelyappliedtomanyfields,includingradiofrequencyidentificationtechnology,whichisaradiotechnologyinthefieldofautomaticidentificationapplicationsinradioapplication.Itisakindofnon-contactautomaticidentificationtechnology,itaccessestorelevantdatathroughtheRFsignalautomatictargetrecognition.Thedesignistoresearchhowdifferentwirelessdevicesrecognizeeachotherintoday'ssocietywhiletheISMbandused.Throughthetransponderandthereaderrelateddesign,thecouplingcoilprovideenergytotransponder,and8051SCMcontroldatatorecognizethewirelesssignal.

Thereaderandthetranspondercomposethework.Usingthekeyswitchsetspre-codedDIPinthetransponderdesign.Whenviewedfromthecouplingcoilforinductivevoltage,thecircuitstartsoperating,PT2262readsDIPswitchvalues,andsendsacodedsignalthroughserialport.Theactivecrystalgeneratescarriersignalmodulated,thenthecodedsignalradiatedoutfromthecouplingcoilbyASKway.Thedesignofthereader,mainlycontainshigh-frequencyreceivingmodule,acontrolunitandthecouplingelementconnectedtothetransponder.High-frequencyreceivermoduleragestheMC3362,themonolithicintegratedreceiverchip,asthecore,combinedwithMC145151PLLtoreceivethemessagethattranspondersent.Afterthesoftwareandhardwaredesignandsimulationoftheproductionandcommissioning,Ihavefinishedtheproductionofthereaderandthetransponder.Isetfourencodingtransponderpart,sothereadercanreadthedefaultvaluebyelectromagneticcouplingthroughadigitaldisplay.Thewirelesscommunicationcanbeaccuratein5CMrange.

Keyword:

RFID;Reader;Transponder

第1章绪论

1.1项目背景简介

1.1.1无线通信技术简介

无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。

近几十年来，无线移动通信是电子信息领域中发展最为迅速的产业之一。

日常生活中使用的遥控器、无绳电话、手机、GPS系统、网卡都是无线技术的实际应用，无线技术已经融入到我们的生活，就应用而言，只要是使用空气作为传输媒介的信号传输都可称为无线通信。

无线通信与有线通信的用途完全相似，两者最大的不同是传输媒介不同。

无线通信技术无论在硬件架设与机动性均比有线通信有许多优势。

平时的交谈其实都是最简单的一种无线通信——从他人口中发出抑扬顿挫的声音，通过空气传入人耳，经过大脑处理，转换为可以被理解个各种概念。

复杂的无线通信系统与平时交谈的基本原理相同。

无线通信系统主要包括两个部分——发送端与接收端。

典型的无线通信结构包括一个无线发射器（包括数据源、调制器、RF源、RF功率放大器、天线、电源）和一个无线接收器（包括数据接收电路、RF解调器、译码器、RF低噪声放大器、天线、电源）。

发射器的数据通过无线发射出去、接收器天线接收后进行处理，得到经过校验的正确数据。

在长距离无线通信中，还需要中继站。

发送端向外界发送数据信息，由于传输距离远，信号会出现衰减因而需要安装中继站来提高信号传输的质量，接收端把信号接收处理后使用。

无线通信的范围非常广泛。

按照媒介可分为光通信、微波通信、声波通信等；按照传输距离可分为长距离无线通信和短距离无线通信、按照频段可分为ISM频带无线通信、军用频带无线通信、航空频带无线通信等；按照传输信息科分为无线控制、语音无线通信、海量数据无线通信等；按照协议标准可分为无线局域网、蓝牙、HomeRF、Zigbee、无线USB等。

无线通信的主要应用范围有：

设施自动化、无线宽带网络、道路监控、安全管理、国防军事、石油勘探、森林防火、水文监控等。

随着无线技术的不断发展和应用市场的不断扩大，各种无线技术层出不穷。

虽然无线技术仍存在体积、安全性、能耗、费用等问题，不过发展前景大有可观。

1.1.2无线通信技术的特点和优势

与有线通信相比，无线通信有以下几点特点与优势：

1、成本廉价：

有线通信方式的组建必须架设电缆，或者挖掘电缆沟，所有需要大量的人力和物力；而无线数传电台建立专用无线数据传输方式无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需要在每个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就可以了。

相比之下用无线数传模块建立专用无线数据传输方式，节省了人力物力。

2、建设工程周期短：

当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要数个月的时间，而用数传模块建立专用无线数据传输的方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组建起通信链路，工程周期大大缩短。

3、适应性好：

有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线数传模块建立专用无线数据传输方式将不受这些限制，所以说用无线数传模块建立专用无线数据传输方式将比有线通讯有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。

4、扩展性好：

在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新的设备。

如果采用有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线数传电台建立专用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线数传电台相连接就可以实现系统的扩充，相比之下有更好的扩展性。

5、设备维护上更容易实现：

有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线数传模块建立专用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。

1.1.3影响无线通信的主要因素

无线通信中有很多影响其通信速率、覆盖范围、通信距离和通信质量的因素。

首先无线电波在空间传播，自身就会衰减，穿过障碍物时衰减的更加严重，这种现象称为阻隔。

环境因素对无线通信的影响也很大，同时，无线通信系统自身的参数也决定了通信的质量和效果。

影响无线通信的主要因素如下：

1、环境因素：

通常来讲，平直开阔地通信距离最远，这也是用来评估无线通信设备通信距离的地理测试条件。

障碍物越密集，对无线通信距离影响越大

2、磁场因素：

高压电网、直流电压、开关电源、电焊机、计算机、单片机等设备对无线通信设备的通信距离均有不同程度的影响

3、天气因素：

空气干燥时通信距离较远，空气潮湿时通信距离较近，在产品允许的温度范围内，温度升高会导致发射功率减小，接受灵敏度降低。

从而减小通信距离。

4、输出功率：

发射功率越大，通信距离也越远。

从理论上说，发射机的射频输出功率可无限增大，但由于各种技术规范的制约和成本限制，不可能随意增大。

5、接受灵敏度：

接收灵敏度越高，通信距离越远。

研究表明，-123dB被认为是现代无线通信工程中纯硬件实现的接受灵敏度值。

6、系统抗干扰能力：

实际通信环境中总是存在各种干扰源，在同样发射功率，同样接受灵敏度的前提下系统抗干扰能力越强，实际通信距离也越远。

调频机的抗干扰能力比调幅机强，窄带系统抗干扰能力优于宽带系统。

7、软件纠错能力

8、天线类型及增益：

天线增益越高，通信距离也越远

9、天线有效高度：

在各种条件相同情况下，天线距离地平面的高度越高，通信距离越远特别是在城市环境下，提高天线高度比增大发射功率对通信距离影响要大得多。

1.1.4RFID系统

RFID（RadioFrequencyIdentification）系统称为射频识别系统。

它不传统意义上的识别方式的本质区别在于：

它的能量供应和数据交换是运用无线电和雷达技术实现的。

RFID系统一般由两个部分组成:

阅读器和应答器。

图1-1RFID系统的基本结构

应答器分为两大类，即：

有源应答器和无源应答器。

所谓有源应答器顾名思义就是自己提供能量，来进行信息的收发；而我们通常意义上所讲的应答器都是指无源应答器，它由耦合组件和微电子芯片组成。

在阅读器的响应范围外，它处于无源状态；而在阅读器的响应范围内，它才处于有源状态，所以我们称之为无源应答器。

而它工作所需要的能量要通过耦合单元的传输。

应答器有几种实现的方式，通常我们接触到的射频卡就是一种比较常见的模式，还有一种是以器件的形式实现的，它的数据可以读、写、改，而且它的功能也要比射频卡强得多，比如在本课题识别上的应用，我们甚至可以看到它响应阅读器指令的结果：

如果认证成功，则在应答器的终端显示结果；如果失败，则可以显示结果并给出失败的原因。

当然如果设计和微机的接口的话就更方便数据的管理了，但是一个比较大的缺点就是体积太大了，不过在本文的设计中，作者以功能的实现为主要目标，所以其它的问题都是课题以后仍旧要努力的目标。

1.2国内外研究现状

从上世纪九十年代到今天，无线通信技术进入现代化的发展阶段，发展规模的扩大和发展速度的提高使无线通信技术在社会生活中发挥更大的作用。

随着机电一体化与信息技术的发展，现代化的信息技术提升了无线通信的科技含量与技术水平，无线技术与更多领域相结合，逐渐进入社会功能多元化，网络一体化，服务综合化的发展阶段。

依据频谱不同，各国的无线电管理机构都对RF频道的使用进行了相应的管理。

而频道管理最基本的规则是无线收发器的使用需要获得许可，同时也规定了一些无须许可的免费频带，也称ISM频带，以满足不同的需要。

目前，我国可以使用的ISM频率为433MHz和2.4GHz。

此外，在我国整个低于135Khz的频带也都是免费的。

无线通信系统可分为长距离无线通信系统和短距离无线通信系统。

短距离无线通信系统，是随着数字通信和计算机技术的不断发展而产生的，短距离无线通信和长距离无线通信有很多不同之处，主要有无线发射功率低适合电池供电，一般功率在几1mW到小于10mW，通信距离从几厘米到几百米，使用全向天线或PCB天线，不受环境阻隔影响，一般工作在ISM频段等优点。

主要应用于室内无线信息交换。

典型应用包括射频身份识别（RFID）系统、无线局域网、无线条码阅读器、无线安全系统等。

NordicVLSIASA Freascale、Atmel等具有国际影响力的IC生厂商都相继推出了新一代短距离无线数据通信收发芯片，以nRF905、CC1100、Jennic为主流的无线芯片性能得到了很大提高，如图1-1。

最新的无线收发芯片将全部无线通信需要的调制/解调芯片、高/低频放大器等全部集成在芯片中，使外围器件大幅度减少，很容易与各种型号微控制器连接实现高可靠性无线通信，使开发无线产品成本大大降低，开发难度更简单，应用更广泛，嵌入式无线通信和无线网络将逐步取代现有的有线通信和有线网络。

（a）（b）

图1-2最新无线芯片NRF905（a）和CC1100（b）

自动识别系统出现了迅速的发展，而且技术种类繁多。

相继出现的主要自动识别系统有：

条码系统、光学码系统、光学符号识别系统、生物识别法（包括语音识别、指纹鉴定法等）、IC卡、射频识别（RFID）系统。

射频识别系统发展已久：

1940-1950年：

雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。

1950-1960年：

早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。

1960-1970年：

射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。

1970-1980年：

射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。

出现了一些最早的射频识别应用。

1980-1990年：

射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。

1990-2000年：

射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。

2000年后：

标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。

射频识别技术是IC技术的延伸和发展，它是无线电电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别，同其它识别系统相比，射频识别有很多的优点。

因此，射频识别开始有了较大的市场占有率，并且正在逐步取代原有的很多自动识别系统，如表1.1所示，表明了射频识别和其它的识别系统相比，有很多的优点：

1、使用时无需和阅读器接触，操作快捷。

2、抗干扰性强，允许多个应答器的同时操作。

3、配合具体应用，具有多种工作距离。

4、由于使用时没有机械触点，提高了反应的可靠性和设备的寿命。

5、应答器可以多功能使用。

6、安全性高。

7、不怕污染，可以在很恶劣的条件下替代其它接触式的识别方式。

我国也有很多公司在进行这项技术的开发，如上海科芯智能卡科技有限公司、烟台威尔数据系统有限公司、杭州力汇电子有限公司、TagMaster（中国）有限公司、北京兰德华电子技术有限公司、上海华虹集成电路有限公司等，且已经开发了许多产品。

这些产品已广泛用于服务、销售、分配等领域，如动物识别器、卡门禁机、指纹考勤机、电子闭锁防盗专置、产品产量统计、产品质量跟踪、产品防伪、公交车系统等。

表1-1RFID不同频段工作表

低频

高频

超高频

微波

工作频率

125-134KHZ

13.56MHZ

JM13.56MHZ

865-915MHZ

2,45-5.8GHZ

市场占有率

74%

17%

2003引入

6%

%

读取距离

1.2m

1.2m

1.2m

4m（美国）

15m（美国）

速度

慢

中等

很快

快

很快

潮湿环境

无影响

无影响

无影响

影响很大

影响较大

方向性

无

无

无

部分

有

全球适用频率

是

是

是

部分（欧盟、美国）

部分（非欧盟国家）

现有ISO标准

11784,85,14223

18000-3.1/14443

18000-3/2

15693

EPCCOC1C2

18000-4

主要应用范围

进出管理、固定设备、天然气、洗衣店

图书馆、产品跟踪、货架、运输

空运、邮局、医药

货车、卡车、拖车跟踪

收费站、集装箱

1.3本文设计方法

该设计主要由阅读器，应答器与耦合线圈组成，其中阅读器与应答器均具有无线传输功能。

阅读器部分：

该阅读器主要由发射和接受两部分组成，作用是：

将要识别应答器的信息，写入应答器的数据信息和提供给应答器的能量信号均必须通过该部分电路，最后以无线方式传输给应答器。

当有应答器靠近时，阅读器内的高频接受模块谐振，其频率域应答器发射频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使高频信号流入阅读器中。

在该阅读器中，发射部分的电能由振荡电路产生，经多级放大电路放大，通过耦合线圈发射出去，高频接收模块以单片集成接收芯片MC3362为核心，结合MC145151构成锁相回路，接收应答器发送的信息。

其中MC3362是低功耗窄带双变频超外差式调频接收机集成电路，片内包含两个本振，两个混频器，两个中放和正交鉴频器等功能电路，可作为包含从天线输出到音频前置放大器输出的所有电路。

，具有功耗低，灵敏度高，镜频干扰抑制效果好等优点。

锁相环是一种相位负反馈控制系统，将压控振荡器信号和参考振荡器信号进行相位比较，产生相位误差电压，利用这种相位误差电压来控制压控振荡器的振荡频率，迫使他们之间的频率相等。

MC145151是大规模CMOS集成电路，在频率合成，扫描接收等方面有广泛应用，是一并行输入的单模式锁相集成电路，具有可编程控制，鉴相灵敏度高，扛干扰能力强能特点。

由MC145151及外围电路组成鉴相器和反馈网络。

参考振荡器的振荡信号经R分频器分频后形成fr信号，VCO信号经N计数器分频后形成fc信号。

信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号经LF电路形成直流信号，直流信号再去控制VCO的振荡频率，当胡哪路锁定后，只要改变N的值（N=fvco/fv），便可达到和参考振荡器振荡信号同样稳定度和准确度的频率。

应答器部分：

应答器通过耦合线圈谐振耦合从阅读器的耦合线圈获取感应交流电压，在经过放大整流滤波，滤波电路向储能电容充电获得系统工作所需要的电能。

应答器线圈接收到能量信号后对该信号进行放大整流为应答器的提供所需的工作电压，这样就实现了应答器的无源，当电容电压经电压判断达到指定幅值时，应答器开始工作。

然后应答器中有了电能后，PT2262读取拨码开关值并对其进行编码，编码信号经过ASK调制后由振荡电路发射出去，此时