无线自动识别系统电路的设计.docx
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无线自动识别系统电路的设计
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
(主机部分)
系别:
电子信息系
专业:
通信工程
班级:
B090310
学生:
田欢
学号:
B09031041
指导教师:
沈保成
2013年06月
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姓名田欢学号B09031041
1.毕业设计(论文)题目:
无线自动识别系统的电路设计
2.题目背景和意义:
该系统主要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,主动发出问讯信号,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):
本次设计,为提高系统可靠性和保密性,主机和分机均采用无线编码信号,发射功率>0.5W,为了使效果更直观,主机在收到分机回馈的信号后,能发出提示音并显示装置的编号;当然本系统电路设计,主要应用Protel99se软件实现电路图的绘制封装导入,制出印制电路板,这对学生Protel99se软件掌握程度有很高要求,学生必须自己能独立完成原理图的制作过程;另外,本系统对于学生的通信电子方面知识有要求,学生必须掌握编码芯片,调制倍频集成芯片,混频高放集成芯片,解码芯片译码显示,功放芯片等工作原理,整个系统工作方向的问题,最终实现无线自动识别功能。
4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):
第1周完成课题基本含义认识;
第2-3周完成课题实现基本框架
第4-5周完成课题开题报告,进行开题检查,完成开题答辩
第6-8周搜集相关资料,完善方案措施,继续开展研究,争取一定成果
第9-10周写出第二期研究报告,接受中期报告检查
第11-14周,大量阅读课题相关资料,继续开展研究,吃透课题,并争取在某些学科实现质的跨越
第15-18周,根据自己这段时间的阅读,深入研究完善课题,出论文集,写高质量的研究报告,申请结题
设计地点:
学校
5.毕业设计(论文)的工作量要求
①实验(时数)*或实习(天数):
无
②图纸(幅面和张数)*:
论文字数不少于1.5万,图不少于是10幅
③其他要求:
3000-5000字英文资料的翻译
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
摘要
无线自动识别系统WAIS是近年来几个国际组织,特别是国际海事组织(IMO)、国际航标协会(IALA)、国际电信联盟(ITI-R)共同的研究成果。
该系统是在海事VHF频段,采用GMSK/FM调制,以SOTDMA(自组织时分多址)方式发射船位、航速、航向、船名、识别码、船长、船宽等船舶动静态数据的船载自动识别系统。
WAIS的目的是提高安装船舶的航行安全,减少船舶碰撞的可能性,帮助搜救船舶更好、更快地完成海上救助任务。
我国是航运大国,拥有漫长的海岸线,WAIS在我国有着广阔的应用前景。
显然,研制拥有自主知识产权的WAIS系统不仅可为国家节省大量的外汇,而且可极大地促进我国航海科技的发展,因而具有十分重要的意义。
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。
关键词:
无线自动识别系统;WAIS;港口;识别
WirelessAutomaticIdentificationSystemofCircuitDesign
Abstract
WirelessautomaticidentificationsystemWAISisseveralinternationalorganizationsinrecentyears,particularlyintheinternationalmaritimeorganization(IMO),internationalbeaconassociation(IALA).andinternationaltelecommunicationunion(ITI-R)jointresearch.ThesystemisfrequenciesinMarineVHF,usingGMSK/FMmodulation,toSOTDMA(selforganizingma)waytolaunchposition,speed,heading,vesselname,identificationnumber,length,widthofshipandship'sdynamicandstaticdataofshipautomaticidentificationsystem.WAIS'spurposeistoimprovetheinstallationofshipnavigationsafety,reducethelikelihoodofacollision,andhelptherescueshipsalvagetaskfasterandbetter.Maritimepowerisinourcountry,hasalongcoastlineandWAIShasabroadapplicationprospectinourcountry.Obviously,AISsystemdevelopingwithindependentintellectualpropertyrightsnotonlycansavealotofforeignexchangetothenation,butalsogreatlypromotethedevelopmentofnavigationscienceandtechnologyinourcountry,whichisofgreatsignificance.
Thesystemismainlyusedinthesystemofinandoutoftheportships,whichcanidentifyitbytheshoreofthehostandloadedontheship'sextensionoftwoparts.Shipsenteringandleavingport,thehostsignalinquiry,extensiononboardafterreceivingthesignal,canautomaticallysignalresponse.Afterthehostreceivesthesignal,itcanidentifytheship"identity".Thesystemhascertainpracticalvalue.
KeyWords:
WirelessAutomaticIdentificationSystem;WAIS;Port;Identify
1绪论
1.1引言
船舶无线自动识别系统[1](WIRELESSAutomaticIdentificationSystem,简称WAIS系统)由岸基(基站)设施和船载设备共同组成,是一种新型的集网络[2]技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。
船舶自动识别系统(WAIS)由舰船飞机之敌我识别器发展而成,配合全球定位系统(GPS)将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由甚高频(VHF)频道向附近水域船舶及岸台广播,使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶之动静态资讯,得以立刻互相通话协调,采取必要避让行动,对船舶安全有很大帮助。
通过岸基雷达搜集目标信号的船舶港口交通管理系统被称VTS,通过船基雷达搜集进入港口范围目标信号并显示自标的航向、航速以及能模拟避碰的雷达被称为ARPA避碰雷达。
二十世纪七、八十年代,是VTS、ARPA雷达长足发展的黄金时期,几乎全球的所有的港口都安装了VTS,全部的远航船舶都安装了ARPA雷达。
从1978年到1999年的21年间,我国就建造了20个不同规模、不同类型的VTS站(不包括台湾)。
VTS、ARPA雷达比以前的同类产品的性能的确提高了一大步,一时被人们用“完美无缺”来形容。
VTS中心的显示屏上可以看到通过岸基雷达接受到船舶的回波(目标),工作人员需要通过VHF直接询问、VHF通话加VHF测向、VHF短消息等手段来获得该船的船名并对该目标进行标识。
经标识过目标其标识会始终跟随船舶(目标)航行,直到船舶(目标)驶离VTS区域。
WAIS的正确使用有助于加强海上生命安全、提高航行的安全性和效率,以及对海洋环境的保护。
WAIS的功能有:
识别船只;
协助追踪目标;
简化信息交流;
提供其它辅助信息以避免碰撞发生。
WAIS能加强了船舶间避免碰撞的措施,增强了ARPA雷达、船舶交通管理系统、船舶报告的功能,在电子海图上显示所有船舶可视化的航向、航线、船名等信息,改进了海事通信的功能,提供了一种与通过WAIS识别的船舶进行语音和文本通信的方法,增强了船舶的全局意识,使航海界进入了数字时代。
本章首先介绍了WAIS系统的概念,以及它的发展史和使用现状,简单说明了WAIS的作用及适用范围,然后从WAIS使用于识别进出港口的船只功能出发,论述了该技术的研究意义和现实价值。
最后,简单介绍了论文的主要内容。
1.2课题研究背景
无线自动识别系统WAIS是近年来几个国际组织,特别是国际海事组织(IMO)、国际航标协会(IALA)、国际电信联盟(ITI-R)共同的研究成果。
该系统是在海事VHF频段,采用GMSK/FM调制,以SOTDMA(自组织时分多址)方式发射船位、航速、航向、船名、识别码、船长、船宽等船舶动静态数据的船载自动识别系统。
WAIS的目的是提高安装船舶的航行安全,减少船舶碰撞的可能性,帮助搜救船舶更好、更快地完成海上救助任务。
我国是航运大国,拥有漫长的海岸线,WAIS在我国有着广阔的应用前景。
显然,研制拥有自主知识产权的AIS系统不仅可为国家节省大量的外汇,而且可极大地促进我国航海科技的发展,因而具有十分重要的意义。
WAIS是以自组织时分多址接续技术SOTDMA为核心,可以用于水上交通联络和指挥的岸—船、船一岸,以及船一船之间的通信。
AIS的出现,为开发基于AIS的新型VTS船舶航行安全监测与评价及其辅助决策系统提供了重要条件。
AIS基站建设费用低于雷达站,组建AIS基站网络,可扩大海事管理部门对沿海航行船舶的监视范围。
WAIS基站网络融入因特网,将改变航运企业的经营方式和管理手段,推进航运企业走向电子商务模式的步伐,提高企业效益和服务水平,增强竞争能力。
因此,加快构建WAIS基站网络具有深远的战略意义和现实意义。
1.3课题设计意义
本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。
1.4课题设计要求
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。
1.5主要研究内容及方案
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。
课题的研究将综合利用EDA技术,模拟电子技术,数字电子技术及高频电子技术,基本要求及主要设计内容如下:
a.明确主机任务,了解发射接收原理;
b.查询编码、解码、集成电路定义及功能实现的芯片;
c.熟悉编码、解码、集成电路的原理及使用方法;
d.熟悉PROTEL99SE环境的使用;
e.掌握集成电路相关知识;
f.掌握小信号、大信号之间的变化;
g.绘制本系统的原理结构框图,系统电路图,掌握各部分之间的联系。
本课题基于自动识别系统设计的在无法架设有线设备情况下的无线自动识别系统,它是是利用PROTEL99SE、数字电路技术,集成电路构建整个系统框架,实现发送接收功能。
2系统组成原理
2.1课题设计实现原理
发送端对信号进行编码,编码后的信号通过调制器对频率进行调制,生成的调制信号倍频扩大,然后对信号高频功放,主机将高频功放后的大信号发射出,等待分机接收。
这一发射过程完成发出识别信号。
待分机接收后,分机对收到的信号进行识别做出反应,给予相应处理,待分机将接收的信号(主机发出)处理再回发给主机后,主机对回发回来的信号做出相应回复,因回发信号此时为小信号,故主机对回发信号进行高频放大,混频,中频放大,使信号恢复到适宜主机反应频率然后对信号进行解调,信号解调后在通过解码器解码,变成适宜人们认识的信号,一部分在经译码显示后显示在主机上人们容易获取信息的显示屏上,另一部分经过功放产生提示音,告知信号的识别过程完成。
2.2课题设计原理框图
系统原理框图如图2.1所示。
图2.1无线自动识别系统(主机)部分方框图
方案中,发送端对信号进行编码,编码后的信号通过调制器对频率进行调制,生成的调制信号经过LC选频网络三级倍频放大,然后对信号高频功放,主机将高频功放后的大信号发射出,等待分机接收,这一发射过程完成发出识别信号。
待分机将接收的信号,主机发处理再回发给主机后,主机对回发回来的信号做出相应回复,因回发信号此时为小信号,故主机对回发信号进行高频放大,混频,中频放大,使信号恢复到适宜主机反应频率然后对信号进行解调,信号解调后在通过解码器解码,变成适宜人们认识的信号,一部分在经译码显示后显示在主机
上人们容易获取信息的显示屏上,另一部分经过功放产生提示音,告知信号的识别过程完成,于是,这样一个识别过程终结。
2.3系统模块功能
2.3.1发送端
a.编码功能实现:
对主机要发送的信号进行分析,编写地址码,芯片MC145026实现功能;
b.调制功能实现:
单片集成FM发射,芯片MC2831[3]用于无线可调通讯设备的单片调频发送器,实现调制功能;
c.倍频、高频功放功能实现:
利用LC选频电路三级倍频和三极管多级放大,得到输出频率49.7MHz。
2.3.2接收端
a.高频放大、混频、中放、解调功能实现:
对于分机传回来的小信号放大,变成适合分析的信号,芯片MC3363完成功能,用于语音通讯和数据传输的无线接收机,在此实现接收机;
b.解码功能:
对收到分机的信号进行解码,成为适合人们识别的信号,由芯片MC145027完成,MC145027解码器[4]用于接收MC145026输出的编码数据流;
c.译码显示功能实现:
该功能由CD4511实现,直接驱动LED显示器;
d.功放功能实现:
该功能由CD4013和555定时器实现。
3系统模块实现
3.1发送端
发送端原理框图如图3.1所示。
图3.1发送端原理框图
3.1.1编码功能实现
MC145026是编码器,该功能用MC145026实现,A1/D1—A9/D9是地址/数据位输入,由外部编码开关[5]设定,可以接高电平“1”、低电平“0”或者“开路”。
因此,利用MC145026最多可产生
种不重复的编码,数据从第15脚D0端串行输出[6],每位数据用两个数字脉冲[7]来表示:
两个连续的宽脉冲可以表示“1”;两个连续的窄脉冲可以表示“0”,一宽一窄表示开路。
第11,12,13脚外接阻容件,决定其内部时钟振荡频率[8]。
第14脚
端是发送控制端,当
接低电平时,开始发送数据流,当
开路时,IC内部有一上拉电阻使其保持为高电平,编码器完全禁止,时钟振荡器停止振荡,IC功耗降至最低,仅零点几个微安,故无需加设电源开关,第8脚接电源负,第16脚接电源正。
发送端发送数据,所以有按下
这个动作,使能数据流的传送,将数据流从15脚输出。
对于每9位数据信息,能看作是个数据字,为了提高通信的安全性,编解码芯片[9]对每个数据字发送两次,接收两次。
芯片MC145026如图3.2所示。
图3.2芯片MC145026
3.1.2调制功能实现
MC2831无线电发射专用集成电路是美国摩托罗拉公司生产的无线电调频(FM)发射专用器件。
该功能由MC2831实现,MC2831外形引脚图如图3.3所示。
图3.3MC2831外形引脚图
MC283lA系小功率调频发射机系统电路,是为无绳电话和调频通信设备而设计的,它包括话筒放大器、导频振荡器、压控振荡器和电源监示器等。
MC2831A工作电压范围3~8V,工作温度-30~+75℃;电源抑制器输出陷电流ILED=25mA,它有16脚双列直插式和用于表面安装工艺(SMT)的小型化封装等型式。
MC283lAIC各引脚端说明:
1为可变电抗输出端;2为去耦端;3为调制器输入端;4为电源端2;5为话筒放大器输入端;6为话筒放大器输出端;7为音调开关;8为音调输出;9为振荡器线圈;10为发光二极管端;11为电源检验器端;12为电源端1;13为接地端;14为射频输出端;15为射频振荡器;16为射频振荡器。
MC2831A构成单片FM(调频),VHF发射机电路(射频16.5667MHz)。
缓冲输出端第14脚输出16.5667MHz频率的信号,在第14脚输出网络中采用输出调谐和阻抗匹配到50Ω,使输出频率稳定为49.7MHz,谐波抑制大于25dB。
发信部分的工作原理是:
编码信号进入到5号管脚,经内部话筒放大器和限幅放大后由6号管脚输出,经过LC耦合电路到达3号管脚进入芯片内部,在内部可变电抗,射频振荡器和外部的电感和16.5667MHz晶振组成的压控振荡器调制后进入内部缓冲器,放大后送出调制出信号,此时的信号为16.5667MHz的信号。
3.1.3倍频、高频功放功能实现
功能原理:
利用LC选频网络对16.5667MHz信号选频[11]后进行三级倍频,得到输出49.7MHz的信号,另外还应用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。
三极管它最主要的功能是电流放大(模拟电路)和开关作用(数字电路)。
三极管由两个PN结构成,共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。
其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。
由于不同的组合方式,形成了一种是NPN型的三极管,另一种是PNP型的三极管。
三极管大都是塑料封装或金属封装,常见三极管的外观,有一个箭头的电极是发射极,箭头朝外的是NPN型三极管,而箭头朝内的是PNP型。
实际上箭头所指的方向是电流的方向。
a.三极管的分类
(1)按PN结的组合方式可分为NPN型和PNP型;
(2)按材料可分为锗三极管和硅三极管;
(3)按工作频率可分为高频三极管(fa≥3MHz)和低频三极管(fa<3MHz);
(4)按功率可分为大功率管(PC≥1W)和小功率三极管(PC<1W);
(5)按用途课分为普通放大三极管和开关三极管等。
b.三极管的电流放大作用
(1)三极管放大的外部条件:
外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏置状态;
(2)电流分配规律Ie=Ic+Ib;
(3)三极管电流放大的实质是以基极电流Ib的微小变化控制集电极电流Ic的较大变化。
c.三极管的作用
三极管最基本作用是放大作用,它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号,当然这种转换仍然遵循能量守恒,它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。
三极管有一个重要参数就是电流放大系数b。
当三极管的基极上加一个微小的电流时,在集电极上可以得到一个是注入电流b倍的电流,即集电极电流。
集电极电流随基极电流的变化而变化,并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化,这就是三极管的放大作用。
三极管还可以作电子开关,配合其它元件还可以构成振荡器。
3.2接收端
接收端原理框图如图3.4所示。
图3.4接收端结构图
3.2.1高频放大、混频、中放、解调功能实现
该功能能实现由MC3363DW实现,载频信号从MC3363的Pin2输入,经内部的高放管进行高频放大后由Pin4输出,连接Pin4的是一个LC谐振[12]高频变压器,中心频率为49.7MHz,经T1耦合到Pin1和Pin2进入第一混频级。
内部振荡电路与Pin25和Pin26的LC元件组成第一本振级,与载频RF输入信号在内部进行混频,其差频10.7MHz第一中频信号经放大后由Pin23输出,经10.7陶瓷滤波器选频后由pin21送到内部的第二混频级。
内部的振荡电路及Pin5和Pin6的外接晶体和电容构成了第二本振级[13],频率选比第一中频低一个中频(即二中频455kHz)的10.245MHz。
10.7MHz第一中频信号与第二本振频率进行混频,其差频为:
10.700-10.245=0.455MHz,也即455kHz第二中频信号。
第二中频信号由Pin7输出,由455kHz陶瓷滤波器[14]选频,再经Pin9送入MC3363的限幅放大器进行高增益放大,限幅放大级是整个电路的主要增益级。
Pin13的外接的LC元件组成455kHz鉴频谐振回路,经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调,并经一级音频电压放大后由Pin16输出音频信号。
Pin12和Pin13为场强指示驱动电路的外接元件端,调整Pin12的200k电阻可改变场强指示驱动电路的增益。
MC3363内部还置有一级数据信号放大级,Pin17为输入端,Pin18为输出端。
可对数据波形进行整形和放大。
Pin10和Pin11为第二中放级的退耦电容,以保证电路稳定地工作。
MC3363的极限参数如表3.1所示。
表3.1MC3363极限参数
名称
引脚位置
标识符
极限值
单位
电源电压
8
Vcc(max)
7
V(DC)
工作电压范围
8
Vcc
2.0~6.0
V(DC)
输入电压(Vcc=5.0Vdc)
1,28
V1~28
1
VRMS
静噪输出电压
19
V19
-0.7~8.0V
Vpk
焊接温度
-
Tj
150
℃
工作周围温度范围
-
TA
-40~+85
℃
储藏温度
-
Tstg
-65~+150
℃
MC3363内部结构图如图3.5所示。
图3.5MC3363内部结构图
3.2.2解码功能实现
该功能
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