基于单片机无线识别装置的设计

基于单片机无线识别装置的设计内容摘要：

于 Ts 的矩形脉冲； an 是第 n 个符号的电平取值。 若取   P1 0 P 1 概率为概率为a n 则相应的 2ASK 信号就是 OOK 信号。 101 10 1 0 1s ( t )载 波2 A S K 图 2ASK/OOK 信号的时间波形 2ASK 信号的产生 方案一：模拟调制法 (相乘器法 )。 图 (a)就是一般的模拟调制的模型，该方法是用乘法器实现的。 二进制数字信号与载波信号相乘得到已调信号。 当输入的二进制位为 0 时，相乘得到低 电平；当输入二进制信号为 1 时，相乘得到载波信号。 方案二：键控法。 图 (b)是一种数字键控法，其中的开关电路受 s(t)控制，当输入为 0 时，开关电路选通低电平地；当输入为 1 时，开关电路选通载波信号，实现数字调制。 第二章 方案论证及理论分析 8 乘 法 器c o s ω c t 开关电路cosωte2ASKs(t) 图 (a) 模拟调试法 图 (b) 键控法 图 2ASK 信号的产生 在本设计中，采用方案一模拟调制法。 这里，可以选择的模拟开 关有CD4051( 八选一模拟开 关 ) 、 CD4052( 双通道四选一多路模拟开关 ) 、CD4053(三通道二选一模拟开关 )、 CD4067(十六路模拟开关 )等。 在本次设计中，只用到一路通道、二选一，所以选择 CD4052 模拟开关。 2ASK 信号的解调 方法一：非相干解调 (包络检波法 )。 方法二：相干解调 (同步检波法 )。 以上两种解调方式的基本原理都是用载波信号与数字基带信号相作用(不同的调制方式，计算公式不同 )，在发送的输出端得到了已经被调制的高频信号，而在接受端要恢复出原来的数字基带信号，就需要解调。 两 种解调方式的根本差别在于，相干解调必须要恢复出相干载波，利用这个相干载波和已调制信号作用，得到最初的数字基带信号，而这个相干载波是和原来在发送端调制该基带信号的载波信号是同频率同相位的。 而非相干解调不需要恢复出相干载波，所以比相干解调方式要简单，但是相干解调方式在大多数情况下，解调效果要好些。 在本设计中，由于要求识别正确率只有 80%，故选用方案一完全可以满足设计要求。 非相干解调的作用过程是：接收到的信号传输到全波整流器整流，整流后正弦波信号正半周部分保持不变，负半周部分变为正值，经低通滤波器滤除高频信号后 信号变得平滑，最后又抽样判决器判定接收到的信号。 非相干解调的框图如图 所示。 第二章 方案论证及理论分析 9 全 波 整 流放 大 低 通 滤 波抽 样 判 决定 时 脉 冲A BC 图 非相干解调框图 图 中各点波形如图 所示。 ABCD 图 非相干解调各点波形 单片机的选择 单片机在本次设计中控制四位二进制信号的存储、发送、接收以及显示等，起着至关重要的作用。 方案一：采用 MCS51 系列单片机。 该系列为通用 8 位中央处理器，此单片机运算能力强，软件编程灵活，自由 度大，能够实现对外围电路的智能控制，功能比较强，有 4 个 8 位并行 I/O 口、 2 个 16 位的定时器 /计时器、 5 个中断源、 2 个中断优先级、具有位寻址功能、片内采用单总线结构，价格比较低，目前仍被广泛应用于各种开发设计中。 方案 二 ：采用 MSP430 单片机。 MSP430 系列单片机是德州仪器公司 (TI)的一个超低功耗的 16 位的混合信号处理单片机，采用了 精简指令集 (RISC)结构，具有丰富的寻址方式 (7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址 )、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz 晶体驱动下指令周期为 125ns。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 但此单片机价格较高，性价比不高。 第二章 方案论证及理论分析 10 方案 三 ：采用 STM32 系列。 STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用 专门设计的 ARM CortexM3 内核。 按性能分成两个不同的系列： STM32F103“增强型 ”系列和 STM32F101“基本型 ”系列。 增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能，是 16 位产品用户的最佳选择。 两个系列都内置 32k 到 128k 的闪存，不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的组合。 时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码， STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于。 STM32 价格较高，结构复杂，在本次设计中不实用。 比较上述 三 个方案，方案一完全可以满足本次设计的要求，编程简单，设计灵活，调试方便，技术成熟，性价比较高，故采用此方案。 设计中 将 采用 STC89C52RC 单片机。 单片机信息输出接收方式的选择 方案一：串行通信。 串行通信是将数据字节分为一位一位的形式在一条传输线上逐个传送。 因为一次只能传送一位数据，所以对于一个字节的数据，至少要分 8 位才能传送完毕。 串行通信的必要过程是：发送时，要把并行数据变成串行数据发送到线路上，接收时，要把串行信号再变成并行数据，这样才 能被计算机及其它设备处理。 串行通信传输线少，长距离传输时成本低，调制方便。 方案 二 ：并行通信。 并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，每一位数据都需要一条传输线， 8 位数据总线的通信系统，一次传送 8 为数据 (1 个字节 )，将需要 8 条数据线。 此外，还需要一条信号线和若干控制信号线，这种方式适用于短距离的数据传输。 并行通信控制简单、相对传输速度快，但由于传输线较多，长距离传送时成本较高且手发方的各位同时接收存在困难。 在本设计中，若采用并行通信，对信号的调制难以实现。 综合以上分析，采用方案一串行通信。 在设计中，我们可以设定应答器在发送数据前先发送四位已知数据位作为识别位，然后发送四位数据位，第二章 方案论证及理论分析 11 这样共需发送 8 位数据供阅读器识别，发送完这 8 位数据后，单片机输出信息位置低电平并保持。 在阅读器端，当接收到已知识别位后将紧接着接收到的四位数据放入寄存器中，并传输到数据显示电路以供观察。 载波产生电路的选择 在本次设计中用到了 2ASK 调制，所以需要载波产生电路，这里对载波产生电路选择如下： 方案一：采用锁相环频率合成器。 利用锁相环，将压控振荡器的输出频率锁定在所需频率上。 这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性 ，可以很好地选择所需的频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。 但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。 而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位都很难控制。 除此之外，该方案也很难实现精确步进。 方案二：采用无源晶振。 无源晶振是有 2 个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来。 无源晶振没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶振可以适用于多种电压，而且价格通常也较低，因此对于一般的应 用如果条件许可建议用晶体。 无源晶振相对于有源晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路 (用于信号匹配的电容、电感、电阻等 )，更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。 使用时建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷晶体。 方案三：采用有源晶振。 有源晶振有 4 只引脚，是一个完整的振荡器，里面除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件。 有源晶振信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单 (主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的 PI 型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可 )，不需要复杂的配置电路。 相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，价格相对较高。 对于时序要求敏感的应用，还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。 有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但第二章 方案论证及理论分析 12 现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。 由以上分析，在设计中选用振荡频率稳定、体积较小、受温度影响小的有源晶体振荡器作为载波产生电路。 在实际使用中， 4MHz 的有源晶振输出波形接近正弦波，所以在设计中选用 4MHz 作为载波频率。 放大电路的选择 方案一：采用 OCL 互补功率放大电路。 OCL 电路结构简单，成本较低，但两个三极管直接连到负载上，如果静态工作点失调或电路内元件损坏，将造成一个较大的电流长时间流过负载，可能造成电路损坏，在使用时常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施，性能一般。 方案二：采用复合管的互补对称式功率放大电路。 该电路的放大倍数更大，但该电路存在一个缺点，两个大功率的三极管一个是 PNP 型、一个是 NPN 型，他们的类型不同，很难做到两者的互补对称。 方案三：采用集成运算放大器。 集成功放性能优良，放大倍数可调，可以实现对小信号的放大，功耗较低，电源利用率高，非线性失真小，温度稳定性好，成本低廉，外部接线大大减少，可靠性高。 通过调节电阻的阻值可以轻松实现电压放大倍数的改变。 综合考虑设计要求，本设计中需要的是电压信号，方案一、方案二是功率放大线路，既放大电压也放大电流。 且由于阅读器线圈接收到的是十分微弱的信号，放大过程中要求功耗小，波形失真尽量要小，尽量不产生额外的噪声，以免影响阅读器识别正确率。 综合以上分析，故选用方案五集成运算放大器。 在放大电路中，需要高速放大器，查阅相关资料，选用OP37 高低功耗放大器。 数码显示的选择 方案一：采用 LED。 若采用该方案，只需四个 LED，可以选择灯亮代表数据位为 1，灯灭为 0。 该方案占用单片机引脚少，显示比较直观，编程十分简单，功耗低，性价比高。 第二章 方案论证及理论分析 13 方案二：采用数码管显示。 若采用该方案，需要四个数码管，另外还需要两个数据锁存器，需采用动态显示的方法，单片机接收到的信号可以直接显示在数码管上，但电路较为繁琐，编程复杂，花费较大。 方案三：采用 LCD1602 液晶显示。 液晶是一种高分子材料。 1602 液晶为 5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行 16 个字符，不能显示汉字，内含 128 个 字符的 ASCII 字符集字库，只有并行接口，无串行接口。 液晶显示具有体积小、功耗低、显示操作简单等优点，广泛应用于各种设计。 但是，他有一个致命的弱点，其使用的温度范围很窄。 综合以上分析，方案一完全可以满足设计需要，并且性价比很高，功耗低，利于实现阅读器采用单电源供电，在识别状态时，电源供给功率 ≤ 2W的设计要求，所以采用方案一。 抽样判决电路的选择 方案一：采用电压比较器。 运用该方法的原理是：将滤波后的信号传输到电压比较器，与一个已知电压进行比较，若信号电压大于已知电压，则判决为 1，反之判为 0。 采用 该方法的好处是线路连接简单，调试属于硬件范围，较为方便，比较输出的电压可直接向单片机串行口输出。 方案二：采用 ADC。 该方法的原理是：将滤波后的信号经 ADC 采样后送入单片机，单片机程序控制该采样信息与一个确定电压进行比较，若采样信号大于确知信号则判为 1，否则判为 0。 该方案的需要连接 ADC，线路较为复杂，调试需要改动软件，软件编写也很复杂，很不方便。 由以上分析，选用方案一。 电压比较器选用 MAXIM 公司的高速低功耗 MAX901 电压比较器。 阅读器供电电路稳压器件的选择 方案一：采用稳压管。 输出电压比 较稳定，但当需要输出较大的电压时，稳压管需采用多个串联的方法才可以实现，且受温度影响较大，稳压效果不好，影响整个电路的工作。 方案二：采用集成稳压块。 集成稳压器具有体积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活方便、价格低廉，被广泛应用于一起、仪第二章 方案论证及理论分析 14 表及其他各种电子设备中。 特别是三段集成稳压器，芯片只引出三个端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需要外接元件。 芯片内继承了各种保护电路，使用更加安全可靠。 在本设计中，需要产生稳定、脉动系数小的电压采用保证精密器件的正常工作，所以选用方案二。 整机框图 综上所述，本 设计 的 整机框图如图 所示。 四 位 拨 码 开 关S T C 8 9 C 5 2 C D 4 0 5 2载 波线 圈线 圈低 通 滤 波 放 大M A X 9 0 1 S T C 8 9 C 5 2数 码 显 示应 答 器供 电 电 路阅读器耦 合 图 整机框图 第三章 单元电路设计 15。