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1、电子设计竞赛培训讲座之电子设计竞赛培训讲座之无线通信系统无线通信系统福州大学通信工程系许志猛9/3/2024主要内容主要内容o电子设计竞赛无线通信类题目概述电子设计竞赛无线通信类题目概述o2007年无线通信类课题解析年无线通信类课题解析n任务n要求n题目背景n题目分析o无线识别装置设计详解无线识别装置设计详解n方案论证与比较n总体设计n理论分析与计算n识别装置工作流程图n测试方法与测试数据n改进及扩展功能o电子系统设计步骤电子系统设计步骤o电子系统设计常用工具电子系统设计常用工具o讨论讨论导导 言言o大学生电子设计竞赛n从前几届全国电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成5类：o电源类电源类o信号源
2、类信号源类o无线电类无线电类o仪器类仪器类o数据采集与控制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”历届无线电类题目历届无线电类题目o2007第八届 无线识别装置（B题）n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。o2005第七届 单工无线呼叫系统（D题）n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。o2003第六届 电压控制LC 振荡器（A 题）n输出频率范围：15MHz35MHz历届无线电类题目历届无线电类题目 (Cont.)o
3、2001第五届 F题 调频收音机n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。o1999第四届 D题 短波调频接收机n短波调频接收机，接收频率（f0）范围：8MHz10MHz。o1997第三届 D题 调幅广播收音机n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：540kHz1600kHz；o1995第二届 题目三 简易无线电遥控系统n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年无线通信类课题解析无线识别装置（无线识别装置（B题）题） o任务任务图1 无线识别装置方框图 设计制作
4、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（无线识别装置（B题）题）o任务（任务（Cont.）n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。n不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。n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6.60.5 cm（可用直径6.6 cm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。n阅读器、应答器不得使用其他耦合方式。无线识别装置（
5、无线识别装置（B题）题）o要求要求n基本要求基本要求o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D5cm。 o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D5cm。无线识别装置（无线识别装置（B题）题）o要求（要求（Cont.）n发挥部分发挥部分 o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。
6、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D5cm。 o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。 o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。 o其他。题目背景题目背景o先从自动识别技术说起o目前，实际应用中的自动识别技术主要有：n条形码nIC卡nRFIDn生物特征识别：指纹、人脸、虹膜n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
7、，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。 无线射频识别技术无线射频识别技术（Radio Frequency Idenfication，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
8、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的分类的分类p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。nRFID的基本类型(供电方式)oActiveoSemi-ActiveoPassiven电子标签存储类型o只读o可读写（容量从16bit到数百Kbit）(transmitter andreceiver combined)(receiver and re-transmitter combined)ReaderTag系统工作原理与条形码类似，
9、只是用无线电代替了激光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:readerantennasignalsignalInductive couplingBackscatter couplingRFID的分类的分类电感耦合反射调制式耦合方式耦合方式o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：n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。n电磁反向散
10、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 耦合方式耦合方式o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1356MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为1020cm。o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，245GHz，58GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3-l0m。RFID的工作频率的工作频率oRFID系统的工作频率，主要有125KHz、13.56MHz、400MHz、860960M
11、Hz、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。o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。 p当前，国内主要应用的是当前，国内主要应用的是无源、工作频率为无源、
12、工作频率为13.56MHz 和和UHF（860960MHz）的）的RFID。RFID不同工作频段的区别不同工作频段的区别RFID为何可以无电源工作为何可以无电源工作o基于无线功率传输技术 n阅读器发射信号n标签由无线电信号提供能量(约1/1000)o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。o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1
13、0,000次以上。 ReaderTagRFID的特点的特点o快速扫描o体积小型化、形状多样化o抗污染能力和耐久性o可重复使用o穿透性和无屏障阅读o数据的记忆容量大o安全性标签与阅读器标签与阅读器o电电子子标标签签(射频标签、应答器、数据载体)依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。oRFID阅阅读读器器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)，通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写
14、入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。 题目分析题目分析o此为功能性题目。题目的初衷是要做一个无线读卡装置。（RFID）o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。o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。o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。o此题是功能性的，其结果可能有三种：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。课题设计课题
15、设计方案论证与比较o方案0n采用供能、通信相分离的方式来实现无线识别。 n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”这一要求不符不符。课题设计课题设计方案论证与比较（Cont.）o方案一方案一o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，接受到应答信号后，
16、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。 课题设计课题设计方案论证与比较（Cont.）o方案二方案二o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PT226
17、2起始工作电压低非常适合能量供应有限的场合。 课题设计课题设计方案论证与比较调制方式论证与比较调制方式论证与比较o方案一方案一 频移键控（FSK）n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。o方案二 相移键控（PSK）n与FSK类似。o方案三方案三 幅移键控（ASK）n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。课题设计课题设计总体设计总体设计1阅读器部分阅读器部分（参考）o电能
18、由振荡电路产生经后续多级放大电路放大，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发控制。（在此采用继电器，功耗较大，速度较慢）阅读器设计阅读器设计阅读器原理图课题设计课题设计总体设计总体设计2应答器部分应答器部分（参考）o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，SC2262读取拨码开关值，
19、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。应答器设计应答器设计应答器原理图课题设计课题设计总体设计 阅读器电路图课题设计课题设计总体设计总体设计 应答器电路图课题设计课题设计理论分析与计算理论分析与计算1耦合线圈匹配理论耦合线圈匹配理论 o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525PF，谐振频率：可得谐振频率为：21MHZ到9MHZ之间。o对 回 路 进 行 谐 振 频 率 测 量 得 到 谐 振 频 率 为11.4MHZ。o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。
20、应答器采用11.0952MHZ有源晶振作为载波频率。 课题设计课题设计理论分析与计算理论分析与计算2.阅读器发射电路分析阅读器发射电路分析 o主振电路采用有源晶振作为振荡器，频率稳定，电路简单，调试容易而且输出幅度大。有源晶振输出的方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经Q6及其外围电路组成的第一级放大电路后送至由Q9 及其外围电路组成的功率放大电路进行功率放大，最后输出至C45和L21组成的并联谐振回路辐射出去，为应答器提供能量。 课题设计课题设计理论分析与计算理论分析与计算3阅读器接收电路分析阅读器接收电路分析 o从555来的控制信号经过74LS04反相后控制继电器的
21、吸合，当继电器吸合时，C1与耦合线圈接通，Q1及其外围电路组成了以及电压放大电路，放大后的信号经二极管检波后送至LM311进行比较，还原波形。 课题设计课题设计识别装置工作流程图识别装置工作流程图 阅读器应答器课题设计课题设计测试方法与测试数据 1耦合线圈电感量大小与谐振频率耦合线圈电感量大小与谐振频率 o测试方法：直接用LC 电桥测耦合线圈电感量，用射频信号发生器与示波器测试耦合线圈并联一电容后的谐振频率。 课题设计课题设计测试方法与测试数据测试方法与测试数据2整机调试与测试整机调试与测试 o识别正确率与识别时间测试识别正确率与识别时间测试 n测试方法：阅读器接+15V外接电源，将阅读器与应
22、答器之间耦合线圈距离设置为5cm，拨动拨码开关改变应答器编码，观察阅读器显示输出的识别结果。重复5次，计算正确率。用秒表测出响应时间S。o识别距离测试识别距离测试 n测试方法：阅读器接+15V外接电源，将阅读器与应答器之间耦合线圈起始距离设置为5cm，每次增加识别距离1cm，观察阅读器识别正确率，直到识别正确率80%，此时，耦合线圈之间的距离即为本识别装置的最大识别距离。o识别时功耗测量识别时功耗测量 n测试方法：阅读器接+15V外接电源，将阅读器与应答器之间耦合线圈距离设置为5cm，阅读器识别结果正确的情况下，测量外接单电源供电电压U与供电电流I。多次测量取平均功耗作为识别装置识别时功耗。n
23、计算公式：识别装置识别功耗P：P=UI 课题设计课题设计改进及扩展功能改进及扩展功能o应答器采用EEPROMn采用的功耗MCU。如选用Philips的P89LPC938作为应答器的控制核心，其自带EEPROM，且功耗低 。nTI的MSP430 系列是超低功耗Flash 型MCU也很适合，但是指令系统和MCS-51有所区别。o阅读器采用MCU控制o自定义通信协议n收发两端都采用MCU，可以通过软件编程设计通信协议，免去PT2262/2272。o考虑天线与放大器的阻抗匹配，增强效率。o考虑到读写器要向应答器提供足够的能量，ASK调制时信号的占空比要尽可能大一些。总结总结电子系统设计的步骤电子系统设
24、计的步骤o调查研究o方案论证o单元设计o组装调测o总结报告总结总结电子系统设计常用工具电子系统设计常用工具o仪器n示波器n函数发生仪n数字万用表n直流稳压电源n特殊场合：逻辑分析仪、频谱分析仪、LC电桥n仿真器n编程器总结总结电子系统设计常用工具电子系统设计常用工具o设计工具软件n模、数电路仿真oProteus、pSpice、EWB、Multisimn电路板设计工具oProtel、PowerPCB、ORCADn单片机开发软件oKeil C51、伟福等仿真器配套软件、MCU厂商配套软件nCPLD、FPGA开发软件oQuartusII、MaxPlusII（ALTERA）oISE（XILINX）总结
25、总结电子系统设计常用工具电子系统设计常用工具nDSP开发软件oCCS（TI）、VisualDSP（ADI）oMatlab、Simulink、SystemviewnSoC设计软件oCandence、Synopsys、Mentor、Synplicity等公司的开发套件讨讨 论论o竞赛中需要掌握的知识和技能有哪些？o第一部分：硬件知识 o第二部分：软件知识 n一、 汇编语言n二、 C语言讨讨 论论o硬件知识n一、 数字信号n二、 模拟信号n三、 芯片及其封装n四、 分立器件n五、 单片机最小系统n六、 串行接口芯片n七、 电源设计n八、 维护与调试讨讨 论论n九、 设计思路o1、 电源：电压和电流o
26、2、 接口：串口、开关量输入、开关量输出o3、 开关量信号输出调理o4、 开关量信号输入调理o5、 CPU处理能力的考虑o6、 成为产品的考虑练习练习o用PT2262/2272完成一无线遥控LED灯，可以通过遥控器控制8个LED灯的亮灭。o开关电源设计与制作电子系统中的电源电子系统中的电源o直流稳压电源是电子系统中的一个必备部分，除了应用蓄电池以外，绝大多数的电子系统都使用直流稳压电源。小功率稳压电源一般由电网供电，再经过整流、滤波、稳压三个主要环节，将电网交流电变换成电子系统所需的稳定的低压电流。直流稳压电源的主要技术指标直流稳压电源的主要技术指标o性能参数n稳压系数n输出电阻n纹波抑制比n
27、温度系数o工作参数n输出电压及调节范围Uomin Uomaxn最大输出电流Iomaxn功耗P常用整流滤波电路常用整流滤波电路o常用整流电路n半波整流n全波整流n桥式整流o常用滤波电路n电容滤波n电感电容滤波n电阻电容滤波线性集成稳压器及其应用线性集成稳压器及其应用oCW78XX三端式集成稳压器n最大输出电流1AoLM117/217/317系列集成稳压器n最大输出电流1.5A，输出电压可调oLM196/396大电流可调稳压器n输出电压1.2515V，电流10A，耗散功率100WoLT/LM108x系列低压差三端式线性稳压器n压差1.5V可在满负荷电流下工作，最大输出电流7.5A线性集成稳压器及其
28、应用线性集成稳压器及其应用oLM2990/2991负电压输出线性稳压器n最大输出电流1A，压差0.6VoTPS75XXX系列集成线性稳压器n低压差、大电流线性稳压器oTPS73XX系列线性稳压器n具有复位功能的低压差、低功耗线性稳压器o小型线性稳压器（贴片封装）nMAX8890：三路输出、低噪声、低压差nMAX8882/3：双路线性稳压器nMAX1806：低输出电压线性稳压器（最低0.8V）开关集成稳压电源开关集成稳压电源o线性稳压电路的缺点:n调整管管耗大n电源效率低(30%60%)o改进思路：改进思路：n使调整管使调整管o开关稳压电路的优点：开关稳压电路的优点：n效效率率高高（80%以以上
29、上）、稳稳压压范范围围宽宽、对对电电网网要要求求不不高高、体积小、重量轻体积小、重量轻o开关稳压电路的缺点：开关稳压电路的缺点：n输出电压含输出电压含较大纹波、较大纹波、对电子设备对电子设备干扰较大、干扰较大、电路电路复杂复杂截止截止(电流小电流小) 饱和饱和(管压降小管压降小)串联型开关稳压电路串联型开关稳压电路调整管调整管调整管调整管取样取样取样取样电路电路电路电路开关调整管控制开关调整管控制开关调整管控制开关调整管控制组成框图组成框图滤波滤波滤波滤波+UI +Uo RLV18A8C基准基准电压电压三角波三角波发生器发生器R1R2V2LC+UREFuFuAuTuBuEiLIO频率固定频率固
30、定的三角波的三角波误差放大误差放大续流续流开关稳压电源的基本工作原理开关稳压电源的基本工作原理工作波形工作波形+UI V1LuEIO+Uo RL8A8CV2C+UREFuFuAuTuBiL=DUI 占空比占空比OOOOUOtttOttuTuAuBuEiLuoIOtofftonUI脉宽调制式脉宽调制式 （PWM）+UI +Uo RLV18A8C基准基准电压电压三角波三角波发生器发生器R1R2V2LC+UREFuFuAuTuBuEiLIOUIUOuFuA占空比占空比 UOD = 50 %当当uF = UREF ,uA = 0,UO为为预定标称值预定标称值稳压原理稳压原理+UI +Uo RLV1R1
31、R2LC+UREFuFuBV2控制控制电路电路+UI +Uo RLV1LC+uBV2+UI +Uo RLV1LC+uBV2iL高电平高电平iO低电平低电平iLuBtofftonT 并联型开关稳压电路并联型开关稳压电路开关型集成稳压器特性开关型集成稳压器特性o脉宽调制式开关稳压电路的开关频率一般在20KHz以上，开关频率越高，所用储能元件L、C的值越小，体积越小，成本越低。但因开关转换需消耗功率，故频率高效率低。o串联稳压一般为降压型，并联稳压一般为升压型。o开关稳压控制器需要外接开关功率调整管和快速恢复功率二极管，设计较为复杂。o开关稳压器集成所有器件，仅需外接电感、电容和电阻即可构成开关稳压电源。常用开关电源芯片常用开关电源芯片o开关稳压控制器nLM1524/2524/3524nTL494nMAX786o开关稳压器nCW4960/4962nLH1605/1605CnMIC4680nLM2578nLM2576/2576HVnLM2700nMAX8505nMAX1878nADP3000THE ENDo许志猛oE-mail：zhm_
