電子相關設計競賽章節座之無線通信系統主要內容電子設計競賽無線通信類題目概述2007年無線通信類課題解析要求題目背景題目分析無線識別裝置設計詳解方案論證與比較總體設計理論分析與計算識別裝置工作流程圖測試方法與測試數據改進及擴展功能電子系統設計步驟電子系統設計常用工具討論導言大學生電子設計競賽從前幾屆全國電子設計競賽的試題來看，可以歸納成5類：電源類信號源類無線電類儀器類數據采集與控制類從各個題目看，不是簡單的電路設計，而是“系統設計”歷屆無線電類題目2007第八屆無線識別裝置（B題）設計制作一套無線識別裝置。該裝置由閱讀器、應答器和耦合線圈組成。閱讀器能識別應答器的有無、編碼和存儲信息。不得使用現有射頻識別卡或用于識別的專用芯片。2005第七屆單工無線呼叫系統（D題）設計并制作一個單工無線呼叫系統，實現主站至從站間的單工語音及數據傳輸業務。2003第六屆電壓控制LC振蕩器（A題）輸出頻率范圍：15MHz～35MHz歷屆無線電類題目(Cont.)2001第五屆F題調頻收音機用SONY公司提供的FM/AM收音機集成芯片CXA1019和鎖相頻率合成調諧集成芯片BU2614，制作一臺調頻收音機。1999第四屆D題短波調頻接收機短波調頻接收機，接收頻率（f0）范圍：8MHz～10MHz。1997第三屆D題調幅廣播收音機利用所提供的元器件（附有資料）制作一個中波廣播收音機。接收頻率范圍：540kHz～1600kHz；1995第二屆題目三簡易無線電遙控系統設計并制作無線電遙控發射機和接收機。2007年無線通信類課題解析無線識別裝置（B題）

任務圖1無線識別裝置方框圖設計制作一套無線識別裝置。該裝置由閱讀器、應答器和耦合線圈組成，其方框圖參見圖1。閱讀器能識別應答器的有無、編碼和存儲信息。無線識別裝置（B題）任務（Cont.）裝置中閱讀器、應答器均具有無線傳輸功能，頻率和調制方式自由選定。不得使用現有射頻識別卡或用于識別的專用芯片。裝置中的耦合線圈為圓形空芯線圈，用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導線密繞10圈制成。線圈直徑為6.6±0.5cm（可用直徑6.6cm左右的易拉罐作為骨架，繞好取下，用絕緣膠帶固定即可）。線圈間的介質為空氣。兩個耦合線圈最接近部分的間距定義為D。閱讀器、應答器不得使用其他耦合方式。無線識別裝置（B題）要求基本要求應答器采用兩節1.5V干電池供電，閱讀器用外接單電源供電。閱讀器采用發光二極管顯示識別結果，能在D盡可能大的情況下，識別應答器的有無。識別正確率≥80%，識別時間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。應答器增加編碼預置功能，可以用開關預置四位二進制編碼。閱讀器能正確識別并顯示應答器的預置編碼。顯示正確率≥80%，響應時間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。無線識別裝置（B題）要求（Cont.）發揮部分

應答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得（通過對耦合到的信號進行整流濾波得到能量），不允許使用電池及內部含有電池的集成電路。閱讀器能正確讀出并顯示應答器上預置的四位二進制編碼。顯示正確率≥80%，響應時間≤5秒，耦合線圈間距D≥5cm。閱讀器采用單電源供電，在識別狀態時，電源供給功率≤2W。在顯示編碼正確率≥80%、響應時間≤5秒的條件下，盡可能增加耦合線圈間距D。應答器增加信息存儲功能，其存儲容量大于等于兩個四位二進制數。裝置斷電后，應答器存儲的信息不丟失。無線識別裝置具有在閱讀器端寫入、讀出應答器存儲信息的功能。其他。題目背景先從自動識別技術說起……目前，實際應用中的自動識別技術主要有：條形碼IC卡RFID生物特征識別：指紋、人臉、虹膜…………自動識別技術是以計算機技術和通信技術為基礎的綜合性科學技術，它是信息數據自動識讀、自動采集到計算機的重要方法和手段。無線射頻識別技術（RadioFrequencyIdenfication，RFID）是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。什么是RFID?工作原理：標簽進入磁場后，接收閱讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽或被動標簽），或者主動發送某一頻率的信號（有源標簽或主動標簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至應用系統進行有關數據處理。應用系統主要完成數據信息的存儲及管理，可以由簡單的小型數據庫擔當，也可以是集成了RFID管理模塊的大型ERP數據庫管理軟件。RFID的分類最簡單的RFID系統：由標簽（Tag）、閱讀器（Reader）及天線（Antenna）組成，實際應用時需與計算機及應用系統相結合。RFID的基本類型(供電方式)ActiveSemi-ActivePassive電子標簽存儲類型只讀可讀寫（容量從16bit到數百Kbit）(transmitterandreceivercombined)(receiverandre-transmittercombined)ReaderTag系統工作原理與條形碼類似，只是用無線電代替了激光passivesemi-passiveactive標簽類型:工作頻率:Low(125KHz),High(13.56MHz),UHF(915MHz),MW(2450MHz)耦合方式:readerantennasignalsignalInductivecouplingBackscattercouplingRFID的分類電感耦合反射調制式耦合方式發生在閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種：電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現耦合，依據的是電磁感應定律，如上圖所示。電磁反向散射耦合：雷達原理模型，發射出去的電磁波，碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規律耦合方式電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統。典型的工作頻率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。識別作用距離小于1m，典型作用距離為10～20cm。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統。典型的工作頻率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。識別作用距離大于1m，典型作用距離為3-l0m。RFID的工作頻率RFID系統的工作頻率，主要有125KHz、13.56MHz、400MHz、860～960MHz、2.45GHz、5.8GHz等多個頻段。但是，不同的國家和地區的對頻率的分配和最大發射功率的規定是不同的。在某些地區，某些頻段的RFID產品可能是被禁止使用的。一般而言，工作頻率在100MHz以下的RFID系統是通過線圈之間的磁場耦合的方式工作，通常具有工作距離近，成本低，天線尺寸大，通訊速度低等特點，這類電子標簽一般對人體沒有影響；而400MHZ以上的RFID系統是通過無線電波發射和反射的方式工作，通常具有工作距離遠，天線尺寸小，通訊速度高等特點，這類電子標簽一般會有發射功率限制，以避免對人體或環境造成傷害。

當前，國內主要應用的是無源、工作頻率為13.56MHz和UHF（860~960MHz）的RFID。RFID不同工作頻段的區別RFID為何可以無電源工作基于無線功率傳輸技術閱讀器發射信號標簽由無線電信號提供能量(約1/1000)電子標簽與閱讀器之間通過耦合元件實現射頻信號的空間(無接觸)耦合、在耦合通道內，根據時序關系，實現能量的傳遞、數據的交換。每個電子標簽都含有唯一的識別碼，用來表示電子標簽所附著的物體。當電子標簽接收到閱讀器的發射信號的時候，電子標簽被“喚醒”，然后根據閱讀器發射的指令完成相應的動作，并將響應信息發射回給閱讀器。電子標簽上的存儲單元，可以反復讀寫10,000次以上。

ReaderTagRFID的特點快速掃描體積小型化、形狀多樣化抗污染能力和耐久性可重復使用穿透性和無屏障閱讀數據的記憶容量大安全性標簽與閱讀器電子標簽(射頻標簽、應答器、數據載體)依據頻率的不同可分為低頻電子標簽、高頻電子標簽、超高頻電子標簽和微波電子標簽。依據封裝形式的不同可分為信用卡標簽、線形標簽、紙狀標簽、玻璃管標簽、圓形標簽及特殊用途的異形標簽等。RFID閱讀器又稱為讀出裝置，掃描器、通訊器、讀寫器(取決于電子標簽是否可以無線改寫數據)，通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。典型的閱讀器包含有高頻模塊(發送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線。題目分析此為功能性題目。題目的初衷是要做一個無線讀卡裝置。（RFID）此題最簡單的方法是用一對現有的收發芯片，配上題目給出的天線。此題基本要求部分是進行簡單的數字通信，發揮部分主要是無線功率傳輸的問題。解決的方法是，可在發送端不斷地進行高頻等幅波的發射，在接收端接收其高頻能量，檢波成直流分量并存儲起來，可用電容作為存儲元件。由于題目要求傳輸的信息量很小，可有較多時間進行高頻能量的傳輸。此題是功能性的，其結果可能有三種：一是不能傳輸信息也就是失敗；二是只完成基本部分；三是可進行無源接收。課題設計——方案論證與比較方案0采用供能、通信相分離的方式來實現無線識別。該方案的原理就是將供能和通信分開，用線圈的耦合作用實現應答器的無源供電；而通信則使用無線收發電路制作，比如應用10米波段的MC2833、MC3363收發電路或者315MHz、433MHz等頻段的無線數據傳輸模塊來制作。這樣的設計，線圈主要完成能量的傳輸，比較容易實現，而信號的耦合則是通過其他無線通信途徑來完成的，與題目中的“不依靠任何其他耦合方式”這一要求不符。課題設計——方案論證與比較（Cont.）方案一采用單片機與有源晶振振蕩器組成無線識別系統。閱讀器：用串口通信方式掃描應答信號，接受到應答信號后，判別其是否有效，若有效則顯示應答器信息，并蜂鳴提示。應答器：當靠近閱讀器時，通過線圈耦合獲得工作能量，讀取撥碼開關狀態，發送應答信號。特點：采用單片機異步串口通信方式，具有較高的顯示正確率。但對于本設計任務，考慮到耦合能量有限，不足以驅動單片機。課題設計——方案論證與比較（Cont.）方案二采用PT2262編碼芯片，與PT2272解碼芯片組成無線識別系統。應答器通過四位撥碼開關進行卡號設置，PT2262對卡號進行編碼并通過耦合線圈發射出去；閱讀器通過耦合線圈接收信號并交給PT2272解碼芯片譯碼輸出應答器卡號，由發光二極管顯示。特點：系統組成簡單，成本低，功耗小，且PT2262起始工作電壓低非常適合能量供應有限的場合。課題設計——方案論證與比較調制方式論證與比較方案一頻移鍵控（FSK）傳輸速率快，數據正確率高，但調制電路復雜，成本高，尤其功耗較高，而且解調電路較為復雜。本題目要求低功耗，且對通訊指標要求不是很苛刻，如傳輸數據正確率≥80%，響應時間≤5S，故不宜選用該方案。方案二相移鍵控（PSK）與FSK類似。方案三幅移鍵控（ASK）調制電路簡單，功耗較低，常用于簡單的低速數據通信，解調電路也十分簡單，滿足本設計任務要求，綜合考慮我們選用該方案。課題設計——總體設計1．閱讀器部分（參考）電能由振蕩電路產生經后續多級放大電路放大，通過耦合線圈發送出去；閱讀器通過耦合線圈接收應答器發送的信號，信號經檢波電路檢波后送給PT2272串口接收，PT2272對編碼信號進行解調后輸出識別結果。振蕩電路與檢波電路是交替工作的，周期由555產生，單工切換可由電子開發控制。（在此采用繼電器，功耗較大，速度較慢）閱讀器設計閱讀器原理圖課題設計——總體設計2．應答器部分（參考）應答器通過耦合線圈諧振耦合獲取能量，再經放大整流電路向儲能電容充電獲得系統工作所需電能；當電容電壓經電壓判斷電路判斷達到指定幅值時，應答器開始工作，SC2262讀取撥碼開關值，并通過串口發送編碼信號，此時有源晶振產生載波信號，編碼信號再經ASK調制，從耦合線圈輻射出去。應答器設計應答器原理圖課題設計——總體設計閱讀器電路圖課題設計——總體設計應答器電路圖課題設計——理論分析與計算1．耦合線圈匹配理論

采用線圈與可變電容組成并聯諧振回路，測試得線圈電感為11uH,可變電容容量為5~25PF，諧振頻率：可得諧振頻率為：21MHZ到9MHZ之間。對回路進行諧振頻率測量得到諧振頻率為11.4MHZ。因而，閱讀器采用11.0952MHZ有源晶振產生接近與諧振頻率的能源載波頻率。應答器采用11.0952MHZ有源晶振作為載波頻率。課題設計——理論分析與計算2.閱讀器發射電路分析

主振電路采用有源晶振作為振蕩器，頻率穩定，電路簡單，調試容易而且輸出幅度大。有源晶振輸出的方波，經過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩定的正弦波輸出，經Q6及其外圍電路組成的第一級放大電路后送至由Q9及其外圍電路組成的功率放大電路進行功率放大，最后輸出至C45和L21組成的并聯諧振回路輻射出去，為應答器提供能量。課題設計——理論分析與計算3．閱讀器接收電路分析

從555來的控制信號經過74LS04反相后控制繼電器的吸合，當繼電器吸合時，C1與耦合線圈接通，Q1及其外圍電路組成了以及電壓放大電路，放大后的信號經二極管檢波后送至LM311進行比較，還原波形。課題設計——識別裝置工作流程圖閱讀器應答器課題設計——測試方法與測試數據1．耦合線圈電感量大小與諧振頻率

測試方法：直接用LC電橋測耦合線圈電感量，用射頻信號發生器與示波器測試耦合線圈并聯一電容后的諧振頻率。課題設計——測試方法與測試數據2．整機調試與測試

識別正確率與識別時間測試

測試方法：閱讀器接+15V外接電源，將閱讀器與應答器之間耦合線圈距離設置為5cm，撥動撥碼開關改變應答器編碼，觀察閱讀器顯示輸出的識別結果。重復5次，計算正確率。用秒表測出響應時間S。識別距離測試

測試方法：閱讀器接+15V外接電源，將閱讀器與應答器之間耦合線圈起始距離設置為5cm，每次增加識別距離1cm，觀察閱讀器識別正確率，直到識別正確率≤80%，此時，耦合線圈之間的距離即為本識別裝置的最大識別距離。識別時功耗測量

測試方法：閱讀器接+15V外接電源，將閱讀器與應答器之間耦合線圈距離設置為5cm，閱讀器識別結果正確的情況下，測量外接單電源供電電壓U與供電電流I。多次測量取平均功耗作為識別裝置識別時功耗。 計算公式：識別裝置識別功耗P：P=U×I課題設計——改進及擴展功能應答器采用EEPROM采用的功耗MCU。如選用Philips的P89LPC938作為應答器的控制核心，其自帶EEPROM，且功耗低。TI的MSP430系列是超低功耗Flash型MCU也很適合，但是指令系統和MCS-51有所區別。閱讀器采用MCU控制自定義通信協議收發兩端都采用MCU，可以通過軟件編程設計通信協議，免去PT2262/2272。考慮天線與放大器的阻抗匹配，增強效率。考慮到讀寫器要向應答器提供足夠的能量，ASK調制時信號的占空比要盡可能大一些。總結——電子系統設計的步驟調查研究方案論證單元設計組裝調測總結報告總結——電子系統設計常用工具儀器示波器函數發生儀數字萬用表直流穩壓電源特殊場合：邏輯分析儀、頻譜分析儀、LC電橋仿真器編程器總結——電子系統設計常用工具設計工具軟件模、數電路仿真Proteus、pSpice、EWB、Multisim電路板設計工具Protel、PowerPCB、ORCAD單片機開發軟件KeilC51、偉福等仿真器配套軟件、MCU廠商配套軟件CPLD、FPGA開發軟件QuartusII、MaxPlusII（ALTERA）ISE（XILINX）總結——電子系統設計常用工具DSP開發軟件CCS（TI）、VisualDSP（ADI）Matlab、Simulink、SystemviewSoC設計軟件Candence、Synopsys、Mentor、Synplicity等公司的開發套件討論競賽中需要掌握的知識和技能有哪些？第一部分：硬件知識第二部分：軟件知識一、匯編語言二、C語言討論硬件知識一、數字信號二、模擬信號三、芯片及其封裝四、分立器件五、單片機最小系統六、串行接口芯片七、電源設計八、維護與調試討論九、設計思路1、電源：電壓和電流2、接口：串口、開關量輸入、開關量輸出3、開關量信號輸出調理4、開關量信號輸入調理5、CPU處理能力的考慮6、成為產品的考慮練習用PT2262/2272完成一無線遙控LED燈，可以通過遙控器控制8個LED燈的亮滅。開關電源設計與制作電子系統中的電源直流穩壓電源是電子系統中的一個必備部分，除了應用蓄電池以外，絕大多數的電子系統都使用直流穩壓電源。小功率穩壓電源一般由電網供電，再經過整流、濾波、穩壓三個主要環節，將電網交流電變換成電子系統所需的穩定的低壓電流。直流穩壓電源的主要技術指標性能參數穩壓系數輸出電阻紋波抑制比溫度系數工作參數輸出電壓及調節范圍Uomin~

Uomax最大輸出電流Iomax功耗P常用整流濾波電路常用整流電路半波整流全波整流橋式整流常用濾波電路電容濾波電感電容濾波電阻電容濾波線性集成穩壓器及其應用CW78XX三端式集成穩壓器最大輸出電流1ALM117/217/317系列集成穩壓器最大輸出電流1.5A，輸出電壓可調LM196/396大電流可調穩壓器輸出電壓1.25~15V，電流10A，耗散功率100WLT/LM108x系列低壓差三端式線性穩壓器壓差1.5V可在滿負荷電流下工作，最大輸出電流7.5A線性集成穩壓器及其應用LM2990/2991負電壓輸出線性穩壓器最大輸出電流1A，壓差0.6VTPS75XXX系列集成線性穩壓器低壓差、大電流線性穩壓器TPS73XX系列線性穩壓器具有復位功能的低壓差、低功耗線性穩壓器小型線性穩壓器（貼片封裝）MAX8890：三路輸出、低噪聲、低壓差MA