【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 18 參考文獻(xiàn) 19 致 謝 20 附 錄 2 附錄 A 接收端硬件原理圖 2 附錄 B 外文資料 3 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 章 緒 論 課題研究的背景 隨著各個(gè)行業(yè)快速的發(fā)展，對(duì)智能化服務(wù)的要求也越來越高，然而要做到對(duì)每件事的監(jiān)管是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此圖像技術(shù)的發(fā)展為我們找到了一種解決問題的新思路 ， 射頻識(shí)別（ RFID）是當(dāng)今自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)收集（ AIDC）行業(yè)發(fā)展最快的板塊之一。在實(shí)際應(yīng)用中，采用射頻識(shí)別技術(shù)極大地改善了工序流程的特性和能力，因此在圖像采集系統(tǒng)中能夠得到很好的應(yīng)用。 課題研究的意義 基于射頻識(shí)別技術(shù)的圖像采集系統(tǒng) 具有成本低、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)了將現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像通過射頻芯片傳送到 PC 機(jī)的目標(biāo)，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所發(fā)生的各種情況，因此其應(yīng)用范圍比較廣泛， 比如 在 車輛智能化管理、圖書管理和無需停車收費(fèi) 、 貨物排序和大型的庫存管理等領(lǐng)域有著無限的潛力。 課題研究的主要內(nèi)容 本文依據(jù)電路的基本理論與設(shè)計(jì)方法，從研究圖像壓縮、射頻通信技術(shù)的基本理論出發(fā)，提出了無線圖像采集系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計(jì)方案，然后再完成射頻芯片 CC2430 和 USB 芯片 CH372 外圍電路及 它們之間的接口設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)從射頻芯片接收到的微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像信息的過程。 （ 1）整體方案的設(shè)計(jì) 方案的選擇要符合芯片功能的要求，既要保證圖像能夠更快更好地傳輸，又要體現(xiàn)出本方案的特點(diǎn)，本文研究設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)接收端是采用 CC2430 射頻芯片和 USB 芯片 CH372，用來實(shí)現(xiàn)把接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到 PC 機(jī)上顯示，以便于我們能更好的觀察。 （ 2）程序流程圖及軟件設(shè)計(jì) 一個(gè)程序要想實(shí)現(xiàn)其功能，不能沒有次序而盲目下手，必須對(duì)其有一個(gè)全面的了解后畫出流程框圖，然后逐個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)其功能，最終把模塊之間合理的連接起來，構(gòu) 成完整程序。本方案的軟件設(shè)計(jì)主要包括 射頻通信模塊、 USB 接口模塊 ， 并石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 在軟件中完成芯片的初始化、射頻芯片 CC2430 應(yīng)用程序的開發(fā) 課題研究的工作原理 無線射頻 (Radio Frequency)簡(jiǎn)稱 RF，實(shí)際上是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波簡(jiǎn)稱。以每秒變化小于 1000次的交流電稱為低頻電流，大于 1000次的稱為高頻電流，射頻就是一種高頻電流。無線射頻技術(shù)是一種現(xiàn)今在產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用廣泛的技術(shù)，它通過對(duì)無線收發(fā)芯片的設(shè)計(jì)應(yīng)用，為短距離無線傳輸數(shù)據(jù)提供了較好的解決辦法。由于采用了低發(fā)射功率和高接收靈敏度 的設(shè)計(jì)，可滿足無線管制的要求，使用無需許可證，是目前低功率無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。無線射頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域具有不可替代的作用，它可主要分為以下三類 [1][2]： 非專用頻段，或稱為工業(yè)、科研、醫(yī)學(xué) (ISM)頻段 ISM頻段，是位于調(diào)頻無線電與蜂窩電話使用的 UHF頻段的高端。由于本頻段頻譜資源擁擠，可用的帶寬較少，所以必須采用擴(kuò)頻技術(shù)。由于優(yōu)越的抗干擾性和保密性，擴(kuò)頻技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事通信，其概念就是把原始信息的帶寬變換成帶寬寬得多的類噪聲信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)輻射的功率是被擴(kuò)展過 10～ 1000倍原始信息的帶寬，這樣，功率譜密度也相應(yīng)降低相同的量，擴(kuò)頻信號(hào)對(duì)窄帶信號(hào) (FDMA， TDMA)用戶的干擾也相席地降低相同的量，于是擴(kuò)頻信號(hào)對(duì)窄帶用戶的干擾就很小了。另一方面，擴(kuò)頻信號(hào)本身也具有強(qiáng)的抗干擾能力。從這個(gè)意義上說，在窄帶用 戶 發(fā)射功率一定時(shí)，由丁擴(kuò)頻處理增益的作用，擴(kuò)頻寬帶信號(hào)可以與窄帶信號(hào)共享相同的頻帶。也正鑒于此，美國聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC)在 1985年開放了三個(gè)頻段，～ 、 902MHz～ 928MHz、 ～ 。允許輸出功率小于 1W的擴(kuò)頻電臺(tái)免許 可證使用，這極大地促進(jìn)了無線 LAN的發(fā)展。 ISM頻段中涉及的免許可證電臺(tái)，可以采 用 直接序列擴(kuò)頻 (DS)、跳頻 (HF)，也可以是混合擴(kuò)頻 (DS/HF)。 DS技術(shù)常用于較高速率的數(shù)據(jù)通信，跳頻系統(tǒng)從本質(zhì)而言還是窄帶傳輸過程，由于限制了調(diào)制帶寬，通常速率較低，所以 ISM頻段的無線LAN人多采用 DS擴(kuò)頻， FCC對(duì)其使用做了較嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)定。但是，擴(kuò)頻技術(shù)并不能從根本上解決可用帶寬問題，在無線傳輸中，數(shù)據(jù)編碼的可用帶寬越多，可達(dá)到的總的數(shù)據(jù)率就越高，盡管 FCC開放了多個(gè)頻段，但其總的可用帶寬有限的理論上，處理增益 10dB的 DS系統(tǒng) (QPSK)可得到的最 大 數(shù)據(jù)率分別為 (900MHZ)和()。而目前工作于 ISM頻段中的無線最高數(shù)據(jù)率均小于 2Mbit/s。此外，在 ISM頻段中射頻信號(hào)具有一定的透射和繞射能力，頻率復(fù)用度較低，無法與最新的微蜂窩技術(shù)結(jié)合，阻止了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。 專用頻段： (— )GHz， (— )GHz 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18GHz波段的主要優(yōu)點(diǎn)是它具有一系列 UHF和紅外光波的混合頻率特性，對(duì)于微蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用很有吸引力，可獲 得較高的頻率復(fù)用度，并且信號(hào)不必嚴(yán)格限于視距傳輸。 18GHz波段具有足夠高的頻率，辦公設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)備對(duì)無線 LAN的干擾很小，而且由于所需功率小，系統(tǒng)產(chǎn)生的微波能量也不會(huì)影響其它電子系統(tǒng)和設(shè)備的正常工作。 18GHz波段另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于具有足夠的帶寬，最近美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)劃分的專用頻段，可供 10個(gè) 10MHz信道使用，由于 FCC的控制，減少了潛在的系統(tǒng)同頻干擾。專用頻段一般選用頻帶利用率高的窄帶調(diào)制方式如 (TDMA)，所以這一頻段的無線多使用時(shí)分雙工 (TDD)復(fù)用技術(shù)，使系統(tǒng)在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?時(shí)，還有足夠的頻率間隔保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。 毫米波段 (MMW) 工作于毫米波段的無線 LAN可提供更大的信息傳輸容量，但在技術(shù)上還未成熟。與 IR系統(tǒng)在物理層上有許多相似之處，在毫米波段系統(tǒng)中使用天線分集技術(shù)可明顯提高抗阻塞和抗多徑干擾能力，多徑性能改善不大，只能減小陰影、而 IR系統(tǒng)由于波長(zhǎng)短，使用天線分集 技術(shù)可提高 抗阻塞和時(shí)延擴(kuò)展帶來的影響。此外，在毫米波段中采用靜態(tài)路徑補(bǔ)償相對(duì)簡(jiǎn)單，并且毫米波段 LAN具有很好的 LPI/AJ特性，特別是在頻率高端 (58GHz)左右。在此頻段中，由于大氣 中 氧 氣 產(chǎn)生分子 諧振，比低頻段正常傳播 時(shí) 損耗高約 18dB/km，這種附加的衰落使信號(hào)明顯具有顯著的作用范圍，區(qū)域外不易檢測(cè)和竊聽到 LAN信號(hào)，也使外來干擾對(duì) LAN不會(huì)產(chǎn)生 大 的影響，因此，毫米波段無線 LAN在軍事領(lǐng)域中具有極好的發(fā)展前景。 基于射頻識(shí)別技術(shù)的圖像采集系統(tǒng)就是利用無線射頻技術(shù)，把圖像傳感器采集到的圖像經(jīng)射頻發(fā)射端以無線射頻技術(shù)發(fā)送出去，然后射頻接收端把包含有圖像的電磁波接收下來并通過 USB芯片把圖像送到 PC機(jī)上進(jìn)行顯示 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 功能要求 能夠?qū)崟r(shí)觀察圖像并對(duì)圖像進(jìn)行采集 把采集 到的圖像保存，射頻芯片發(fā)射端把圖像以電磁波形式發(fā)送出去 射頻芯片接收端接收包含圖像的電磁波 把電磁波轉(zhuǎn)換成圖像并傳輸?shù)?PC 機(jī)上進(jìn)行顯示 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路 本方案包括發(fā)射端和接收端兩部分，發(fā)射端使用 STK6031單片機(jī) 作 為微控制器，芯片 OV7620作為圖像傳感器， ZR36060作為圖像壓縮芯片，采用微芯公司生產(chǎn)的 CC2430作為射頻芯片，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)基于射頻識(shí)別技術(shù)的無線圖像采集系統(tǒng)發(fā)射端，接收端采用射頻芯片 CC2430進(jìn)行接收，然后利用 USB芯片 CH372把圖像在 PC機(jī)上進(jìn)行顯示。 芯片選擇 模塊方案 系統(tǒng)發(fā)射端部分主要由主控單元、圖像采集單元、圖像壓縮單元、圖像傳輸單元四個(gè)部分組成，采用 STK6031處理器作為主控單元的核心芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向的控制、外圍模塊的控制及管理。系統(tǒng)接收端主要由主控單元、射頻接收單元、數(shù)據(jù)上傳單元三個(gè)部分組成。采用 CC2430的處理器作為主控單元的核心芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向的控制、外圍模塊的控制和管理。 射頻芯片選擇 由于不同公司不同型號(hào)的無線收發(fā)芯片種類和數(shù)量都比較多，因而無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，正確的選擇可 減小開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期、降低成本、更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。選擇無線收發(fā)芯片時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元器件數(shù)量、芯片成本等。以上要素中有很多是跟接收和發(fā)送技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)的。在此先簡(jiǎn)要介紹接收和發(fā)送系統(tǒng)中的幾項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo) [3]： l、接收靈敏度 接收靈敏度用于表示接收微弱信號(hào)的能力，它是制約基站上行作用距離的決定性技術(shù)指標(biāo)，是接收部分最重要的指標(biāo)。無線收發(fā)芯片的接收靈敏度直接影響著系統(tǒng)的傳輸性能。接收最高靈敏度就是維持正常工作時(shí)，輸入端所必須的最小信號(hào)功率 (或 電壓 )。靈敏度愈高，則表示接收微弱信號(hào)的能力愈強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)的無線傳輸距離會(huì)越大。接收回路增益高有利于提高靈敏度，因?yàn)檩敵鱿嗤β蕰r(shí)所需的輸入信號(hào)功率小，但由于接收回路內(nèi)部噪聲的影響，當(dāng)外來信號(hào)微弱時(shí)，會(huì)使信號(hào)被噪聲所淹沒。實(shí)際上，只有當(dāng)輸出信號(hào)比達(dá)到一定值時(shí)才能正常接收。需注意的是，接收回路在不同種類芯片和不同工作頻率上的靈敏度是不同的。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍最早是信號(hào)系統(tǒng)的概念，一個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差。系統(tǒng)的接收回路必須能夠工作于相當(dāng)大的信號(hào)強(qiáng)度范圍內(nèi)。一方面 ，對(duì)弱信號(hào)的響應(yīng)通常受到接收回路所產(chǎn)生的噪聲的限制。另一方面，強(qiáng)度過高的信號(hào)會(huì)使一個(gè)或多個(gè)電路發(fā)生過載，造成不能接收的失真。用分貝表示的強(qiáng)、弱信號(hào)的強(qiáng)度比率叫做接收動(dòng)態(tài)范圍，也可以定義為電路可承受的最大輸入電平與電路可提供合理信號(hào)質(zhì)量時(shí)最小輸入電平的比值，且在不同的應(yīng)用中有不同的定量。而在射頻中，情況就更為復(fù)雜了。 選擇性 除了接收產(chǎn)生的噪聲以外，還伴隨著信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲，以及其它與有用信號(hào)的頻率不相同的干擾信號(hào)。所有這些問題都可以通過將接收的帶寬限制到有用信號(hào) (包括其所有邊帶 )的帶寬范圍而加以解決。 這種將干擾信號(hào)剔除出去的能力，叫做“選擇性”。選擇性的好壞可以使用多種方式表示，可以用接收回路在兩個(gè)不同衰減電平處之間的帶寬來表示選擇性的好壞。信號(hào)在比其最大功率小 3dB或 6dB的兩點(diǎn)之間的帶寬，對(duì)于判定有用信號(hào)的全部邊帶是否能不被衰減的通過接收回路是很有幫助的。 接收頻率穩(wěn)定度 接收頻率穩(wěn)定度是指其本振頻率的穩(wěn)定程度，頻率穩(wěn)定度從嚴(yán)格意義上說應(yīng)包括：頻率準(zhǔn)確度；溫度穩(wěn)定度：長(zhǎng)期工作穩(wěn)定度。這是很重要的指標(biāo)，它直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的接收質(zhì)量。無論是發(fā)射器還是接收器，其頻率穩(wěn)定度的高低取決于提供載波的本振電 路，對(duì)于采用調(diào)頻方式，頻率在177。 15kHz范圍內(nèi) 的 專業(yè)級(jí)無線通信器，頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于 105。 發(fā)射輸出功率 無線數(shù)據(jù)通信的有效距離及通信的可靠性與發(fā)射天線的輻射功率有著密切的關(guān)系，因而發(fā)射回路必須保證輸出足夠大的功率。發(fā)射回路饋送到天線上的功率與所采用的發(fā)射類別和天線型式有關(guān)，發(fā)射類別不同或天線型式不同，傳送到天線上的功率也不同。發(fā)射回路的輸出功率是指發(fā)射機(jī)傳送到天線或天線饋線上的功率。發(fā)射信號(hào)的覆蓋范圍越大，通信距離也越遠(yuǎn)。但發(fā)射功率也不能過大，發(fā)射功率過大，不僅耗電，影響功放元件壽命，而且干擾性強(qiáng)， 還會(huì)產(chǎn)生輻射污染，各國的無線電管理機(jī)構(gòu)對(duì)通信設(shè)備的發(fā)射功率都有明確規(guī)定。 效率 發(fā)射總效率是指發(fā)射回路傳送到天線饋電線上的功率與整體輸入功率的比值。對(duì)于小型移動(dòng)式發(fā)射設(shè)備，提高效率，其經(jīng)濟(jì)意義更為重大。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 發(fā)射工作頻率 發(fā)射回路的工作頻率是指發(fā)射回路的射頻載波頻率。對(duì)發(fā)射回路波段工作的要求，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是要求在波段內(nèi)的任何一個(gè)頻率或指定頻率上都能工作，二是要求在整個(gè)波段內(nèi)所