【文章內(nèi)容簡介】 于 Ts 的矩形脈沖； an 是第 n 個符號的電平取值。若取 ??? ?? P1 0 P 1 概率為概率為a n 則相應的 2ASK 信號就是 OOK 信號。 101 10 1 0 1s ( t )載 波2 A S K 圖 2ASK/OOK 信號的時間波形 2ASK 信號的產(chǎn)生 方案一：模擬調(diào)制法 (相乘器法 )。圖 (a)就是一般的模擬調(diào)制的模型，該方法是用乘法器實現(xiàn)的。二進制數(shù)字信號與載波信號相乘得到已調(diào)信號。當輸入的二進制位為 0 時，相乘得到低 電平；當輸入二進制信號為 1 時，相乘得到載波信號。 方案二：鍵控法。圖 (b)是一種數(shù)字鍵控法，其中的開關電路受 s(t)控制，當輸入為 0 時，開關電路選通低電平地；當輸入為 1 時，開關電路選通載波信號，實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。 第二章 方案論證及理論分析 8 乘 法 器c o s ω c t 開關電路cosωte2ASKs(t) 圖 (a) 模擬調(diào)試法 圖 (b) 鍵控法 圖 2ASK 信號的產(chǎn)生 在本設計中，采用方案一模擬調(diào)制法。這里，可以選擇的模擬開 關有CD4051( 八選一模擬開 關 ) 、 CD4052( 雙通道四選一多路模擬開關 ) 、CD4053(三通道二選一模擬開關 )、 CD4067(十六路模擬開關 )等。在本次設計中，只用到一路通道、二選一，所以選擇 CD4052 模擬開關。 2ASK 信號的解調(diào) 方法一：非相干解調(diào) (包絡檢波法 )。 方法二：相干解調(diào) (同步檢波法 )。 以上兩種解調(diào)方式的基本原理都是用載波信號與數(shù)字基帶信號相作用(不同的調(diào)制方式，計算公式不同 )，在發(fā)送的輸出端得到了已經(jīng)被調(diào)制的高頻信號，而在接受端要恢復出原來的數(shù)字基帶信號，就需要解調(diào)。兩 種解調(diào)方式的根本差別在于，相干解調(diào)必須要恢復出相干載波，利用這個相干載波和已調(diào)制信號作用，得到最初的數(shù)字基帶信號，而這個相干載波是和原來在發(fā)送端調(diào)制該基帶信號的載波信號是同頻率同相位的。而非相干解調(diào)不需要恢復出相干載波，所以比相干解調(diào)方式要簡單，但是相干解調(diào)方式在大多數(shù)情況下，解調(diào)效果要好些。 在本設計中，由于要求識別正確率只有 80%，故選用方案一完全可以滿足設計要求。非相干解調(diào)的作用過程是：接收到的信號傳輸?shù)饺ㄕ髌髡?，整流后正弦波信號正半周部分保持不變，負半周部分變?yōu)檎?，?jīng)低通濾波器濾除高頻信號后 信號變得平滑，最后又抽樣判決器判定接收到的信號。非相干解調(diào)的框圖如圖 所示 。 第二章 方案論證及理論分析 9 全 波 整 流放 大 低 通 濾 波抽 樣 判 決定 時 脈 沖A BC 圖 非相干解調(diào)框圖 圖 中各點波形如圖 所示 。 ABCD 圖 非相干解調(diào)各點波形 單片機的選擇 單片機在本次設計中控制四位二進制信號的存儲、發(fā)送、接收以及顯示等，起著至關重要的作用。 方案一：采用 MCS51 系列單片機。該系列為通用 8 位中央處理器，此單片機運算能力強，軟件編程靈活，自由 度大，能夠實現(xiàn)對外圍電路的智能控制，功能比較強，有 4 個 8 位并行 I/O 口、 2 個 16 位的定時器 /計時器、 5 個中斷源、 2 個中斷優(yōu)先級、具有位尋址功能、片內(nèi)采用單總線結構，價格比較低，目前仍被廣泛應用于各種開發(fā)設計中。 方案 二 ：采用 MSP430 單片機。 MSP430 系列單片機是德州儀器公司 (TI)的一個超低功耗的 16 位的混合信號處理單片機，采用了 精簡指令集 (RISC)結構，具有豐富的尋址方式 (7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址 )、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz 晶體驅動下指令周期為 125ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。但此單片機價格較高，性價比不高。 第二章 方案論證及理論分析 10 方案 三 ：采用 STM32 系列。 STM32 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用 專門設計的 ARM CortexM3 內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列： STM32F103“增強型 ”系列和 STM32F101“基本型 ”系列。增強型系列時鐘頻率達到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為 36MHz，以 16 位產(chǎn)品的價格得到比 16 位產(chǎn)品大幅提升的性能，是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置 32k 到 128k 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率 72MHz 時，從閃存執(zhí)行代碼， STM32 功耗 36mA，是 32 位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于。 STM32 價格較高，結構復雜，在本次設計中不實用。 比較上述 三 個方案，方案一完全可以滿足本次設計的要求，編程簡單，設計靈活，調(diào)試方便，技術成熟，性價比較高，故采用此方案。 設計中 將 采用 STC89C52RC 單片機。 單片機信息輸出接收方式的選擇 方案一：串行通信。串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分為一位一位的形式在一條傳輸線上逐個傳送。因為一次只能傳送一位數(shù)據(jù)，所以對于一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，至少要分 8 位才能傳送完畢。串行通信的必要過程是：發(fā)送時，要把并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)發(fā)送到線路上，接收時，要把串行信號再變成并行數(shù)據(jù)，這樣才 能被計算機及其它設備處理。串行通信傳輸線少，長距離傳輸時成本低，調(diào)制方便。 方案 二 ：并行通信。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時進行傳送，每一位數(shù)據(jù)都需要一條傳輸線， 8 位數(shù)據(jù)總線的通信系統(tǒng)，一次傳送 8 為數(shù)據(jù) (1 個字節(jié) )，將需要 8 條數(shù)據(jù)線。此外，還需要一條信號線和若干控制信號線，這種方式適用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸。并行通信控制簡單、相對傳輸速度快，但由于傳輸線較多，長距離傳送時成本較高且手發(fā)方的各位同時接收存在困難。在本設計中，若采用并行通信，對信號的調(diào)制難以實現(xiàn)。 綜合以上分析，采用方案一串行通信。 在設計中，我們可以設定應答器在發(fā)送數(shù)據(jù)前先發(fā)送四位已知數(shù)據(jù)位作為識別位，然后發(fā)送四位數(shù)據(jù)位，第二章 方案論證及理論分析 11 這樣共需發(fā)送 8 位數(shù)據(jù)供閱讀器識別，發(fā)送完這 8 位數(shù)據(jù)后，單片機輸出信息位置低電平并保持。在閱讀器端，當接收到已知識別位后將緊接著接收到的四位數(shù)據(jù)放入寄存器中，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)顯示電路以供觀察。 載波產(chǎn)生電路的選擇 在本次設計中用到了 2ASK 調(diào)制，所以需要載波產(chǎn)生電路，這里對載波產(chǎn)生電路選擇如下： 方案一：采用鎖相環(huán)頻率合成器。利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在所需頻率上。這種頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性 ，可以很好地選擇所需的頻率信號，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，有利于集成化和小型化。但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間較長，故頻率轉換時間較長。而且，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率和相位都很難控制。除此之外，該方案也很難實現(xiàn)精確步進。 方案二：采用無源晶振。無源晶振是有 2 個引腳的無極性元件，需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來。無源晶振沒有電壓的問題，信號電平是可變的，也就是說是根據(jù)起振電路來決定的，同樣的晶振可以適用于多種電壓，而且價格通常也較低，因此對于一般的應 用如果條件許可建議用晶體。無源晶振相對于有源晶振而言其缺陷是信號質量較差，通常需要精確匹配外圍電路 (用于信號匹配的電容、電感、電阻等 )，更換不同頻率的晶體時周邊配置電路需要做相應的調(diào)整。使用時建議采用精度較高的石英晶體，盡可能不要采用精度低的陶瓷晶體。 方案三：采用有源晶振。有源晶振有 4 只引腳，是一個完整的振蕩器，里面除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件。有源晶振信號質量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單 (主要是做好電源濾波，通常使用一個電容和電感構成的 PI 型濾波網(wǎng)絡，輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可 )，不需要復雜的配置電路。相對于無源晶體，有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，靈活性較差，價格相對較高。對于時序要求敏感的應用，還是有源的晶振好，因為可以選用比較精密的晶振，甚至是高檔的溫度補償晶振。有源晶振相比于無源晶體通常體積較大，但第二章 方案論證及理論分析 12 現(xiàn)在許多有源晶振是表貼的，體積和晶體相當，有的甚至比許多晶體還要小。 由以上分析，在設計中選用振蕩頻率穩(wěn)定、體積較小、受溫度影響小的有源晶體振蕩器作為載波產(chǎn)生電路。在實際使用中， 4MHz 的有源晶振輸出波形接近正弦波，所以在設計中選用 4MHz 作為載波頻率 。 放大電路的選擇 方案一：采用 OCL 互補功率放大電路。 OCL 電路結構簡單，成本較低，但兩個三極管直接連到負載上，如果靜態(tài)工作點失調(diào)或電路內(nèi)元件損壞，將造成一個較大的電流長時間流過負載，可能造成電路損壞，在使用時常常在負載回路接入熔斷絲作為保護措施，性能一般。 方案二：采用復合管的互補對稱式功率放大電路。該電路的放大倍數(shù)更大，但該電路存在一個缺點，兩個大功率的三極管一個是 PNP 型、一個是 NPN 型，他們的類型不同，很難做到兩者的互補對稱。 方案三：采用集成運算放大器。集成功放性能優(yōu)良，放大倍數(shù)可調(diào)，可以實現(xiàn)對小信號的放大，功耗較低，電源利用率高，非線性失真小，溫度穩(wěn)定性好，成本低廉，外部接線大大減少，可靠性高。通過調(diào)節(jié)電阻的阻值可以輕松實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)的改變。 綜合考慮設計要求，本設計中需要的是電壓信號，方案一、方案二是功率放大線路，既放大電壓也放大電流。且由于閱讀器線圈接收到的是十分微弱的信號，放大過程中要求功耗小，波形失真盡量要小，盡量不產(chǎn)生額外的噪聲，以免影響閱讀器識別正確率。綜合以上分析，故選用方案五集成運算放大器。在放大電路中，需要高速放大器，查閱相關資料，選用OP37 高低功耗放大器。 數(shù)碼顯示的選擇 方案一：采用 LED。若采用該方案，只需四個 LED，可以選擇燈亮代表數(shù)據(jù)位為 1，燈滅為 0。該方案占用單片機引腳少，顯示比較直觀，編程十分簡單，功耗低，性價比高。 第二章 方案論證及理論分析 13 方案二：采用數(shù)碼管顯示。若采用該方案，需要四個數(shù)碼管，另外還需要兩個數(shù)據(jù)鎖存器，需采用動態(tài)顯示的方法，單片機接收到的信號可以直接顯示在數(shù)碼管上，但電路較為繁瑣，編程復雜，花費較大。 方案三：采用 LCD1602 液晶顯示。液晶是一種高分子材料。 1602 液晶為 5V電壓驅動，帶背光，可顯示兩行，每行 16 個字符，不能顯示漢字，內(nèi)含 128 個 字符的 ASCII 字符集字庫，只有并行接口，無串行接口。液晶顯示具有體積小、功耗低、顯示操作簡單等優(yōu)點，廣泛應用于各種設計。但是，他有一個致命的弱點，其使用的溫度范圍很窄。 綜合以上分析，方案一完全可以滿足設計需要，并且性價比很高，功耗低，利于實現(xiàn)閱讀器采用單電源供電，在識別狀態(tài)時，電源供給功率 ≤ 2W的設計要求，所以采用方案一。 抽樣判決電路的選擇 方案一：采用電壓比較器。運用該方法的原理是：將濾波后的信號傳輸?shù)诫妷罕容^器，與一個已知電壓進行比較，若信號電壓大于已知電壓，則判決為 1，反之判為 0。采用 該方法的好處是線路連接簡單，調(diào)試屬于硬件范圍，較為方便，比較輸出的電壓可直接向單片機串行口輸出。 方案二：采用 ADC。該方法的原理是：將濾波后的信號經(jīng) ADC 采樣后送入單片機，單片機程序控制該采樣信息與一個確定電壓進行比較，若采樣信號大于確知信號則判為 1，否則判為 0。該方案的需要連接 ADC，線路較為復雜，調(diào)試需要改動軟件，軟件編寫也很復雜，很不方便。 由以上分析，選用方案一。電壓比較器選用 MAXIM 公司的高速低功耗 MAX901 電壓比較器。 閱讀器供電電路穩(wěn)壓器件的選擇 方案一：采用穩(wěn)壓管。輸出電壓比 較穩(wěn)定，但當需要輸出較大的電壓時，穩(wěn)壓管需采用多個串聯(lián)的方法才可以實現(xiàn)，且受溫度影響較大，穩(wěn)壓效果不好，影響整個電路的工作。 方案二：采用集成穩(wěn)壓塊。集成穩(wěn)壓器具有體積小、可靠性高以及溫度特性好等優(yōu)點，而且使用靈活方便、價格低廉，被廣泛應用于一起、儀第二章 方案論證及理論分析 14 表及其他各種電子設備中。特別是三段集成穩(wěn)壓器，芯片只引出三個端子，分別接輸入端、輸出端和公共端，基本上不需要外接元件。芯片內(nèi)繼承了各種保護電路，使用更加安全可靠。 在本設計中，需要產(chǎn)生穩(wěn)定、脈動系數(shù)小的電壓采用保證精密器件的正常工作，所以選用方案二。 整機框圖 綜上所述，本 設計 的 整機框圖如圖 所示 。 四 位 撥 碼 開 關S T C 8 9 C 5 2 C D 4 0 5 2載 波線 圈線 圈低 通 濾 波 放 大M A X 9 0 1 S T C 8 9 C 5 2數(shù) 碼 顯 示應 答 器供 電 電 路閱讀器耦 合 圖 整機框圖 第三章 單元電路設計 15