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            软件硕士毕业论文范文:软件无线电视野之RFID系统硬件平台研究与设计

            来源: www.zsalud.com 作者:lgg 发布时间:2013-10-12 11:43 论文字数:39200字
            论文编号: sb201310111602038755 论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文 论文价格: 150
            本课题对物联网 RFID 系统的技术进行研究,提出了一种将软件无线电技术应用于 UHF RFID 频段的设计思路,设计了一种开放式软件无线电平台的硬件系统方案。具体研究方法是通过对模拟前端和

            第一章 引言


            1.1 射频识别技术概述
            20 世纪 40 年代,RFID 技术最初被用于军事领域,英国空军首先在飞机上使用这一技术来自动分辨敌我飞机。20 世纪 80 年代开始进入商业阶段,应用于一些无法使用条码跟踪技术的特殊工业场合。20 世纪 90 年代以来,RFID 技术在全球获得极大的关注,以其操作快捷方便、高速识别移动物体、多目标识别等特点被广泛应用于生产、物流、交通和医疗等领域。我国对于 RFID 技术的研究也在不断深入开展中,《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》第三章就提到,中国 RFID 技术发展及优先应用领域之一为现代物流和供应链管理,具体应用方向包括仓储管理、物流配送、零售管理、集装箱运输、邮政业务等[1]。射频识别系统由读写器(Reader)、电子标签(Tag)和应用软件系统组成[2],其基本组成如图 1.1 所示。RFID 系统工作时,首先由读写器发射特定的频率的查询信号,用以驱动应答器电路,当电子标签感应到整个信号后,将应答信号反向散射给读写器;读写器对接收到的含有电子标签信息的应答信号后,进行处理,然后将其送至软件系统进行相应操作。RFID 的应用非常广泛,目前典型应用有动物芯片、汽车芯片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理、校园一卡通等。射频识别技术具有如下一些特点:(1)数据的读写功能。只要通过 RFID 读写器,不需要接触即可直接读取射频卡内的数据信息到数据库内,且一次可处理多个标签,也可以将处理的数据状态写入电子标签。(2)电子标签的小型化和多样化。RFID 在读取上并不受尺寸大小与形状之限制,不需要为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外,RFID 电子标签更可向小型化发展,便于嵌入到不同物品内。因此,可以更加灵活地控制物品的生产和控制,特别是在生产线上的应用。(3)耐环境性。RFID 最突出的特点是可以非接触读写(读写距离可以从十厘米至几十米)、可识别高速运动物体,抗恶劣环境,且对水、油和药品等物质具有强力的抗污性。RFID可以在黑暗或脏污的环境之中读取数据。(4)可重复使用。由于 RFID 为电子数据,可以反复读写,因此可以回收标签重复使用,提高利用率,降低电子污染。(5)穿透性。RFID 即便是被纸张、木材和塑料等非金属、非透明材质包覆,也可以进行穿透性通信。但是它不能穿过铁质等金属物体进行通信。(6)数据的记忆容量大。数据容量会随着记忆规格的发展而扩大,未来物品所需携带的数据量会愈来愈大,对卷标所能扩充容量的需求也会增加,对此 RFID 将不会受到限制。(7)系统安全性。将产品数据从中央计算机中转存到标签上将为系统提供安全保障,大大地提高系统的安全性。射频标签中数据的存储可以通过校验或循环冗余校验的方法来得到保证。


            1.2 软件无线电简介
            从 20 世纪 70 年代开始,随着数字处理技术的发展和微电子技术的进步,传统的无线通信系统实现了从模拟到数字的转换,绝大多数部件由性能可靠、功耗较低、体积较小的数字电路组成,它们将模拟信号数字化,运用数字处理技术,完成信息的无线接收和发送,使得数字无线通信系统的性能远远超过模拟无线通信系统。然而,数字无线通信系统也存在着许多不足,如其功能的实现对硬件有着很强的依赖性,特定的无线通信系统只能在特定的无线通信标准中使用,新、老无线通信系统的兼容性较差。因此,一种能够兼容多种无线通信标准,并尽可能满足未来个人通信需求的无线通信体系结构受到越来越多的关注。20 世纪 90 年代初,美国 MITRE 公司首席科学家 Mitola 首次提出了软件无线电(SDR,Software Defined Radio)的概念[3~5],其基本思想是通过加载在通用化、标准化、模块化硬件上的开放体系结构,摆脱面向用途而完全依赖硬件的传统无线电设计思路。具体而言,软件无线电将多种硬件单元和软件模块集成在一个通用的物理平台上,通过动态的软件编程对硬件单元进行重构,实现多频段、多模式之间的切换,从而完成无线通信系统的各种功能。这种体系结构的主要功能由软件来确定和完成,不仅降低了产品的开发成本,缩短了产品的更新周期,而且工作参数具有可编程特性,并由软件提供操作、控制、管理和维护功能[6]。图 1.2 为传统无线电系统和软件无线电系统的比较。


            第二章 软件无线电平台结构


            2.1 常见软件无线电平台的结构
            理想的软件无线电平台是一个通用的、可编程的硬件平台,将无线通信的频段、调制方式、数据速率与格式、控制协议等全部由软件进行重构和控制,要求尽可能地简化射频模拟前端,使得 A/D 尽可能地靠近天线去完成模拟信号的数字化[18]。信号经过射频模块后马上进行 AD 转换,ADC 对射频信号直接进行采样,下变频、解调全部由位于 GPU 部分的软件实现。其结构如图 2.1 所示,由射频前端(RF Front-End)、数模/模数转换器(ADC/DAC)和通用单元(General Purpose Unit)组成。这样尽管避免了模拟器件的不确定性,但是在射频处就进行 AD/DA 转换对 ADC/DAC 提出了相当高的要求,由于目前 AD/DA 器件的带宽和转换速率等指标的限制,实际的软件无线电平台无法实现这种理想情况下的结构。总线式结构以总线的形式连接各个功能模块,并通过总线进行数据交换和命令控制,如图 2.3 所示。这种结构模块化程度高,系统灵活,支持多处理器系统,具有极高的数据传输和 I/O 的传输吞吐能力,有很好的开放性和通用性,功能扩展和系统升级方便。但是由于多个功能模块以时分复用的方式进行信号及命令,总线的竞争和时分特性会成为系统功能扩展的瓶颈,特别是在实时性要求高的通信系统中。


            第三章 硬件平台的模拟前端的设计....17
            .1 解调模块设计与实现....17
            3.2 调制模块设计与实现....21
            3.3 本振信号模块设计与实现........23
            3.4 电源及其他模块设计与实现....28
            3.5 PCB 版图设计 .........29
            第四章 硬件平台的数字前端的设计....33
            4.1 FPGA 模块设计与实现 ......33
            4.2 AD/DA 模块设计与实现 ....37
            4.3 USB 模块设计与实现.........39
            4.4 时钟产生及分配模块设计与实现........42
            4.5 电源模块的设计与实现......43
            4.6 PCB 版图设计 .........47
            第五章 系统调试与分析......51
            5.1 硬件调试......51
            5.2 软件环境搭建....52
            5.3 系统联调......61


            结论


            随着物联网和 RFID 技术受到越来越多的关注,适用于 UHF RFID 系统的低成本、高实时性的开放式硬件平台也显得更为重要。因此本课题基于软件无线电的基本原理,提出了一种基于软件无线电的 RFID 系统的硬件平台的设计方案。通过对多种软件无线电平台硬件结构的分析比较,采用了基于前端和后端思想的流水式硬件结构,并对硬件平台的模拟前端和数字前端重点进行了仿真分析和研究设计,设计了模拟前端和数字前端的电路原理图并完成硬件平台实物的制作。最后结合 X86 多核处理器进行了系统调试与分析。调试结果显示本课题设计的基于软件无线电的 RFID 系统的硬件平台工作良好,具有实时性好、成本低的特点。本硬件平台已经申请并获得中华人民共和国专利,专利号:201120326476.6 和 201120326488.9。
            由于时间和个人精力的限制,本课题完成了用于 UHF RFID 系统的开放式硬件平台的研究设计,虽然硬件平台工作良好并能够在两套设备中进行 915MHz 信号的无线发射与接收,但是还没有完全实现对 RFID 标签的读写。因此在后面的时间里将与本课题组的其他同学一起,对 RFID 的协议标准进行研读,将前端通过 USB2.0 总线传输至 PC 后端的基带信号进行处理分析,并重点完成 PC 后端的软件编写,使整个系统能够完成对多种 RFID 标准的读写,真正实现软件无线电开放性的优点。


            参考文献
            [1] 中华人民共和国科技部等十五部委《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》2006.06: pp17.
            [2] 游战清.无线射频识别(RFID)与条码技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2003.
            [3] MITOLA J. The softwareradio http://zsalud.com/rjssbylw/ architecture [J]. IEEE Communications Magazine. 1995 33(5) pp. 26-38.
            [4] MITOLA J. Software radio: survey, critical evaluation and future directions [C]. NationalTelesystems Conference. IEEE Press, 1992, 8: pp. 25-36.
            [5] MITOLA J 著. 赵荣黎,译. 软件无线电体系结构:应用于无线系统工程的面向对象的方法[M].北京:机械工业出版社, 2003
            [6] 粟欣, 许希斌. 软件无线电原理与技术[M]. 北京:人民邮电出版社, 2010.
            [7] 杨小牛, 楼义才, 徐建良. 软件无线电原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2001.
            [8] 杨小牛, 楼义才, 徐建良. 软件无线电技术与应用[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2010.
            [9] LACKEY R. Speakeasy: the military software radio[J]. IEEE Communications Magazine, 199533: pp.56-61.
            [10]张灿, 刘俊平. JTRS 联合计划执行官访谈录[J]. 外军电信动态, 2007, 1: pp. 2-6.


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