基于射频识别技术的图像采集系统接收端的研究

基于射频识别技术的图像采集系统接收端的研究内容摘要：

18 参考文献 19 致 谢 20 附 录 2 附录 A 接收端硬件原理图 2 附录 B 外文资料 3 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 第 1 章 绪 论 课题研究的背景 随着各个行业快速的发展，对智能化服务的要求也越来越高，然而要做到对每件事的监管是不可能实现的，因此图像技术的发展为我们找到了一种解决问题的新思路 ， 射频识别（ RFID）是当今自动识别数据收集（ AIDC）行业发展最快的板块之一。 在实际应用中，采用射频识别技术极大地改善了工序流程的特性和能力，因此在图像采集系统中能够得到很好的应用。 课题研究的意义 基于射频识别技术的图像采集系统 具有成本低、功耗低、性能稳定等优点， 实现了将现场采集的图像通过射频芯片传送到 PC 机的目标，以便于实时监测所发生的各种情况，因此其应用范围比较广泛， 比如 在 车辆智能化管理、图书管理和无需停车收费 、 货物排序和大型的库存管理等领域有着无限的潜力。 课题研究的主要内容 本文依据电路的基本理论与设计方法，从研究图像压缩、射频通信技术的基本理论出发，提出了无线图像采集系统的框架结构和总体设计方案，然后再完成射频芯片 CC2430 和 USB 芯片 CH372 外围电路及 它们之间的接口设计， 实现从射频芯片接收到的微波信号转换为图像信息的过程。 （ 1）整体方案的设计 方案的选择要符合芯片功能的要求，既要保证图像能够更快更好地传输，又要体现出本方案的特点，本文研究设计的图像采集系统接收端是采用 CC2430 射频芯片和 USB 芯片 CH372，用来实现把接收到的射频信号转换到 PC 机上显示，以便于我们能更好的观察。 （ 2）程序流程图及软件设计 一个程序要想实现其功能，不能没有次序而盲目下手，必须对其有一个全面的了解后画出流程框图，然后逐个模块的实现其功能，最终把模块之间合理的连接起来，构 成完整程序。 本方案的软件设计主要包括 射频通信模块、 USB 接口模块 ， 并石家庄铁道大学四方学院毕业设计 在软件中完成芯片的初始化、射频芯片 CC2430 应用程序的开发 课题研究的工作原理 无线射频 (Radio Frequency)简称 RF，实际上是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波简称。 以每秒变化小于 1000次的交流电称为低频电流，大于 1000次的称为高频电流，射频就是一种高频电流。 无线射频技术是一种现今在产业界应用广泛的技术，它通过对无线收发芯片的设计应用，为短距离无线传输数据提供了较好的解决办法。 由于采用了低发射功率和高接收灵敏度 的设计，可满足无线管制的要求，使用无需许可证，是目前低功率无线数据传输的理想选择。 无线射频技术在无线通信领域具有不可替代的作用，它可主要分为以下三类 [1][2]： 非专用频段，或称为工业、科研、医学 (ISM)频段 ISM频段，是位于调频无线电与蜂窝电话使用的 UHF频段的高端。 由于本频段频谱资源拥挤，可用的带宽较少，所以必须采用扩频技术。 由于优越的抗干扰性和保密性，扩频技术已被广泛应用于军事通信，其概念就是把原始信息的带宽变换成带宽宽得多的类噪声信号，扩频信号辐射的功率是被扩展过 10～ 1000倍原始信息的带宽，这样，功率谱密度也相应降低相同的量，扩频信号对窄带信号 (FDMA， TDMA)用户的干扰也相席地降低相同的量，于是扩频信号对窄带用户的干扰就很小了。 另一方面，扩频信号本身也具有强的抗干扰能力。 从这个意义上说，在窄带用 户 发射功率一定时，由丁扩频处理增益的作用，扩频宽带信号可以与窄带信号共享相同的频带。 也正鉴于此，美国联邦通信委员会 (FCC)在 1985年开放了三个频段，～ 、 902MHz～ 928MHz、 ～。 允许输出功率小于 1W的扩频电台免许 可证使用，这极大地促进了无线 LAN的发展。 ISM频段中涉及的免许可证电台，可以采 用 直接序列扩频 (DS)、跳频 (HF)，也可以是混合扩频 (DS/HF)。 DS技术常用于较高速率的数据通信，跳频系统从本质而言还是窄带传输过程，由于限制了调制带宽，通常速率较低，所以 ISM频段的无线LAN人多采用 DS扩频， FCC对其使用做了较严格的技术规定。 但是，扩频技术并不能从根本上解决可用带宽问题，在无线传输中，数据编码的可用带宽越多，可达到的总的数据率就越高，尽管 FCC开放了多个频段，但其总的可用带宽有限的理论上，处理增益 10dB的 DS系统 (QPSK)可得到的最 大 数据率分别为 (900MHZ)和()。 而目前工作于 ISM频段中的无线最高数据率均小于 2Mbit/s。 此外，在 ISM频段中射频信号具有一定的透射和绕射能力，频率复用度较低，无法与最新的微蜂窝技术结合，阻止了其应用范围的进一步扩大。 专用频段： (— )GHz， (— )GHz 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 18GHz波段的主要优点是它具有一系列 UHF和红外光波的混合频率特性，对于微蜂窝网络应用很有吸引力，可获 得较高的频率复用度，并且信号不必严格限于视距传输。 18GHz波段具有足够高的频率，办公设施、生产设备对无线 LAN的干扰很小，而且由于所需功率小，系统产生的微波能量也不会影响其它电子系统和设备的正常工作。 18GHz波段另一个主要优势在于具有足够的带宽，最近美国联邦通信委员会(FCC)划分的专用频段，可供 10个 10MHz信道使用，由于 FCC的控制，减少了潜在的系统同频干扰。 专用频段一般选用频带利用率高的窄带调制方式如 (TDMA)，所以这一频段的无线多使用时分双工 (TDD)复用技术，使系统在进行高速数据传输的同 时，还有足够的频率间隔保证数据的可靠性和完整性。 毫米波段 (MMW) 工作于毫米波段的无线 LAN可提供更大的信息传输容量，但在技术上还未成熟。 与 IR系统在物理层上有许多相似之处，在毫米波段系统中使用天线分集技术可明显提高抗阻塞和抗多径干扰能力，多径性能改善不大，只能减小阴影、而 IR系统由于波长短，使用天线分集 技术可提高 抗阻塞和时延扩展带来的影响。 此外，在毫米波段中采用静态路径补偿相对简单，并且毫米波段 LAN具有很好的 LPI/AJ特性，特别是在频率高端 (58GHz)左右。 在此频段中，由于大气 中 氧 气 产生分子 谐振，比低频段正常传播 时 损耗高约 18dB/km，这种附加的衰落使信号明显具有显著的作用范围，区域外不易检测和窃听到 LAN信号，也使外来干扰对 LAN不会产生 大 的影响，因此，毫米波段无线 LAN在军事领域中具有极好的发展前景。 基于射频识别技术的图像采集系统就是利用无线射频技术，把图像传感器采集到的图像经射频发射端以无线射频技术发送出去，然后射频接收端把包含有图像的电磁波接收下来并通过 USB芯片把图像送到 PC机上进行显示 第 2 章 系统总体方案设计 功能要求 能够实时观察图像并对图像进行采集 把采集 到的图像保存，射频芯片发射端把图像以电磁波形式发送出去 射频芯片接收端接收包含图像的电磁波 把电磁波转换成图像并传输到 PC 机上进行显示 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 设计思路 本方案包括发射端和接收端两部分，发射端使用 STK6031单片机 作 为微控制器，芯片 OV7620作为图像传感器， ZR36060作为图像压缩芯片，采用微芯公司生产的 CC2430作为射频芯片，在此基础上构建了一个基于射频识别技术的无线图像采集系统发射端，接收端采用射频芯片 CC2430进行接收，然后利用 USB芯片 CH372把图像在 PC机上进行显示。 芯片选择 模块方案 系统发射端部分主要由主控单元、图像采集单元、图像压缩单元、图像传输单元四个部分组成，采用 STK6031处理器作为主控单元的核心芯片，实现对系统数据流向的控制、外围模块的控制及管理。 系统接收端主要由主控单元、射频接收单元、数据上传单元三个部分组成。 采用 CC2430的处理器作为主控单元的核心芯片，实现对系统数据流向的控制、外围模块的控制和管理。 射频芯片选择 由于不同公司不同型号的无线收发芯片种类和数量都比较多，因而无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可 减小开发难度、缩短开发周期、降低成本、更快地将产品推向市场。 选择无线收发芯片时需要考虑以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元器件数量、芯片成本等。 以上要素中有很多是跟接收和发送技术指标密切相关的。 在此先简要介绍接收和发送系统中的几项重要技术指标 [3]： l、接收灵敏度 接收灵敏度用于表示接收微弱信号的能力，它是制约基站上行作用距离的决定性技术指标，是接收部分最重要的指标。 无线收发芯片的接收灵敏度直接影响着系统的传输性能。 接收最高灵敏度就是维持正常工作时，输入端所必须的最小信号功率 (或 电压 )。 灵敏度愈高，则表示接收微弱信号的能力愈强，可以实现的无线传输距离会越大。 接收回路增益高有利于提高灵敏度，因为输出相同功率时所需的输入信号功率小，但由于接收回路内部噪声的影响，当外来信号微弱时，会使信号被噪声所淹没。 实际上，只有当输出信号比达到一定值时才能正常接收。 需注意的是，接收回路在不同种类芯片和不同工作频率上的灵敏度是不同的。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 动态范围 动态范围最早是信号系统的概念，一个信号系统的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的差。 系统的接收回路必须能够工作于相当大的信号强度范围内。 一方面 ，对弱信号的响应通常受到接收回路所产生的噪声的限制。 另一方面，强度过高的信号会使一个或多个电路发生过载，造成不能接收的失真。 用分贝表示的强、弱信号的强度比率叫做接收动态范围，也可以定义为电路可承受的最大输入电平与电路可提供合理信号质量时最小输入电平的比值，且在不同的应用中有不同的定量。 而在射频中，情况就更为复杂了。 选择性 除了接收产生的噪声以外，还伴随着信号进入系统的噪声，以及其它与有用信号的频率不相同的干扰信号。 所有这些问题都可以通过将接收的带宽限制到有用信号 (包括其所有边带 )的带宽范围而加以解决。 这种将干扰信号剔除出去的能力，叫做“选择性”。 选择性的好坏可以使用多种方式表示，可以用接收回路在两个不同衰减电平处之间的带宽来表示选择性的好坏。 信号在比其最大功率小 3dB或 6dB的两点之间的带宽，对于判定有用信号的全部边带是否能不被衰减的通过接收回路是很有帮助的。 接收频率稳定度 接收频率稳定度是指其本振频率的稳定程度，频率稳定度从严格意义上说应包括：频率准确度；温度稳定度：长期工作稳定度。 这是很重要的指标，它直接影响了整个系统的接收质量。 无论是发射器还是接收器，其频率稳定度的高低取决于提供载波的本振电 路，对于采用调频方式，频率在177。 15kHz范围内 的 专业级无线通信器，频率稳定度应优于 105。 发射输出功率 无线数据通信的有效距离及通信的可靠性与发射天线的辐射功率有着密切的关系，因而发射回路必须保证输出足够大的功率。 发射回路馈送到天线上的功率与所采用的发射类别和天线型式有关，发射类别不同或天线型式不同，传送到天线上的功率也不同。 发射回路的输出功率是指发射机传送到天线或天线馈线上的功率。 发射信号的覆盖范围越大，通信距离也越远。 但发射功率也不能过大，发射功率过大，不仅耗电，影响功放元件寿命，而且干扰性强， 还会产生辐射污染，各国的无线电管理机构对通信设备的发射功率都有明确规定。 效率 发射总效率是指发射回路传送到天线馈电线上的功率与整体输入功率的比值。 对于小型移动式发射设备，提高效率，其经济意义更为重大。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 发射工作频率 发射回路的工作频率是指发射回路的射频载波频率。 对发射回路波段工作的要求，表现在两个方面：一是要求在波段内的任何一个频率或指定频率上都能工作，二是要求在整个波段内所。