軟件碩士畢業論文范文:軟件無線電視野之RFID系統硬件平臺研究與設計

來源: www.bnzqvc.live 作者:lgg 發布時間:2013-10-12 11:43 論文字數:39200字
論文編號: sb201310111602038755 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本課題對物聯網 RFID 系統的技術進行研究,提出了一種將軟件無線電技術應用于 UHF RFID 頻段的設計思路,設計了一種開放式軟件無線電平臺的硬件系統方案。具體研究方法是通過對模擬前端和

第一章 引言


1.1 射頻識別技術概述
20 世紀 40 年代,RFID 技術最初被用于軍事領域,英國空軍首先在飛機上使用這一技術來自動分辨敵我飛機。20 世紀 80 年代開始進入商業階段,應用于一些無法使用條碼跟蹤技術的特殊工業場合。20 世紀 90 年代以來,RFID 技術在全球獲得極大的關注,以其操作快捷方便、高速識別移動物體、多目標識別等特點被廣泛應用于生產、物流、交通和醫療等領域。我國對于 RFID 技術的研究也在不斷深入開展中,《中國射頻識別(RFID)技術政策白皮書》第三章就提到,中國 RFID 技術發展及優先應用領域之一為現代物流和供應鏈管理,具體應用方向包括倉儲管理、物流配送、零售管理、集裝箱運輸、郵政業務等[1]。射頻識別系統由讀寫器(Reader)、電子標簽(Tag)和應用軟件系統組成[2],其基本組成如圖 1.1 所示。RFID 系統工作時,首先由讀寫器發射特定的頻率的查詢信號,用以驅動應答器電路,當電子標簽感應到整個信號后,將應答信號反向散射給讀寫器;讀寫器對接收到的含有電子標簽信息的應答信號后,進行處理,然后將其送至軟件系統進行相應操作。RFID 的應用非常廣泛,目前典型應用有動物芯片、汽車芯片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產線自動化、物料管理、校園一卡通等。射頻識別技術具有如下一些特點:(1)數據的讀寫功能。只要通過 RFID 讀寫器,不需要接觸即可直接讀取射頻卡內的數據信息到數據庫內,且一次可處理多個標簽,也可以將處理的數據狀態寫入電子標簽。(2)電子標簽的小型化和多樣化。RFID 在讀取上并不受尺寸大小與形狀之限制,不需要為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質。此外,RFID 電子標簽更可向小型化發展,便于嵌入到不同物品內。因此,可以更加靈活地控制物品的生產和控制,特別是在生產線上的應用。(3)耐環境性。RFID 最突出的特點是可以非接觸讀寫(讀寫距離可以從十厘米至幾十米)、可識別高速運動物體,抗惡劣環境,且對水、油和藥品等物質具有強力的抗污性。RFID可以在黑暗或臟污的環境之中讀取數據。(4)可重復使用。由于 RFID 為電子數據,可以反復讀寫,因此可以回收標簽重復使用,提高利用率,降低電子污染。(5)穿透性。RFID 即便是被紙張、木材和塑料等非金屬、非透明材質包覆,也可以進行穿透性通信。但是它不能穿過鐵質等金屬物體進行通信。(6)數據的記憶容量大。數據容量會隨著記憶規格的發展而擴大,未來物品所需攜帶的數據量會愈來愈大,對卷標所能擴充容量的需求也會增加,對此 RFID 將不會受到限制。(7)系統安全性。將產品數據從中央計算機中轉存到標簽上將為系統提供安全保障,大大地提高系統的安全性。射頻標簽中數據的存儲可以通過校驗或循環冗余校驗的方法來得到保證。


1.2 軟件無線電簡介
從 20 世紀 70 年代開始,隨著數字處理技術的發展和微電子技術的進步,傳統的無線通信系統實現了從模擬到數字的轉換,絕大多數部件由性能可靠、功耗較低、體積較小的數字電路組成,它們將模擬信號數字化,運用數字處理技術,完成信息的無線接收和發送,使得數字無線通信系統的性能遠遠超過模擬無線通信系統。然而,數字無線通信系統也存在著許多不足,如其功能的實現對硬件有著很強的依賴性,特定的無線通信系統只能在特定的無線通信標準中使用,新、老無線通信系統的兼容性較差。因此,一種能夠兼容多種無線通信標準,并盡可能滿足未來個人通信需求的無線通信體系結構受到越來越多的關注。20 世紀 90 年代初,美國 MITRE 公司首席科學家 Mitola 首次提出了軟件無線電(SDR,Software Defined Radio)的概念[3~5],其基本思想是通過加載在通用化、標準化、模塊化硬件上的開放體系結構,擺脫面向用途而完全依賴硬件的傳統無線電設計思路。具體而言,軟件無線電將多種硬件單元和軟件模塊集成在一個通用的物理平臺上,通過動態的軟件編程對硬件單元進行重構,實現多頻段、多模式之間的切換,從而完成無線通信系統的各種功能。這種體系結構的主要功能由軟件來確定和完成,不僅降低了產品的開發成本,縮短了產品的更新周期,而且工作參數具有可編程特性,并由軟件提供操作、控制、管理和維護功能[6]。圖 1.2 為傳統無線電系統和軟件無線電系統的比較。


第二章 軟件無線電平臺結構


2.1 常見軟件無線電平臺的結構
理想的軟件無線電平臺是一個通用的、可編程的硬件平臺,將無線通信的頻段、調制方式、數據速率與格式、控制協議等全部由軟件進行重構和控制,要求盡可能地簡化射頻模擬前端,使得 A/D 盡可能地靠近天線去完成模擬信號的數字化[18]。信號經過射頻模塊后馬上進行 AD 轉換,ADC 對射頻信號直接進行采樣,下變頻、解調全部由位于 GPU 部分的軟件實現。其結構如圖 2.1 所示,由射頻前端(RF Front-End)、數模/模數轉換器(ADC/DAC)和通用單元(General Purpose Unit)組成。這樣盡管避免了模擬器件的不確定性,但是在射頻處就進行 AD/DA 轉換對 ADC/DAC 提出了相當高的要求,由于目前 AD/DA 器件的帶寬和轉換速率等指標的限制,實際的軟件無線電平臺無法實現這種理想情況下的結構。總線式結構以總線的形式連接各個功能模塊,并通過總線進行數據交換和命令控制,如圖 2.3 所示。這種結構模塊化程度高,系統靈活,支持多處理器系統,具有極高的數據傳輸和 I/O 的傳輸吞吐能力,有很好的開放性和通用性,功能擴展和系統升級方便。但是由于多個功能模塊以時分復用的方式進行信號及命令,總線的競爭和時分特性會成為系統功能擴展的瓶頸,特別是在實時性要求高的通信系統中。


第三章 硬件平臺的模擬前端的設計....17
.1 解調模塊設計與實現....17
3.2 調制模塊設計與實現....21
3.3 本振信號模塊設計與實現........23
3.4 電源及其他模塊設計與實現....28
3.5 PCB 版圖設計 .........29
第四章 硬件平臺的數字前端的設計....33
4.1 FPGA 模塊設計與實現 ......33
4.2 AD/DA 模塊設計與實現 ....37
4.3 USB 模塊設計與實現.........39
4.4 時鐘產生及分配模塊設計與實現........42
4.5 電源模塊的設計與實現......43
4.6 PCB 版圖設計 .........47
第五章 系統調試與分析......51
5.1 硬件調試......51
5.2 軟件環境搭建....52
5.3 系統聯調......61


結論


隨著物聯網和 RFID 技術受到越來越多的關注,適用于 UHF RFID 系統的低成本、高實時性的開放式硬件平臺也顯得更為重要。因此本課題基于軟件無線電的基本原理,提出了一種基于軟件無線電的 RFID 系統的硬件平臺的設計方案。通過對多種軟件無線電平臺硬件結構的分析比較,采用了基于前端和后端思想的流水式硬件結構,并對硬件平臺的模擬前端和數字前端重點進行了仿真分析和研究設計,設計了模擬前端和數字前端的電路原理圖并完成硬件平臺實物的制作。最后結合 X86 多核處理器進行了系統調試與分析。調試結果顯示本課題設計的基于軟件無線電的 RFID 系統的硬件平臺工作良好,具有實時性好、成本低的特點。本硬件平臺已經申請并獲得中華人民共和國專利,專利號:201120326476.6 和 201120326488.9。
由于時間和個人精力的限制,本課題完成了用于 UHF RFID 系統的開放式硬件平臺的研究設計,雖然硬件平臺工作良好并能夠在兩套設備中進行 915MHz 信號的無線發射與接收,但是還沒有完全實現對 RFID 標簽的讀寫。因此在后面的時間里將與本課題組的其他同學一起,對 RFID 的協議標準進行研讀,將前端通過 USB2.0 總線傳輸至 PC 后端的基帶信號進行處理分析,并重點完成 PC 后端的軟件編寫,使整個系統能夠完成對多種 RFID 標準的讀寫,真正實現軟件無線電開放性的優點。


參考文獻
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