井下人员定位系统毕业设计(7)

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4 系统的硬件设计

4.1 读写器收发模块的设计

本系统采用的是内嵌8051 MCU的射频收发芯片CC1010。CC1010是挪威Chipcon公司推出的单片的、多频段、低功耗、超高频的射频芯片。芯片采用Chipcon公司的0.35um CMOS技术制成，内嵌高性能的8051微控制器、32KB的Flash程序存储器2176字节的SRAM，能够工作于315/433/868和915MHz四个ISM

（工业、科学和医学）频段，可通过编程控制其工作于300-1000MHz频率范围之内。芯片低电压（2.7-3.6V）供电并且功率非常低（接收数据时工作电流只有9mA），高灵敏度(-107dBm)，最大发射频率输出为+10dBm，通信速率为76.8kb/s。

CC1010片内继承了微处理器内核、Flash程序存储器、SRAM数据存储器、定时器/计数器、看门狗、SPI接口、A/D转换器、发器等模块。芯片的内部结构框图如图4-1所示。

图4-1 CC1010结构能图

CC1010的微处理器内核基于标准的8位8051内核，支持直接寻址、间接寻址和寄存器寻址等寻址方式，内核寄存器有累加器A、堆栈指针SP、数据指针DPTR和程序状态字PSW等。

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CC1010的超高频调频收发器为低电压和低功耗设计，从图4-1可以看出收发器的电路图。收发器部分含有接收器和发射器部分，接收器部分由低噪声放大器、混频器、中频放大器、调解器、解码器组成。发射器由功率放大器、PLL(VCO、充电泵、分频器)等电路组成。

在接收模式下，CC1010是被配置成超外差式接收机。RF输入信号被低噪声放大器放大，经由混频器编程中频。在中频级，这个被变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波，经过解调器后输出的数字数据送入微控制器处理。在发射模式 下，压控振荡器VCO的输出信号是直接送入功率放大器，输出是由微控制器的数字比特流频移键控。

芯片设计时的目标收发频率为315/433/868/915MHz，收发器的主要操作参数均可通过特殊功能器进行。

通过特殊功能寄存器（SFR）可配置的与收发相关的主要参数有接收发射方式、射频输出的功率、射频输出频率、频移键控的频率、开关机工作方式、数据传输速率和数据格式、外部中频输出等。

CC1010的应用电路如图4-2所示，可见CC1010所需要的外围元器件非常少。C2/L2为输入匹配电容/电感，L2同时也用于防止直流偏置信号的输入。C3、L1和C1用于发射时的信号匹配。通过发射/接收开关电路，收发器得以通过同一个50W的天线进行接收/发射操作。压控振荡器完全整合在芯片内，因此在使用时只需要1个电感L3。

图4-2 CC1O10应用电路图

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CC1010可以使用单鞭天线、螺旋天线或在PCB上的环形天线。单鞭天线的长度为波长的1/4，可通过式L=7125/f计算。其中L表示单鞭天线的长度，f为接收/发射频率。环形天线不在PCB上，使用非常方便:但由于其辐射能力较差，所以接收/发射性能也差些。螺旋天线是单鞭天线和环形天线的一种折衷方案，其尺寸大小和接收/发射能力介于单鞭天线和环形天线。 4.1.1读写器的功能介绍

读写器的接收射频标签发出的数据信息，从而上传到基站，它的初始化步骤主要完成以下任务：系统工作的频率，发送的功率，数据发送模式，数据的宽度，CRC校验等寄存器状态。

系统工作的频率915MHz，。本设计要求其发送的功率小于5 W，所以其功率是非常小的，功耗自然也很低。

数据发送模式：在无线数据传输中，对数据信号帧传输过程中位错进行修正的方法主要有两种:第一，由发端提供错误修正码，然后由收端自己修正错误;第二，在收端发现接收到的错误帧中有位错误时，通知发端重新发送数据帧。前一种方法中的错误修正码需要发端由被传送数据信号帧计算得到，然后添加到数据帧的后面，其长度几乎等于数据位数，导致效率降低50%，在少量无线数据传输中，实际采用不多;一般采用后一种较为有效的重发送方法。在实际系统中，数据重发必将引起数据冲突，因此如何有效的避免数据冲突也是我们在系统设计中必须充分考虑并合理解决的问题。

所谓数据重发，就是指当数据在空间传输时由于各种干扰而造成传输到接收端的数据与发送端的原始数据不一致，且被接收端检验出来要求发送端重新发送数据。对于射频识别系统而言，数据重发多采用错误通知重发机制，即当数据接收端在检测到接收数据错误时向发送端发出重新发数据的重发握手信号，当发送端接收到重发握手信号时，重新发送该数据包。对于射频数据传输系统，人们通常都采用这种方式，因为在实际的系统中，数据传输的误码率一般都比较低，数据出错的概率很小，所以采用错误通知重发机制可以有效提高信道利用率。但是对于井下人员定位系统而言，虽然传输的射频数据量很小，可数据的准确性要求非常高，同时在系统的使用过程中，存在着一对多的问题，即同时多人经过同一井下基站，这时就将不可避免的出现数据冲突现象，若采用错误通知重发机制，就有可能出现漏检现象。例如当两个人同时携带射频卡经过井下射频阅读基站时，由于阅读基站的触发信号采用广播方式发送，因此他们同时收到阅读基站的触发信号，且同时响应阅读基站触发信号，这时就会有几种可能的情况发生:1、两个数据一前一后被井下阅读基站正确收到;2、一个数据被正确收到，而另一个数据因为时序关系而被井下阅读基站收漏了;3、由于数据载波的相互干扰，两个数据均

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被基站收漏。对于后两种情况，采用错误通知重发机制，就会造成人员数据的漏传，严重影响井下人员定位系统的性能。为了有效解决这一问题，我们提出一种新的重发机制—正确确认机制。所谓正确确认机制，就是当数据接收端接收到发端的数据包后，对该数据进行检测，若检测到该数据包没有错误，就向数据的发送端发出数据接收正确的确认信号，当数据发送端在一定时延内没有收到数据接收端的确认信号，就自动重发数据。虽然采用正确确认机制占用了一定的信道，但对于我们这种很小数据量的高稳定度人员定位系统特别实用。

CRC校验方式：CRC循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check)的基本原理是发送器和接收器约定选择同一个由n+l个位组成的二进制位列P作为校验列，发送器在数据帧的K个位信号后添加n个位(n

CRC(16位) = X^16+X^15+X^2+l (4-1)

CRC(CCITT) = X^16+X^12+X^5+1 (4-2)

CRC(32位)=

X^32+X^26+X^23+X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+l

(4-3)

以CRC(16位)多项式为例，其对应校验二进制位列为11000000000000101。注意，这儿列出的标准校验多项式P(X)都含有(X+1)的多项式因子;各多项式的系数均为二进制数，所涉及的四则运算仍遵循对二取模的运算规则。

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CRC循环冗余校验具有比奇偶校验强得多的检错能力。可以证明:它可以检测出所有的单个位错、几乎所有的双个位错、低于P(x)对应二进制校验列位数的所有连续位错、大于或等于P(x)对应二进制校验列位数的绝大多数连续位错。但是，当传输中发生的错误多项式E(x)能被校验多项式P(x)对二取模整除时，它就不可能被P(X)探测出来，例如当E(X)=P(X)时。

综上可知，CRC校验及循环冗余校验码是一种能力很强的检错码，且由于其实现编码和校验码的电路比较简单，故常用于串行数据的无线传输中。虽然CRC校验只能识别传输错误不能校正错误，但它的优点是识别错误可靠性高，只需要少量的冗余数据就可以识别，16位CRC对于RFID系统传输中数据校验非常适用。 4.1.2读写器安装位置

由于井下信号的衰减较大，要合理地设置基站的发射功率与基站间的距离，基站设置要重点考虑员工密集区和信号衰减严重区域(如十字路口处)。具体安装位置如下： 井下人员定位系统的读写器一般安装在副井口、副井通道、副井底、主井口、主井通道、主井底、联络巷、机修房，泵房、配电室、井下压风机房、掘进面、回采区等其它一些人员经常经过的重要区域。

副井口是矿井的重要组成部分，人员下井作业由此而入。除此外，井下所需的木材、电缆、设备等都有副井口进入，因此，副井口安装读写器意义重大，一方面可以明确的知道有多少员工下井作业，实时的对员工考勤，另一方面有效地提高了安全性。副井通道供井下人员行走、维护矿井设施，排查线路故障，运输除煤炭意外的其它东西，所以必须安装读写器，确定副井人员的位置情况。

主井口是煤炭生产的出口，主井通道是煤炭生产的运输巷道，这些地方必须实时的由人员对其维护、监管。一旦出现生产故障或人员事故可以及时的上报和应救员工。安装读写器就能很好的实现。

机修房是井下的维修重地，担负着井下设备的修护的责任，泵房的主要任务是及时、迅速地排除矿井涌水，以确保矿井安全。配电室是将井上低压变电站的二次侧直接或降低后向井下供电的场所。压风机房提供足够数量和压力的压缩空气，为风钻、风镐等风动机械提供压气动力，对煤矿安全生产起着重要作用这些地方都是井下人员经常走动的地方，因此，必须安装读写器，来确认人员位置。

掘进工作面：原煤生产地方，矿井最危险、最重要的部分，也是人员最密集的区域。通常它还包括一些运输巷道，采取等。故此处必须有读写器随时对一线人员的生产状况进行有效的定位、监控。

井下读写器的安装距离一般是每隔80到100米安装一个，其安装数量视井下情况而定，可识别距离为10米（0到10米）可调

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