基于RFID技術(shù)的超高頻讀寫(xiě)器設計

　　引言

　　射頻識別(RFID)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，它利用天線(xiàn)來(lái)傳輸射頻信號，利用空間耦合實(shí)現非接觸供電，并進(jìn)行非接觸雙向數據通信，而達到自動(dòng)識別目標并交換數據的目的。與傳統的條形碼識別方式相比，射頻識別技術(shù)能對移動(dòng)的多個(gè)目標進(jìn)行識別，而且還具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(cháng)、讀取距離大、數據加密等優(yōu)點(diǎn)。因而RHD技術(shù)廣泛應用于交通運輸、物流管理、門(mén)禁系統等眾多領(lǐng)域。相對而言，UHF頻段的發(fā)展遠沒(méi)有低頻和高頻段成熟，而UHF頻段的讀寫(xiě)距離遠和更快的讀取速度讓其在國際物流、公路自動(dòng)收費等領(lǐng)域有著(zhù)獨特的優(yōu)勢，目前已成為RFID技術(shù)應用的一個(gè)主流發(fā)展方向。

　　1讀寫(xiě)器的整體結構

讀寫(xiě)器的整體結構

　　本文提出的基于物流管理的讀寫(xiě)器工作在UHF915MHz頻率下。FPGA是大規?？删幊唐骷械牧硪淮箢?lèi)PLD(programmablelogicdevice)器件，既繼承了ASIC的大規模、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，又克服了普通ASIC設計周期長(cháng)、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)，逐步成為復雜數字硬件電路設計的首選。奧地利微電子公司的AS3990射頻收發(fā)器產(chǎn)品適用于UHF頻段，針對便攜、固定、近距或遠距應用進(jìn)行了個(gè)性?xún)?yōu)化，多種產(chǎn)品可采用同一種軟件接口。它是一款高度集成的UHF讀寫(xiě)器芯片，包括AFE、數據幀、編碼/解碼，支持MCU和電源管理，支持密集讀寫(xiě)模式，天線(xiàn)驅動(dòng)用OOK、ASIC或PR-ASK調制，創(chuàng )新化的雙輸入接收器可以消除通信盲區。該芯片是64引腳QFN封裝，并支持目前業(yè)界最低功耗BOM(BillofMaterial，物料清單)的解決方案，所以是講究功耗成本的應用首選。AS3990繼承了EPCClasslGen2(ISO18000-6C)協(xié)議引擎，其高速的數據處理能力可以完成發(fā)送和接收數據幀的處理，而且在DirectDataMode模式下還可以實(shí)現ISO18000-6A和ISO18000-6B協(xié)議。為了減輕處理器的工作負擔并保證穩定的數據流以及正確的協(xié)議處理，AS3990采用了一個(gè)12字節的FIFO寄存器來(lái)管理數據幀。內置的可編程選項可以使它適合于UHF頻段里的所有應用，還可以直接進(jìn)入其內置控制寄存器對各種讀寫(xiě)器參數進(jìn)行微調。

　　讀寫(xiě)器RF前端采用零中頻接收結構。由頻率合成器產(chǎn)生所需要的RF信號，然后經(jīng)過(guò)功率分配器得到兩路載波信號，分別用于發(fā)送通路和接收通路。發(fā)送通路采用OOK調制，基帶信號通過(guò)開(kāi)關(guān)通斷控制載波是否經(jīng)過(guò)功放，并用天線(xiàn)發(fā)送；接收通路中接收信號先經(jīng)過(guò)功率分配、放大等操作，然后分別送到混頻器和兩路正交的載波信號進(jìn)行混頻，對混頻之后的信號經(jīng)過(guò)濾波、放大等操作恢復出數字基帶信號。該系統之所以采用兩路正交混頻結構，主要是為了避免射頻場(chǎng)中存在接收盲點(diǎn)。如果只采用一路接收信號，當接收信號的相位和本振信號的相位相差90°，混頻后的信號始終為0，即有用信號沒(méi)有解調出來(lái)。但采用正交I和Q兩路接收信號，無(wú)論相位延時(shí)多少，I和Q中總有一路能解調出有用信號。

　　AS3990芯片與控制器之間的接口可以采用串行數據接口，為了采用較高的傳輸速率時(shí)也可以采用并行接口。本設計采用FPGA與AS3990芯片的并行連接通信，AS3990的IO0-I07、IRQ、CLK、VCC，CLSYS接口與FPGA相連接，如圖1所示，其中IRQ為中斷，IO0-I07為數據的雙向并行口。芯片內部有32個(gè)寄存器用來(lái)實(shí)現其傳輸協(xié)議和監測工作狀態(tài)，通過(guò)對內部寄存器的設置，來(lái)控制芯片的傳輸模式、調制方式、傳輸速率等。在常規工作模式下，即支持ISO18000-6C標準，傳輸數據的編碼與解碼，CRC校驗碼的生成和校驗都是在芯片內部完成的，還有自動(dòng)產(chǎn)生幀同步、引導碼，將從MCU傳遞的數據轉換成數據幀格式后再發(fā)送，且發(fā)送和接收都是通過(guò)FIFO寄存器傳輸的。而在直接數據模式下，數據的編解碼和CRC校驗碼的生成與校驗都在芯片外部實(shí)現，而且發(fā)送和接收只能直接地、無(wú)緩沖地從FIFO中輸出碼流，可以用該模式來(lái)實(shí)現ISO18000-6B、6A協(xié)議等。

　　2讀寫(xiě)器數字基帶部分設計

　　數字部分由控制器、存儲器組成，主要完成命令信號的發(fā)送和數字邏輯的控制，并且實(shí)現與PC機的通信和對RF模塊的控制。

　　2．1RF部分初始化

　　部分主要是完成對AS3990芯片內部寄存器的配置。

　　芯片上電復位以后，配置寄存器初始化為其默認值，使芯片可以在EPCClass1Gen2協(xié)議下工作，但為了使芯片的工作性能達到最優(yōu)化或者實(shí)現ISO/IEC18000-6A、6B協(xié)議等，則必須重新配置寄存器的值。主要實(shí)現以下內容的配置：

　　(1)AS3990有兩種工作模式，分別支持和實(shí)現不同的協(xié)議，為常規數據模式(NormalDataMode)和直接數據模式(DirectDataMode)。在常規數據模式中，發(fā)送和接收的數據是通過(guò)內部FIFO寄存器傳輸的，所有數據的處理過(guò)程都是在芯片內部完成的。在直接數據模式中，數據處理是在芯片外部實(shí)現的，由控制部分完成，可以利用該模式來(lái)實(shí)現ISO18000-6A、6B協(xié)議等。

　　(2)選擇系統工作頻率。AS3990芯片規定的UHF讀寫(xiě)器工作頻率是860～960MHz，我們可以根據具體情況和實(shí)際應用來(lái)設定其工作頻率。

　　(3)設定傳輸速率，包括讀寫(xiě)器到標簽的數據速率和標簽到讀寫(xiě)器的數據速率。其中讀寫(xiě)器到標簽的比特率范圍為26．7～128kbps，標簽到讀寫(xiě)器的傳輸速率在40～640kHz之間。