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        RFID讀寫器的電路設計的實現及其測試

        2012-08-29 12:06:50艾爾肯艾則孜
        裝備制造技術 2012年8期
        關鍵詞:檢波讀寫器電路設計

        艾爾肯·艾則孜

        (烏魯木齊職業(yè)大學,新疆 烏魯木齊 830002)

        射頻識別技術RFID(Radio Frequency identification)是一項正處在快速發(fā)展中的技術,其通過射頻信號,進行非接觸式的雙向數據通信,實現物與物之間的自動識別,具有非常廣闊的應用前景。

        1 系統(tǒng)整體硬件圖

        圖1為整個系統(tǒng)的硬件結構框圖。結構中包括W77E58主控芯片,FPGA的編解碼芯片以及其他必需的接口。閱讀器以W77E58為處理核心,其外部接口主要為LED顯示、鍵盤、PC接口以及和FPGA的控制鏈接。FPGA的主要任務,是對數據進行編解碼以及CRC的計算和校驗。FPGA選擇的是Xilinx XC2S300E。

        圖1 讀寫器系統(tǒng)結構圖

        XC2S200E芯片擁有20萬個邏輯門,4 320個邏輯單元、480個LUT、30 kB分布式RAM、216 kB塊狀RAM、12個專用乘法器、4個DCM、97個可用I/O引腳數,采用144個引腳的PQG封裝,性能級別為4。

        通常使用其內部的DCM,系統(tǒng)的工作頻率可以達到340MHz。

        2 CRC電路設計

        2.1 初設計

        在高頻和超高頻射頻識別系統(tǒng)中,循環(huán)冗余校驗(CRC)電路,一般采用線性反饋移位寄存器(LFSR),本文以CRC-5舉例說明實現過程,其生成多項式為

        g(x)=x5+x3+1,

        即控制向量

        g(g 0,g 1,g 2,g 3,g 4),

        其中,

        g 0、g 2和g 4為“1”,其余為“0”。

        結合上面的分析,可以得知當gi 為“1”時,對應的與門為打開狀態(tài),即相當于短路,對應的異或門將進行正常工作,執(zhí)行模2除法;當gi 為“0”時,則其對應的與門處于截止狀態(tài),相應的異或門相當于處于短路狀態(tài)。

        工作過程如下:

        (1)先將移位寄存器置000000H;

        (2)將數據流高位的前5位輸入寄存器,數據流的高5位移進寄存器不會發(fā)生改變,因為寄存器初始值為0;

        (3)數據流繼續(xù)移位寄存器時,第5級移位寄存器移出值若為“0”時,則直接右移一位;若為“1”則進行模2運算后右移一位;

        (4)當數據流全部移入寄存器時,還需要另外移進5個連續(xù)“0”之后,才會得到CRC的結果。

        下面是在Xilinx開發(fā)環(huán)境中實現CRC-5的VHDL代碼。

        初設計的最大的缺點,就是效率低,因為數據流移進寄存器后還需要繼續(xù)輸入5個“0”,增加了5個時鐘延遲。

        2.2 改進后的設計

        通過對CRC運算過程做一些遞歸變換,找到一種消除時鐘間隔的電路設計方法。與線性反饋移位寄存器不同,將改進前電路結構上左邊的異或門移到了右邊,這樣就會減少CRC碼的計算時間。

        改進型的線性反饋移位寄存器CRC電路中,數據流先進行模2除法運算,并且數據流的高5位不必預先送入移位寄存器,和改進前的CRC電路相比,改進后的電路CRC碼的計算提前了5個時鐘周期,解決了數據結束后另外需要等待的5個時鐘周期。

        圖2(b)是改進后線性反饋移位寄存器實現CRC,下面是在Xilinx開發(fā)環(huán)境中實現CRC-5的VHDL代碼。

        3 射頻收發(fā)模塊(RF)電路設計和分析

        射頻模塊的性能直接影響整個RFID系統(tǒng)的性能。由圖2可見,本設計的射頻模塊主要有鎖相環(huán)電路、功率放大電路設計以及雙通道檢波接收電路。

        圖2 RF硬件結構圖

        3.1 鎖相環(huán)電路

        鎖相環(huán)電路的主要作用,是產生讀寫器調制所要的載波信號,讀寫器的硬件性能,決定了信號的可靠性。本文中采用的鎖相環(huán)頻率合成器為ADF4360-1,是一款完全集成式整數N分頻合成器和電壓控制振蕩器,其設計中心頻率2 250 MHz,輸出頻率范圍為2 050~2 450MHz,滿足讀寫器的工作頻點多的要求。

        3.2 功率放大電路

        結合本文要求,這里選擇的功放為PF01411B,可以減少整個電路布板面積。同時功放PF01411B轉換效率高,通過控制自動增益控制引腳可調節(jié)輸出功率的大小。因為功放PF01411B的三階截取點為0 dBm,為了避免輸出信號的失真,要求輸入信號強度應小于0 dBm。

        3.3 雙通道檢波接收電路

        一般遠場耦合的RFID接收機,都使用零中頻混頻結構,見圖3(a)。通常環(huán)形器的隔離度為–25~30 dB,如果發(fā)射電路連續(xù)載波信號為30 dBm,則依然有0 dBm左右的波信號泄露,這樣會提高接收通道的功率。一般的混頻器的輸入信號功率上限在-5~-10 dBm范圍內,即低于讀寫器發(fā)射泄露的載波功率,所以零中混頻結構中需要在混頻器前加一個衰減器,來降低讀寫器的接收靈敏度。

        另外,混頻器電路結構相對俞零中頻檢波電路復雜,成本昂貴。

        圖3 雙通道檢波接收電路

        零中頻檢波電路見圖3(b)。零中頻率檢波電路的優(yōu)點,在于其利用肖特基二極管來直接檢波調整信號,相比混頻電路結構更簡單,成本相應降低。另外肖特基二極管,可以承受的射頻信號的輸入功率很大,同時接收靈敏度由肖特基二極管的檢波靈敏度決定。

        又因為兩路檢波電路是正交信號,只跟讀寫器天線和標簽之間的距離有關,所以兩路信號不可能同時為0,這就保證了主芯片總能收到有效標簽應答信號。

        4 系統(tǒng)測試

        系統(tǒng)先初始化,然后判斷在讀寫器的范圍內是否有標簽。如果有標簽,閱讀器將發(fā)送信息給標簽,將會得到標簽應答,此時如果有標簽沖突,則通過新防碰撞算法來處理,沖突解決之后,繼續(xù)判斷標簽的信息,最后進行讀寫器和標簽的通信。RFID讀寫器的測試結果如下:

        識別速率:一個標簽識別時間為1~5ms,多標簽識別時間取決數量多少;

        識別效率:單標簽接近99%;多標簽效率,取決于標簽數量多少;

        輸出功率最大:32 dBm;

        識別距離可達:30~60m。

        5 結束語

        射射頻識別技術RFID實現物與物之間的自動識別,具有非常廣闊的應用前景。作為一項正處在快速發(fā)展中的技術,其電路設計方面還有許多可以提高的方面。本文研究了目前RFID讀寫器中電路設計中的傳統(tǒng)設計思路,重點針對其循環(huán)冗余校驗(CRC)電路和射頻收發(fā)模塊(RF)電路設計中的不足進行了分析,提出了新的設計思路,并進行了實現,測試結果表明,改進后的RFID讀寫器的識別效果良好。

        [1]陳 香.RFID防碰撞技術的研究[J].金卡工程,2005,(9):34-37.

        [2]李錦濤.射頻識別(RFID)技術及其應用[J].信息技術快報,2004,19(11):1-10.

        [3]王海峰,王敬超,張 春,等.一種超高頻RFID讀寫器設計[J].微計算機信息,2008,3(2):233-235.

        [4]孫楓葉,張科峰,劉冬生.高頻RFID標簽曼徹斯特編碼電路的設計[J].電子技術應用,2006,(10):108-110.

        [5]孫曉云.接口與通信技術原理與應用[M].北京:中國電力出版社,2007.

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