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        RFID讀寫器的電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)及其測試

        2012-08-29 12:06:50艾爾肯艾則孜
        裝備制造技術(shù) 2012年8期
        關(guān)鍵詞:檢波讀寫器電路設(shè)計(jì)

        艾爾肯·艾則孜

        (烏魯木齊職業(yè)大學(xué),新疆 烏魯木齊 830002)

        射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency identification)是一項(xiàng)正處在快速發(fā)展中的技術(shù),其通過射頻信號,進(jìn)行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)物與物之間的自動(dòng)識別,具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

        1 系統(tǒng)整體硬件圖

        圖1為整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。結(jié)構(gòu)中包括W77E58主控芯片,F(xiàn)PGA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(wù),是對數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼以及CRC的計(jì)算和校驗(yàn)。FPGA選擇的是Xilinx XC2S300E。

        圖1 讀寫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

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

        2 CRC電路設(shè)計(jì)

        2.1 初設(shè)計(jì)

        在高頻和超高頻射頻識別系統(tǒng)中,循環(huán)冗余校驗(yàn)(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(shí)現(xiàn)過程,其生成多項(xiàng)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(jié)合上面的分析,可以得知當(dāng)gi 為“1”時(shí),對應(yīng)的與門為打開狀態(tài),即相當(dāng)于短路,對應(yīng)的異或門將進(jìn)行正常工作,執(zhí)行模2除法;當(dāng)gi 為“0”時(shí),則其對應(yīng)的與門處于截止?fàn)顟B(tài),相應(yīng)的異或門相當(dāng)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(shù)據(jù)流高位的前5位輸入寄存器,數(shù)據(jù)流的高5位移進(jìn)寄存器不會(huì)發(fā)生改變,因?yàn)榧拇嫫鞒跏贾禐?;

        (3)數(shù)據(jù)流繼續(xù)移位寄存器時(shí),第5級移位寄存器移出值若為“0”時(shí),則直接右移一位;若為“1”則進(jìn)行模2運(yùn)算后右移一位;

        (4)當(dāng)數(shù)據(jù)流全部移入寄存器時(shí),還需要另外移進(jìn)5個(gè)連續(xù)“0”之后,才會(huì)得到CRC的結(jié)果。

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

        初設(shè)計(jì)的最大的缺點(diǎn),就是效率低,因?yàn)閿?shù)據(jù)流移進(jìn)寄存器后還需要繼續(xù)輸入5個(gè)“0”,增加了5個(gè)時(shí)鐘延遲。

        2.2 改進(jìn)后的設(shè)計(jì)

        通過對CRC運(yùn)算過程做一些遞歸變換,找到一種消除時(shí)鐘間隔的電路設(shè)計(jì)方法。與線性反饋移位寄存器不同,將改進(jìn)前電路結(jié)構(gòu)上左邊的異或門移到了右邊,這樣就會(huì)減少CRC碼的計(jì)算時(shí)間。

        改進(jìn)型的線性反饋移位寄存器CRC電路中,數(shù)據(jù)流先進(jìn)行模2除法運(yùn)算,并且數(shù)據(jù)流的高5位不必預(yù)先送入移位寄存器,和改進(jìn)前的CRC電路相比,改進(jìn)后的電路CRC碼的計(jì)算提前了5個(gè)時(shí)鐘周期,解決了數(shù)據(jù)結(jié)束后另外需要等待的5個(gè)時(shí)鐘周期。

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

        3 射頻收發(fā)模塊(RF)電路設(shè)計(jì)和分析

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

        圖2 RF硬件結(jié)構(gòu)圖

        3.1 鎖相環(huán)電路

        鎖相環(huán)電路的主要作用,是產(chǎn)生讀寫器調(diào)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(shù)N分頻合成器和電壓控制振蕩器,其設(shè)計(jì)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(diǎn)多的要求。

        3.2 功率放大電路

        結(jié)合本文要求,這里選擇的功放為PF01411B,可以減少整個(gè)電路布板面積。同時(shí)功放PF01411B轉(zhuǎn)換效率高,通過控制自動(dòng)增益控制引腳可調(diào)節(jié)輸出功率的大小。因?yàn)楣Ψ臥F01411B的三階截取點(diǎn)為0 dBm,為了避免輸出信號的失真,要求輸入信號強(qiáng)度應(yīng)小于0 dBm。

        3.3 雙通道檢波接收電路

        一般遠(yuǎn)場耦合的RFID接收機(jī),都使用零中頻混頻結(jié)構(gòu),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(huì)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(nèi),即低于讀寫器發(fā)射泄露的載波功率,所以零中混頻結(jié)構(gòu)中需要在混頻器前加一個(gè)衰減器,來降低讀寫器的接收靈敏度。

        另外,混頻器電路結(jié)構(gòu)相對俞零中頻檢波電路復(fù)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(diǎn),在于其利用肖特基二極管來直接檢波調(diào)整信號,相比混頻電路結(jié)構(gòu)更簡單,成本相應(yīng)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(shí)接收靈敏度由肖特基二極管的檢波靈敏度決定。

        又因?yàn)閮陕窓z波電路是正交信號,只跟讀寫器天線和標(biāo)簽之間的距離有關(guān),所以兩路信號不可能同時(shí)為0,這就保證了主芯片總能收到有效標(biāo)簽應(yīng)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(nèi)是否有標(biāo)簽。如果有標(biāo)簽,閱讀器將發(fā)送信息給標(biāo)簽,將會(huì)得到標(biāo)簽應(yīng)答,此時(shí)如果有標(biāo)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(biāo)簽的信息,最后進(jìn)行讀寫器和標(biāo)簽的通信。RFID讀寫器的測試結(jié)果如下:

        識別速率:一個(gè)標(biāo)簽識別時(shí)間為1~5ms,多標(biāo)簽識別時(shí)間取決數(shù)量多少;

        識別效率:單標(biāo)簽接近99%;多標(biāo)簽效率,取決于標(biāo)簽數(shù)量多少;

        輸出功率最大:32 dBm;

        識別距離可達(dá):30~60m。

        5 結(jié)束語

        射射頻識別技術(shù)RFID實(shí)現(xiàn)物與物之間的自動(dòng)識別,具有非常廣闊的應(yīng)用前景。作為一項(xiàng)正處在快速發(fā)展中的技術(shù),其電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,重點(diǎn)針對其循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)電路和射頻收發(fā)模塊(RF)電路設(shè)計(jì)中的不足進(jìn)行了分析,提出了新的設(shè)計(jì)思路,并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),測試結(jié)果表明,改進(jìn)后的RFID讀寫器的識別效果良好。

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

        [2]李錦濤.射頻識別(RFID)技術(shù)及其應(yīng)用[J].信息技術(shù)快報(bào),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(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,3(2):233-235.

        [4]孫楓葉,張科峰,劉冬生.高頻RFID標(biāo)簽曼徹斯特編碼電路的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2006,(10):108-110.

        [5]孫曉云.接口與通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2007.

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