李志善，孫 嘉，張 丹

（中國航天科工集團第二研究院706所，北京100854）

0 引 言

隨著射頻識別 （radio frequency identification，RFID）技術的飛速發(fā)展，超高頻 （ultra high frequency，UHF）頻段的RFID 設備又具有讀寫距離遠、多標簽識別快、適應物體高速運動性能好的特點，推動了UHF頻段的RFID 技術以及相關標準的發(fā)展［1］。繼ISO18000－6C標準推廣以來，我國也推出了自主協(xié)議標準，隨之產(chǎn)生了滿足ISO18000－6C標準的讀寫器不能讀取自主協(xié)議的電子標簽的問題，不但造成了硬件資源的重復使用，也限制了讀寫器的使用范圍，因此，需開發(fā)一款同時滿足多協(xié)議的超高頻RFID 讀寫器。本文采用FPGA＋ARM 的結構實現(xiàn)讀寫器的基帶部分［2］，可以有效解決這個問題。

1 多協(xié)議超高頻RFID讀寫器的總體結構

多協(xié)議超高頻RFID 讀寫器與滿足單一標準的普通讀寫器的主要區(qū)別在基帶實現(xiàn)部分。在基帶實現(xiàn)部分，本設計采用FPGA＋ARM 結構來實現(xiàn)，可以在FPGA 實現(xiàn)ISO18000－6C標準和自主協(xié)議標準物理層編碼，在ARM 中實現(xiàn)兩種標準的協(xié)議層編碼，并通過接口輸入控制命令來設置讀寫器滿足何種協(xié)議［3，4］。

本文設計的多協(xié)議超高頻RFID 讀寫器由天線、射頻部分、基帶部分、接口以及電源等5部分構成，其總體結構如圖1 所示。其中射頻部分包括發(fā)射電路、接收電路、載波泄漏抑制電路［5，6］；基帶部分包括FPGA Xilinx Spartan6 XC6SLX16，ARM STM32F407；接口部分有USB、RS232、Ethernet接口。射頻部分與基帶部分通過AD／DA接口相連。射頻部分將接收到的標簽信息進行解調(diào)，然后經(jīng)過AD 轉換成數(shù)字信號經(jīng)FPGA 進行解碼；FPGA 則將讀寫器命令進行編碼經(jīng)過DA 轉換通過射頻部分發(fā)送出去。FPGA 與ARM 通信通過SPI總線［7］。

2 多協(xié)議超高頻RFID 讀寫器的射頻部分

圖1 多協(xié)議超高頻RFID 讀寫器總體結構

雖然ISO18000－6C標準和自主協(xié)議標準有很大的差別，但射頻前端的基本結構是相同的。射頻前端主要由4部分構成：發(fā)射電路，接收電路，本振和載波抑制電路?？紤]到RFID 系統(tǒng)的發(fā)射部分對增益的要求不是很高，且發(fā)送接收信號的載波頻率相同，為了減少電路的功耗和復雜性，發(fā)射電路與接收電路均采用零中頻的結構［8］，射頻部分的總體結構如圖2所示。

圖2 射頻部分的總體結構

2.1 發(fā)射電路設計

參考Linear公司提供的超高頻讀寫器射頻前端的設計方案，完成整個發(fā)射模塊芯片的選型。主要元器件見表1。

表1 發(fā)射模塊芯片的選型

對于發(fā)射電路來說，最重要的是要保證已調(diào)信號嚴格的線性放大。上混頻器的輸出信號主要受本振的輸入功率和基帶信號大小的影響，正常工作時上混頻器的典型輸出功率為－14dBm 左右，而設定的最大輸出功率為33dBm，兩者相差47dB，該增益需要用兩級放大來完成。這樣，調(diào)制好的信號經(jīng)過第一級放大器后，信號被放大到6dBm 左右，在SAW 濾波器處衰減3dB，功率放大器只需要放大30dB。但功率放大器的1dB壓縮點在30dB左右，為了保證整個系統(tǒng)的線性度，通過一個功分器將信號平均分成兩路通過兩個功率放大器分別放大后再通過功率合成器將兩路信號合成，保證了放大器工作在線性范圍內(nèi)［9］。發(fā)射功率通過MCU 的控制能夠在8dBm～33dBm 間變化，可以滿足讀寫器在不同條件的應用場景。

2.2 接收電路設計

整體接收電路包括天線、LNA 低噪放、帶通濾波器、下變頻混頻器、運算法大器、低通濾波器、ADC。接受電路的設計如圖3所示。

圖3 接收電路的結構

通常超高頻RFID 讀寫器由于收發(fā)電路之間的隔離度有限，導致載波泄露的功率過大，超過了LNA 以及后級電路的承受上限。因此很多設計都舍棄LNA 低噪放改用濾波器作為接收端第一級電路，但這樣會導致接收電路的噪聲相應的增加很多，接收靈敏度惡化。在添加載波泄露抑制單元后，在接收電路第一級便可以使用LNA 低噪放，這樣可以有效的提高接收器的性能。由于ISO18000－6C 標準和自主協(xié)議標準的反向調(diào)制使用的FM0或米勒副載波編碼在直流附近的頻譜分布幾乎為0，因此接收電路采用交流耦合可以有效的提取有用信號。通過計算得該接收電路的靈敏度可以達到－100dBm 以上。

3 多協(xié)議超高頻RFID讀寫器的基帶部分

滿足多協(xié)議標準的讀寫器與普通讀寫器的區(qū)別主要在基帶實現(xiàn)部分，ISO18000－6C 標準和自主協(xié)議標準的主要區(qū)別：前向鏈路的編碼方法、占空比、前導碼、調(diào)制方式、調(diào)制深度；反向鏈路的前導碼、標簽防碰撞算法以及安全加密認證，見表2。

多協(xié)議超高頻RFID 讀寫器數(shù)字基帶電路包括基帶發(fā)射部分、基帶接收部分、基帶控制器［10］，如圖4所示。

發(fā)射通路的數(shù)字基帶電路由成型濾波，Hilbert濾波器，CIC插值濾波器組成［11］。根據(jù)ISO18000－6C 標準和自主協(xié)議標準的規(guī)定可知，讀寫器的前向鏈路通信的數(shù)據(jù)速率不僅僅一種，可以采用可變帶寬濾波等數(shù)字信號處理技術，便可以滿足前向鏈路不同碼率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

接收通路的數(shù)字基帶電路由CIC 抽取濾波器和可變帶寬的帶通濾波器的組成［12］，帶通濾波器可以實現(xiàn)了零中頻接收機中的直流消除并可以對帶外噪聲進行抑制，采用先判判決然后再進行相關，判決后相關節(jié)省資源，因為寄存器只需要1位即可，但是需要的相關器多［13］。并利用并行相關器的方法進行幀頭同步和時鐘恢復，以及解碼等操作。

表2 ISO18000－6C標準和自主協(xié)議標準的區(qū)別

控制器則負責基帶狀態(tài)的跳轉，數(shù)據(jù)的緩存，分頻模塊的控制，通過SPI總線與ARM 進行通信。這部分是實現(xiàn)讀寫器可以實現(xiàn)與兩種協(xié)議標簽通信的關鍵。

3.1 讀寫器發(fā)射通路數(shù)字基帶電路設計

為了滿足協(xié)議中對工作信道外頻譜抑制的要求，發(fā)射信號需要在數(shù)字域通過升余弦滾降濾波器進行成形濾波；為了提高頻譜利用率，讀寫器支持單邊帶調(diào)制，采用Hilbert濾波器產(chǎn)生I，Q 兩路相位相差90°的信號［14，15］。信號經(jīng)過FIR 和Hilbert濾波器要經(jīng)過24M 的D／A 數(shù)模轉換芯片發(fā)射出去的，因為本文信號通過FIR 的過采樣率為信號的30倍，80K 信號數(shù)據(jù)速率經(jīng)過FIR 為2.4 M，160K 的信號數(shù)據(jù)速率則變?yōu)?.8 M，需要經(jīng)過CIC 插值濾波器將信號過采樣率增加到24 M。所以讀寫器的發(fā)射部分要包括FIR 濾波器、Hilbert濾波器、CIC插值濾波器［19］。

由于ISO18000－6C標準和自主協(xié)議標準規(guī)定的前向鏈路的編碼速率不僅僅有一種，在讀寫器滿足多協(xié)議的情況下，又要兼顧滿足多種通信速率。滿足ISO18000－6C 標準讀寫器應采用6.25μs至25μs的Tari值進行通信。Tari值標志著前向鏈路的數(shù)據(jù)碼率，因此讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)的速率的范圍在40Kbps－160Kbps之間；滿足自主協(xié)議標準讀寫器應采用6.25μs或12.5μs的Tc，讀寫器的發(fā)送的數(shù)據(jù)的速率的范圍在80Kbps－160Kbps之間；針對每種數(shù)據(jù)速率設計一組濾波器不現(xiàn)實，對硬件資源浪費嚴重。由于當阻帶截止頻率與通帶截止頻率之比是一個常數(shù)且采樣頻率與通帶截止頻率之比也是常數(shù)時，F(xiàn)IR 低通濾波器的階數(shù)及沖擊響應與濾波器的通帶截止頻率無關，所以相應的發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)字信號處理應該能適應這個范圍的碼率波動［16］。對于不同碼率的數(shù)據(jù)，濾波器的通帶帶寬和阻帶帶寬應該是不一樣的，相應地濾波器的采樣率，階數(shù)和系數(shù)等都會變化。相應的CIC 插值濾波器的插值系數(shù)也隨著進行著相應的變化。在滿足ISO18000－6C 標準和自主協(xié)議標準時，濾波器的采樣率和其它性能參數(shù)設置見表3和表4。

表3 ISO18000－6C發(fā)射通路濾波器可變帶寬設計

表4 自主協(xié)議發(fā)射通路濾波器可變帶寬設計

3.2 讀寫器接收通路數(shù)字基帶電路設計

與讀寫發(fā)射部分相反，經(jīng)過AD 采樣進入數(shù)字信號處理的信號的采樣率過高，射頻信號首先要通過CIC 抽取濾波器降低過采樣率，但在使用CIC 抽取容易產(chǎn)生假頻，一般采用一種高效的級聯(lián)濾波器，即積分器梳狀 （CIC）濾波器用作窄帶低通濾波器，用于抽取前去假頻；又因為讀寫器采用零中頻接收機結構，所以存在固有的直流失調(diào)的問題，本文采用FIR 和IIR 濾波器組成帶通濾波器來濾出直流分量、高頻分量及帶外噪聲；RSSI是接收機測量電路所得到的接收機輸入的平均信號強度指示，用來實現(xiàn)增益自動調(diào)整；判決模塊是解碼正確與否的前提，判決模塊與RSSI配合使用，根據(jù)RSSI的結果，計算各個過采樣的閾值，保證在不同過采樣情況下的判決正確，本文設計采用先判決再相關，這樣可以節(jié)約硬件資源，以為判決之后相關寄存器只需要1位，但是相關器多，缺點是沒有先相關再判決準確；幀同步與時鐘恢復模塊是讀寫器接收部分的關鍵，反向鏈路的通信中，一幀數(shù)據(jù)都是以幀同步碼開始的，ISO18000－6C標準中，幀同步碼在TRext＝0時，F(xiàn)M0前導碼 為1010V1，當TRext＝1 時，12 個前導零加1010V1，自主協(xié)議標準中，與ISO18000－6C 標準類似，當TRext＝0時，F(xiàn)M0前導碼為1110V00V，當TRext＝1時，12個前導零加1110V00V，時鐘同步也是通過前導碼實現(xiàn)的，只有正確的識別前導碼才能保證數(shù)據(jù)不丟失，實現(xiàn)正確的解碼；FM0解碼和幀頭同步一樣，也是采用并行相關的辦法，與前導碼同步相比，F(xiàn)M0解碼的并行相關器的本地序列，由原來的不同速率的前同步碼換成了FM0編碼方式的碼元 “0”和碼元 “1”的碼型［18］。

3.3 讀寫器數(shù)字基帶控制器設計

數(shù)字基帶控制器包括主狀態(tài)機模塊、分頻模塊、協(xié)議選擇模塊、前向鏈路前導碼模塊、后向鏈路的前導碼模塊、TPP編碼模塊、PIE 編碼模塊、SPI接口模塊、FIFO 緩存模塊［19］。負責協(xié)調(diào)數(shù)字基帶的發(fā)送與接收部分，表5是關于部分信號管腳的定義。

表5 讀寫器數(shù)字基帶IO 設置

通過 SPI 接口與 ARM STM32F407 通信，ARM STM32F407負責讀寫器協(xié)議層的實現(xiàn)，控制器則將ARM 的讀寫等命令通過發(fā)送模塊，進行編碼、濾波、調(diào)制，發(fā)送給標簽；基帶接收部分將標簽信息進行解調(diào)、濾波、判決、解碼通過控制器與ARM 交互，通過接口電路傳輸給上位機［20］。

數(shù)字基帶控制器是實現(xiàn)多協(xié)議的關鍵。自主協(xié)議標準與ISO／IEC 18000－6C差異主要在于鏈路層前向數(shù)據(jù)編碼方法和數(shù)據(jù)速率、防沖突算法、安全認證機制，控制器則根據(jù)上位機事先的設置命令，采用不同的前導碼模塊，編碼模塊，以保證讀寫器與兩種協(xié)議的標簽都可以正常通信。

4 多協(xié)議超高頻RFID讀寫器的測試

多協(xié)議超高頻RFID讀寫器測試平臺采用紅色颶風E16S開發(fā)板與射頻板搭建的，如圖5所示。圖片左邊的是紅色颶風E16S 開發(fā)板，開發(fā)板的核心板載有Xilinx Spartan6 XC6SLX16FPGA、STM32F407 ARM；右側綠色板子射頻板，射頻前端采用23dbm，天線增益2db；兩塊板子通過AD／DA線連接，圖中的兩種類型標簽，左側為滿足ISO／IEC 18000－6C標準的標簽，右側是滿足自主協(xié)議標準的標簽。

圖5 多協(xié)議超高頻RFID 讀寫器測試平臺

測試時，首先將讀寫器設置成滿足ISO／IEC 18000－6C標準的模式，對ISO／IEC 18000－6C標準的標簽進行測試，對標簽進行讀、寫等基本功能，基本滿足協(xié)議要求。讀寫器發(fā)送Req＿RN 和Write命令如圖6所示。滿足協(xié)議要求，識別距離1m，當射頻前端與天線增益增加，識別距離最遠可以達到10m 左右。

然后將讀寫器設置成滿足自主協(xié)議標準的模式，對自主協(xié)議標準的標簽進行測試，對標簽進行讀、寫等基本功能，滿足自主協(xié)議標準要求。讀寫器發(fā)送Sort和Read命令如圖7所示。

圖6 滿足ISO／IEC 18000－6C標準的讀寫器的測試

圖7 滿足自主協(xié)議標準的讀寫器的測試

5 結束語

本文設計的多協(xié)議超高頻RFID 讀寫器經(jīng)過一系列測試，主要功能基本滿足要求，實現(xiàn)了同一臺讀寫器既可以讀取滿足ISO／IEC 18000－6C標準的標簽，又可以與滿足自主協(xié)議標準的標簽一起使用，既節(jié)約了硬件成本，又方便讀寫器的應用，解決了實際應用中的現(xiàn)實困難，一種讀寫器只能讀取一種協(xié)議的標簽。在基帶部分，采用可變帶寬濾波器，只需調(diào)整濾波器的通帶和阻帶截止頻率，就可以滿足不同速率信號的濾波，而不需要調(diào)整濾波器的階數(shù)和系數(shù)，節(jié)約了硬件資源。這款讀寫器的射頻部分的載波抑制方面與基帶部分頻譜傳輸規(guī)范、接收靈敏度等都需要進一步完善，特別是幀頭檢測與數(shù)據(jù)解碼銜接部分，容易出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象。隨著讀寫器和標簽的廣泛應用，用FPGA 與ARM 實現(xiàn)集成多種協(xié)議的讀寫器將得到更廣泛的應用。

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