RFID讀寫(xiě)器的電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)及其測(cè)試

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(shí)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(guò)射頻信號(hào)，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(shí)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L(zhǎng)ED顯示、鍵盤(pán)、PC接口以及和FPGA的控制鏈接。FPGA的主要任務(wù)，是對(duì)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(xiě)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

XC2S200E芯片擁有20萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)，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(zhuān)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(jí)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(shí)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(shuō)明實(shí)現(xiàn)過(guò)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(duì)應(yīng)的與門(mén)為打開(kāi)狀態(tài)，即相當(dāng)于短路，對(duì)應(yīng)的異或門(mén)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(duì)應(yīng)的與門(mén)處于截止?fàn)顟B(tài)，相應(yīng)的異或門(mén)相當(dāng)于處于短路狀態(tài)。

工作過(guò)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(jí)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(kāi)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(guò)對(duì)CRC運(yùn)算過(guò)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(mén)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(kāi)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(jiàn)，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(xiě)器調(diào)制所要的載波信號(hào)，讀寫(xiě)器的硬件性能，決定了信號(hào)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(xiě)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(guò)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(hào)的失真，要求輸入信號(hào)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(chǎng)耦合的RFID接收機(jī)，都使用零中頻混頻結(jié)構(gòu)，見(jiàn)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(hào)為30 dBm，則依然有0 dBm左右的波信號(hào)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(hào)功率上限在-5～-10 dBm范圍內(nèi)，即低于讀寫(xiě)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(lái)降低讀寫(xiě)器的接收靈敏度。

另外，混頻器電路結(jié)構(gòu)相對(duì)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(jiàn)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(lái)直接檢波調(diào)整信號(hào)，相比混頻電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)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(hào)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(hào)，只跟讀寫(xiě)器天線和標(biāo)簽之間的距離有關(guān)，所以?xún)陕沸盘?hào)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(hào)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)先初始化，然后判斷在讀寫(xiě)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(guò)新防碰撞算法來(lái)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(xiě)器和標(biāo)簽的通信。RFID讀寫(xiě)器的測(cè)試結(jié)果如下：

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

識(shí)別效率：?jiǎn)螛?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(shí)別距離可達(dá)：30～60m。

5 結(jié)束語(yǔ)

射射頻識(shí)別技術(shù)RFID實(shí)現(xiàn)物與物之間的自動(dòng)識(shí)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(xiě)器中電路設(shè)計(jì)中的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)針對(duì)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(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的RFID讀寫(xiě)器的識(shí)別效果良好。

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