讀寫器設計-在職工程碩士研究生學位論文中期報告

PAGEPAGE8在職工程碩士研究生學位論文中期報告研究課題便攜式甚高頻RFI讀寫器設計研究生姓名李林海學號2011331100103工程領域集成電路工程校內(nèi)導師姓名郭書軍企業(yè)導師姓名張文東論文工作的起止時間2012-092013-122013年6月19日填寫中期報告由研究生填寫，一式二份（學院，研究生部）課題目前進展情況（已完成的研究工作與研究成果）。自2012年8月份開題以來，通過查閱檢索相關文獻，借鑒同類產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)完成如下工作：1．資料查詢部分查閱資料部分共計約73篇，其中期刊文獻資料50篇，產(chǎn)品介紹10篇，RFID政策法規(guī)合計13篇。期刊文獻是超高頻RFID讀寫器設計相關的一些論文資料，主要以設計方法思路為主，借鑒其對讀寫器整體框架設計的優(yōu)點，為本課題作基礎知識積累。產(chǎn)品介紹主要包括幾類RFID讀寫器的介紹，包括Skytek公司產(chǎn)品M8、M9；ThingMagic公司RF4；遠望谷公司XC2903；北京維深公司RM810、RM820；南京先施公司S18XX系列模塊及手持讀寫器產(chǎn)品等。RFID法規(guī)方面查詢了美國標準、歐洲標準、韓國標準、日本標準、中國標準；三個技術體系：ISO標準體系、EPCglobal標準體系、UbiquitousID標準體系。2．原理圖設計部分本課題原理圖設計采用MCU+RF模塊的思想，MCU采用Silabs公司的增強型單片機C8051F340，該芯片是一種數(shù)模混合性MCU，采用LPFP48小型封裝，具有執(zhí)行速度快、集成接口多、低功耗設計等特點。MCU電路部分主要功能是與應用系統(tǒng)軟件進行通信；執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作命令；控制射頻模塊與標簽的通信過程；基帶信號的編碼和解碼；執(zhí)行防沖突算法；讀讀寫器和標簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密和解密；進行讀寫器和標簽之間的身份認證等等。電路部分包括晶振電路、USB和RS232接口電路、復位電路以及JTAG接口電路。2.1晶振電路經(jīng)電路產(chǎn)生符合RFID系統(tǒng)要求的震蕩頻率、經(jīng)過時鐘電路產(chǎn)生MCU所需要的時鐘信號。采用有源晶體振蕩電路，振蕩頻率20MHz，頻率誤差±10ppm；穩(wěn)定度±9ppm；電路如圖所示。其中震蕩器的相位噪聲可以通過一個外部基準振蕩器TCXO來改進。這個外部振蕩器輸出引腳通過一個10k電阻連接到AS3992的Osco引腳端。圖1晶振電路2.2RS232和USB接口電路采用RS232接口或者USB接口與外部設備進行通信嵌入式系統(tǒng)一般采用TTL/CMOS電平，而PC機的RS232接口一般采用負邏輯方式，因此需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路進行電平轉(zhuǎn)換。采用MAXIM公司MAX232雙通道串口芯片實行UART和PC間的互連。原理圖如下：圖2RS232電路該電路可通過USB接口上電以及和外部設備進行通信。因C8051F340內(nèi)部集成USB管理模塊，因此不需要外圍匹配電路和下拉電阻，原理圖如下圖3USB電路2.3復位電路復位電路通常有三種類型：上電復位、手動復位和軟件復位本電路設計中，復位電路通過兩個去耦電容、一個上拉電阻和一個按鈕實現(xiàn)，同時，系統(tǒng)也可實現(xiàn)軟件復位。電阻R7連接P4.7和RESET引腳，程序只需要把P4.7置零，即可實現(xiàn)軟件復位圖4復位電路2.4JTAG接口電路JTAG是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行仿真和測試。在本系統(tǒng)中，JTAG接口用于FLASH燒錄程序和程序仿真。本系統(tǒng)中，JTAG的TMS和MCU的C2D連接，TCK和單片機的C2CK連接，TDI和TDO懸空，還需要連接電源和地線即可。2.5顯示部分顯示模塊采用1602單色液晶顯示屏，可顯示采集到的數(shù)據(jù)以及各種功能。采用SPI總線方式進行數(shù)據(jù)傳輸交互，減少IO的使用，利用圖形提示變量值的變化情況，調(diào)試程序，輔助完成軟件編寫圖5LCD顯示電路2.6鍵盤部分采用4x4標準小鍵盤操作，實現(xiàn)對標簽的讀取、修改等功能2.7射頻部分射頻部分是實現(xiàn)讀寫器讀寫功能的核心部分，擬采用AMS公司的RFID讀寫器芯片AS3992，該芯片包含了完整的模擬前端電路以及ISO-IEC18000-6C協(xié)議處理器，同時，還繼承了內(nèi)部高性能VCO、密集閱讀器模式（DRM）濾波器、發(fā)射鏈路預失真功能，其接收靈敏度也提高了-78dBm。內(nèi)部可配置VCO覆蓋了從840-960MHz的頻率范圍，可用于世界范圍內(nèi)的超高頻RFID標準，內(nèi)含高度可配置的模擬前端，可工作與DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK調(diào)制模式會話條件的標簽；通過外部接口與外部控制電路進行通信圖6AS3992功能框圖AS3992的發(fā)射和接收鏈路需要外部提供一個穩(wěn)定的時鐘，用于發(fā)射鏈路產(chǎn)生載波、接收鏈路I/Q解調(diào)以及解調(diào)后的信號濾波，要求其精度高于10ppm，本系統(tǒng)采用精度為2.5ppm的溫度補償晶體振蕩器；為減少片內(nèi)電路產(chǎn)生的負載效應而帶來的相位噪聲，AS3992片內(nèi)VCO工作在1.8G左右，再將其二分頻至900MHz頻段，預估載波頻率915MHz，系統(tǒng)相位噪聲1kHz時可達-80dBc/Hz，這樣可使靈敏度提高很多，微弱信號仍可解調(diào)出正確信號。接收鏈路估算如下：假設讀寫器工作在900MHz，根據(jù)Friss公式，當天線與標簽距離在1-3米范圍內(nèi)無線信道損耗LIdBm將在[-31.5，-41.2]，標簽天線所接受到的能量Ptag為PIdBm=PEIRPIdBm+LIdBm+GtagIdBi式中PEIRP為讀寫器天線的等效全向輻射功率，最大36dBm，Gtag為標簽天線的增益設為0dBi。則標簽天線接收到的能量PIdBm∈[4.5，-5.2]，經(jīng)標簽反射回讀寫器前端的能量為：PreaderIdBm=10lgαPtag+LIdBm+Greader其中α為標簽反射能量與入射能量的比值，典型值為0.2。Greader為讀寫器的天線增益，典型值為6dBi，則PreaderIdBm范圍在[-28，-55.1]，為補償讀寫器天線和標簽天線之間的極化誤差，多徑衰落等影響，增加6dB左右路徑損耗裕量，則PreaderIdBm范圍在[-34，-61.1]。AS3992的接收靈敏度最高達-78dBm，由于估算結果對讀寫器的要求，為了適應標簽反向散射的不同信號輕度，可通過調(diào)整其內(nèi)部的接收調(diào)整寄存器（地址為0x0A）中的ir<1,0>位來獲得23dB的動態(tài)范圍。為提高射頻模塊性能，還可以選擇使用外部VCO、PA、Balun、Circulator、Switch等器件，其中VCO可以改善發(fā)射信號的頻譜特性；PA可以提高發(fā)射功率；Balun實現(xiàn)不平衡至平衡轉(zhuǎn)化；Circulator用于收發(fā)信號隔離；Switch用于多天線口轉(zhuǎn)換。3．PCB版圖設計部分在硬件設計完成后最關鍵的部分是PCB版圖的設計，PCB版圖的設計是理論到實際的升華過程。PCB版圖設計主要分為控制部分和射頻部部分。3.1控制部分注意事項：在PCB版圖設計之前需要檢查元件的封裝是否正確，是否符合要求。對于不符合要求的元件要重新繪制，直到滿足要求為止。在本電路設計中，既有模擬電路又有數(shù)字電路，這兩部分電路地線分開，最后在電源處再接到一齊，防止出現(xiàn)共地干擾；對數(shù)字電路部分，時鐘晶體應該盡量靠近MCU時鐘脈沖輸入端，防止引入干擾；要注意各個模塊電路元件盡量集中，在放置元件時應該放置單元電路中的主要元件，然后根據(jù)小單元電路放置外圍元件，以保證對其他電路影響盡量小，引線盡量短的原則。3.2射頻部分設計注意事項：元件布局：盡可能縮短高頻元件之間的引線，設法減少他們的分布參數(shù)和互相的電磁干擾。一般情況盡量使元件平行排列，容易受干擾的元件不能相互挨的太近，輸入和輸出元件盡量遠離?？垢蓴_措施：對于電源線的設計應該盡量加粗其寬度，減少環(huán)路電路。同時使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有利于增強抗噪聲能力。地線、數(shù)字地、模擬地分開。采用多點串聯(lián)接地，地線應該短而粗，以達到可通過三倍印制板允許電流。高頻元件周圍盡量采用珊格狀大面積覆銅。旁路電容和去耦電容的配置：旁路電容的主要功能是產(chǎn)生分流電路，從而消去進入易感區(qū)的干擾能量。去耦電容用來提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關噪聲在PCB版上的傳播并把噪聲進入地面。線片的引腳使用一個大貼片電容和小容值電容進行并聯(lián)，且應該盡可能靠近電壓引腳，達到去耦和濾波的目的。本系統(tǒng)在高頻芯片引腳都接上了10nF和2uF的并聯(lián)去藕電容。本系統(tǒng)讀寫器工作在915MHz超高頻頻段，射頻模塊PCB版圖采用兩層設計，頂層作為電源層，底層作為地網(wǎng)層。圖7頂層PCB圖8底層PCB4．軟件設計部分：射頻識別系統(tǒng)是一種實時系統(tǒng)。在軟件結構上，可以分成兩部分：主程序和中斷程序。主程序的主要任務是不斷進行系統(tǒng)自檢，和等待上位機發(fā)送信息包，若UART收到正確的數(shù)據(jù)包，則發(fā)送中斷標志，處理上位機發(fā)送過來的指令，一般為啟動RFID操作標簽流程。若UART沒有接收到有效的命令，則繼續(xù)循環(huán)等待。本系統(tǒng)RFID讀寫器程序結構如圖9所示。系統(tǒng)應用層運行相關應用程序，在本設計中，集中表現(xiàn)為UART串口通信程序。協(xié)議層初始化讀寫器通信協(xié)議，包括IS0180006B和EPCGen2，確定調(diào)制編碼方式和數(shù)據(jù)格式。AS3992驅(qū)動包括初始化32個芯片寄存器和包括內(nèi)部VCO和PLL、內(nèi)部PA等在內(nèi)的所有工作模塊。硬件底層驅(qū)動包括初始化串口和USB口，以及相關底層硬件。底層軟件主要是PC機通過USB接口、串口等接口與上位機進行數(shù)據(jù)交換，對讀寫器進行讀標簽信息、讀標簽或寄存器數(shù)據(jù)、寫標簽或寄存器數(shù)據(jù)、上鎖／解鎖、滅活標簽等操作。MCU作為閱讀器的控制中樞，一方面要協(xié)調(diào)各個模塊之間的工作，一方面要完成對通信協(xié)議的控制，它的工作流程如圖10所示。在Main．c主程序中，首先初始化MCU系統(tǒng)時鐘、USB、UART，之后對AS3992芯片內(nèi)部寄存器進行初始化，設定編碼調(diào)制方式、工作頻率、發(fā)射功率等參數(shù)。在MCU和射頻芯片都初始化成功后，系統(tǒng)進行自測，通過調(diào)用UartCommands0函數(shù)判斷上位機是否發(fā)來命令。如果沒有，則繼續(xù)自測；如果有發(fā)來命令，則判斷是什么命令并執(zhí)行相關操作。圖9系統(tǒng)程序框圖圖10流程框圖二、課題研究存在的問題與難點。本課題的研究內(nèi)容是便攜式超高頻RFID讀寫器的設計、內(nèi)容涉及數(shù)字電路、模擬電路和射頻電路等內(nèi)容，在本課題的設計中，主要存在以下問題和難點1．數(shù)字電路數(shù)字電路部分主要采用Silabs公司C8051F340作為主控芯片，結合外圍元件實現(xiàn)對射頻模塊的配置、數(shù)據(jù)交換以及對外的通信等功能，因此其主要問題可能存在調(diào)試階段，一方面是PCB電路的焊接可能會存在虛焊、漏焊等問題；另一方面可能是在程序調(diào)試階段會出現(xiàn)功能性能問題。擬采取辦法：PCB版圖焊接組裝問題：采用專業(yè)的技術工人進行組裝焊接，焊接完畢后對PCB進行檢測，盡量減少問題發(fā)生。程序調(diào)試階段問題：首先將問題限定在某一功能區(qū)域，排除硬件問題后，修改程序看是否符合功能要求。2．模擬電路模擬電路問題主要考慮在于便攜式設備的整體功耗。便攜式設備一方面要求設備工作性能良好，一方面要求對能源消耗低；因此需要在能源消耗和維持性能中間尋找一個平衡條件，使得便攜式設備能夠有良好的效率。擬采取辦法：降低工作電壓。當電壓從5V降低到3V時功耗將降低60%。采用智能電源。在系統(tǒng)中增加適當?shù)闹悄茴A測、檢測，并僅在需要時才對系統(tǒng)供電。采用較低的時鐘速率。對輸入信號做出限制對IO進行設置。使其只在工作時消耗功率擴大輸出范圍改用新型工藝器件采用軟硬件聯(lián)合方式3．射頻電路射頻電路部分是讀寫器的核心部分，因為體積小、頻率高等因素造成設計和實際調(diào)試相差較大，針對該問題，擬采取如下解決方法：前期采用ADS進行仿真，對電路單元的特性進行預估，針對核心分離器件采用趨勢法量化其對性能的影響?？紤]阻抗匹配原則，對射頻通路上的走線進行優(yōu)化，根據(jù)仿真軟件進行仿真，調(diào)整PCB線條寬度和覆銅厚度。根據(jù)微帶線理論，對PA、PLL、VCO、BALUN等器件進行仿真優(yōu)化。根據(jù)EMC知識，對高頻率、高電壓等干擾源進行限定和隔離，在電源和地線中采取電源去藕、多點接地等措施，盡量降低EMI的危害4．防碰撞算法：當讀寫器范圍內(nèi)有多個未識別的標簽時，面對讀寫器發(fā)出的查詢指令，每個標簽都會做出相應。標簽的響應信息在讀寫器的接收端會產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，從而使讀寫器無法正確識別任意一個標簽的信息。RFID系統(tǒng)必須采用一定側(cè)策略或算法來避免碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，控制標簽的響應信息逐個通過射頻信道與讀寫器通信。防碰撞算法主要解決如何快速準確地從多個標簽中選出一個與讀寫器進行數(shù)據(jù)通信，并在一定時間內(nèi)完成對所有標簽的識別。擬采取方法：采用時隙ALOHA算法，找出標簽在每一個做出應答的最佳概率，使得讀寫器