便攜式超高頻RFID的讀寫器是如何實(shí)現(xiàn)的-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯便攜式超高頻RFID的讀寫器是如何實(shí)現(xiàn)的-設(shè)計(jì)應(yīng)用射頻識(shí)別（RadioFrequencyIdentification，RFID）是利用微波進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N非接觸式射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID系統(tǒng)具有使用壽命長(zhǎng)、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸快速、穩(wěn)定、安全、可靠，適應(yīng)性和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)控制、消費(fèi)類電子、醫(yī)療電子、現(xiàn)代物流和校園一卡通等方面。RFID技術(shù)是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。我國(guó)研究RFID技術(shù)起步比較晚，受軟件和硬件等條件限制RFID技術(shù)還未真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，大多數(shù)屬于中、低頻數(shù)據(jù)傳輸，距國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有一段距離。本文重點(diǎn)介紹基于Altera公司Cyclone系列FPGA和ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)超高頻RFID讀寫器的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。1系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)1.1RFID系統(tǒng)原理典型RFID系統(tǒng)由讀寫器（Reader）、射頻標(biāo)簽（RFIDTag）、天線（Antenna）、中間件（MiddleWare）和應(yīng)用程序（ApplicaTIonWare）5部分組成。RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。讀寫器安裝在固定位置，通過USB與PC連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與讀寫，讀寫器對(duì)射頻標(biāo)簽操作實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)更新與存儲(chǔ)。由于系統(tǒng)基于ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，射頻標(biāo)簽要符合該標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ);讀寫器由編解碼電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、射頻前端收發(fā)電路、天線、電源電路等構(gòu)成;天線接收和發(fā)送超高頻微波信號(hào);中間件、中間信息和數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)射頻讀寫器和中間件事件過濾、聚合和計(jì)算，抽象出對(duì)應(yīng)用軟件有邏輯意義的算法;應(yīng)用程序直接面對(duì)用戶人機(jī)交互界面。由應(yīng)用軟件操作讀寫器，讀寫器收發(fā)微波信號(hào)修改用戶射頻標(biāo)簽，應(yīng)用軟件是用戶體驗(yàn)和判斷RFID系統(tǒng)成功的一個(gè)重要因素。

1.2RFID讀寫器原理基于FPGARFID讀寫器可分為3個(gè)模塊：FPGA系統(tǒng)、USB串行總線接口電路、RF信號(hào)收發(fā)電路。FPGA系統(tǒng)包含F(xiàn)PGA現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列、JTAG配置電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、顯示電路、電源電路。RFID讀寫器控制用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144芯片。由于FPGA基于SRAM技術(shù)，配置芯片用Altera公司配套的EPCS1，模式采用JTAG模式，20MHz有源時(shí)鐘晶振，0.3寸共陰數(shù)碼管，外接5V直流電源，經(jīng)兩級(jí)LM1085轉(zhuǎn)換為3.3V和1.5V電壓，為FPGA內(nèi)核和引腳供電。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片選用Catalyst公司CMOS技術(shù)芯片EEPROMCAT24WC02，通過I2C總線與FPGA連接。USB串行總線接口芯片采用南京沁恒公司的USB通用接口芯片。RF信號(hào)收發(fā)模塊選用Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)和0.18μmCMOS工藝的CC1100芯片作為微波信號(hào)收發(fā)前端，通過SPI總線與FPGA連接。在RFID系統(tǒng)中，讀寫器是連接射頻標(biāo)簽和PC機(jī)客戶端的，通過對(duì)讀寫器命令操作，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)修改、存儲(chǔ)等操作。RFID讀寫器與標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸可以分為從讀寫器到標(biāo)簽前向鏈路和標(biāo)簽到讀寫器后向鏈路，前向鏈路與后向鏈路采用半雙工方式通信，數(shù)據(jù)傳輸采用ASK調(diào)制，前向鏈路采用PIE碼，后向鏈路采用Miller碼，系統(tǒng)采用CRC-16校驗(yàn)碼和特殊防沖突算法保證讀寫正確。RFID通信可分為2步：閱讀器首先獲得在輻射范圍內(nèi)標(biāo)簽ID號(hào)，然后對(duì)ID號(hào)符合要求的標(biāo)簽進(jìn)行讀寫相應(yīng)操作。讀寫器與上位機(jī)USB數(shù)據(jù)通信，通過USB設(shè)備枚舉完成HID人機(jī)接口設(shè)備識(shí)別和數(shù)據(jù)讀寫。2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2.1CycloneEP1C3T144FPGA系統(tǒng)FPGA系統(tǒng)包含可編程門陣列、電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、配置電路、濾波電路?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列采用EP1C3T144。它基于1.5V，0.13μm全銅SRAM工藝、TQFP144封裝;104個(gè)I/O口，支持各種I/O標(biāo)準(zhǔn);支持LVDS，數(shù)據(jù)傳輸率為311Mbps;2910LE邏輯單元、288KbRAM、1個(gè)PLL鎖相環(huán)，支持66MHz32位PCI標(biāo)準(zhǔn)，支持外接133MHzDDRSDROM;單獨(dú)有源時(shí)鐘接口，外接20MHz頻率的有源晶振;專用配置電路接口，3.3VLVTTL供電。FPGA基于SRAM技術(shù)，掉電數(shù)據(jù)易失，采用Altera公司配套的EPCS1JTAG模式。系統(tǒng)采用硬件和軟件復(fù)位：硬件復(fù)位接FPGAnconfig引腳，按下此鍵FPGA代碼從EEPROM重新配置;軟件復(fù)位是編寫代碼時(shí)設(shè)置reset引腳，按照代碼運(yùn)行。由于FPGA芯片內(nèi)部EEPROM空間有限，F(xiàn)PGA芯片外掛一個(gè)2KBEEPROM24C02，24C02與400kHzI2C接口兼容。供電電壓為1.8～6.0V，供電電流為3mA，具有頁(yè)寫緩沖器和寫保護(hù)功能，SOP8封裝。它還具有讀寫次數(shù)多、保存時(shí)間長(zhǎng)、功耗低的特點(diǎn)。24C02硬件接口電路如圖2所示。

2.2USB串行總線接口電路CH372簡(jiǎn)易USB通用串行總線接口集成電路，兼容+5V和+3.3V供電，工作電流為30mA，外接12MHz頻率晶振，20引腳SOP封裝;兼容USB2.0數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，支持HID設(shè)備熱插熱拔，內(nèi)置USB底層通信協(xié)議，自動(dòng)完成標(biāo)準(zhǔn)USB事件枚舉;支持?jǐn)?shù)據(jù)控制傳輸、批量傳輸、終端傳輸;默認(rèn)鏈接端點(diǎn)0所有事件，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸與處理，使用方便，CH372硬件接口電路如圖3所示。2.3CC1100RF收發(fā)電路CC1100是一款極低功耗UHF收發(fā)集成電路。其通信效果好、抗干擾性能強(qiáng)、穿透力強(qiáng)、靈敏度高;可自由設(shè)置收發(fā)頻率，可設(shè)置范圍為300～348MHz、400～464MHz、800～928MHz，可編程控制數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)500kbps，4線SPI（SI、SO、SCLK、CSn）接口。CC1100正常工作電壓為3.3V，輸入電壓3.6V，每個(gè)引腳輸入電壓應(yīng)相同。868～915MHz發(fā)送模式輸出功率為+10dBm，電流為30mA，接收功率為+10dBm，硬件自動(dòng)CRC校驗(yàn)，支持ASK調(diào)制解調(diào)，調(diào)整外圍元件可方便調(diào)整收發(fā)頻率。CC1100采用數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)，具有2個(gè)64字節(jié)FIFO，緩沖發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。CC1100可軟件設(shè)置RF發(fā)送功率、收發(fā)模式、調(diào)制格式、信道選擇和帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率、整機(jī)工作模式等。CC1100屬于半雙工通信，接收和發(fā)送在射頻控制模塊RFCONTRON控制下分時(shí)進(jìn)行，解調(diào)由積分器向下積分完成，AGC電路控制回路增益;調(diào)制基于直接頻率合成，載波信號(hào)由晶振與內(nèi)部PLL電路產(chǎn)生，發(fā)送模塊和接收模塊稍有區(qū)別。接收模塊包括：低噪聲放大器LAN、積分器INTEGRATION、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、解調(diào)器DEMODU-LATOR、向前數(shù)據(jù)誤差處理器FEC/INTERLEAVER、包處理PACKETHANDLER、接收數(shù)據(jù)緩沖器RXFIFO、數(shù)字接口電路DIGITALINTERFACETOMCU;發(fā)送端與接收端不同的模塊有：壓控振蕩器VCO、混頻器MIXER、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器TXFIFO，數(shù)據(jù)收發(fā)由不同模塊分時(shí)完成。CC1100具有2種工作狀態(tài)——空閑狀態(tài)和工作狀態(tài)，每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)電流不同?？臻e狀態(tài)可分為等待WAIT狀態(tài)，內(nèi)部電流1.9mA;睡眠SLEEP狀態(tài)，內(nèi)部電流400～900nA;晶振的停振狀態(tài)僅維持寄存器值不變，內(nèi)部電流160nA;工作狀態(tài)可分為接收（RX）和發(fā)送（TX）狀態(tài)，接收狀態(tài)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)弱內(nèi)部電流在14.2～15.4mA范圍變化。發(fā)送狀態(tài)下，發(fā)送信號(hào)功率大小隨工作電流變化。14mA時(shí)發(fā)射功率為-10dBm，29mA時(shí)發(fā)射功率為+20dBm。根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整工作電流，可實(shí)現(xiàn)整機(jī)功耗。由于采用ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)射頻空中接口協(xié)議，系統(tǒng)采用889MHz發(fā)射和接收頻率，改變CC1100第12、13引腳外接電容C1、C2，電感L1、L2的參數(shù)可調(diào)整射頻收發(fā)頻率，發(fā)射天線采用50Ω偶極子天線。12、13引腳LC網(wǎng)絡(luò)器件參數(shù)可由軟件SmartRFstudio仿真得到，參考CC1100DATASHEET，根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)。CC1100數(shù)據(jù)收發(fā)原理圖如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1RF收發(fā)芯片CC1100軟件設(shè)計(jì)CC1100操作包括芯片數(shù)據(jù)讀寫、寄存器與命令濾波器設(shè)置訪問、數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置、FIFO訪問、低功耗策略等。RFID讀寫器中CC1100數(shù)據(jù)傳輸采用同步連續(xù)方式，支持硬件數(shù)據(jù)包處理、FIFO緩沖、數(shù)據(jù)白化、交錯(cuò)和前向處理。CC1100數(shù)據(jù)幀包含前導(dǎo)、同步數(shù)據(jù)、標(biāo)簽地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、讀寫命令、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)碼、結(jié)束位。其中前導(dǎo)數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)通過CC1100寄存器設(shè)置硬件自動(dòng)完成、CRC校驗(yàn)碼硬件自動(dòng)完成，其他數(shù)據(jù)需軟件設(shè)置或配置寄存器。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所列。

CC1100通過4線SPI接口與FPGA連接，對(duì)內(nèi)部不同寄存器和不同命令濾波器操作完成數(shù)據(jù)收發(fā)。當(dāng)SO引腳讀數(shù)據(jù)時(shí)SCLK必須在個(gè)上升沿前被拉低，一個(gè)周期內(nèi)SCLK下降沿完成1位數(shù)據(jù)建立，上升沿?cái)?shù)據(jù)保持;CSn=0片選信號(hào)有效，數(shù)據(jù)正常傳輸;在SCLK控制下SI為同步數(shù)據(jù)輸入，SO為同步數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)通信完成后SCLK保持低電平，等待下次數(shù)據(jù)通信。CSn=1時(shí)CC1100為降低功耗處于睡眠或晶振停振狀態(tài)。CC1100采用電磁波激活WOR低功耗技術(shù)，CPU處于深度睡眠等待接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)到來后，無(wú)須喚醒CPU而直接存儲(chǔ)到RXFIFO。CC1100內(nèi)部可分為配置寄存器地址（0x00～0x2F）和命令濾波器地址（0x30～0x3F）。配置寄存器設(shè)置SPI引腳狀態(tài)、數(shù)據(jù)調(diào)制方式、編碼方式、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)傳輸速率、信道帶寬等;寄存器狀態(tài)字STATE第6位到第4位查詢當(dāng)前工作狀態(tài)，000為空閑狀態(tài)，001為接收狀態(tài)，010為發(fā)送狀態(tài);命令濾波器設(shè)置當(dāng)前工作狀態(tài)，SRX0x34=0xFF時(shí)啟用接收模式，STX0x35=0xFF時(shí)啟用發(fā)送模式。CC1100分別具有一個(gè)64位RXFIFO和TXFIFO，STATE狀態(tài)字監(jiān)測(cè)FIFO是否溢出。讀RXFIFO前必須保證FIFO不為空，寫TXFIFO前必須保證FIFO為空，否則讀寫數(shù)據(jù)將出錯(cuò)。CC1100寄存器與濾波器設(shè)置可以通過軟件SmartRFStudio得到配置。CC1100數(shù)據(jù)傳輸速率通過MDMCFG3.DRATE_M和MDMCFG4.DRATE_E配置寄存器和晶振頻率設(shè)置，先設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸速率和晶振頻率，計(jì)算出MDMCFG3.DRATE_M和MDMCFG4.DRATE_E配置寄存器值。3.2ISO18000-6C空中接口協(xié)議傳輸頻率范圍：860～960MHz。調(diào)制方式：ASK，每個(gè)信道500kHz，可設(shè)置52個(gè)信道，標(biāo)簽采用反向散射調(diào)制。發(fā)射功率：4W。編碼方式：PIE，Miller，F(xiàn)M0。校驗(yàn)方式：CRC-16。數(shù)據(jù)傳輸速率：40～640kbps。4系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論RFID系統(tǒng)測(cè)試包括軟件測(cè)試、硬件測(cè)試、穩(wěn)定性和EMI測(cè)試。軟件測(cè)試包括用戶軟件、中間件、標(biāo)簽軟件、編解碼信號(hào)測(cè)試;硬件測(cè)試包括發(fā)射功率、收發(fā)距離、收發(fā)夾角、標(biāo)簽數(shù)量;EMI和穩(wěn)定性測(cè)試包括復(fù)雜電磁干擾測(cè)試等。用到的儀器有數(shù)字存儲(chǔ)示波器、矢量分析儀、邏輯測(cè)試儀、頻譜分析儀、NRT功率計(jì)測(cè)試儀。它們對(duì)讀寫次數(shù)與數(shù)據(jù)正確率、讀寫