一種UHF頻段RFID讀寫器硬件設(shè)計(jì)

肖菊蘭 陳延斌

引言：本設(shè)計(jì)者RFID讀寫器使用FPGA芯片做基帶處理，中心頻率為915MHz，基于ISO/IEC 18000-6C協(xié)議。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID系統(tǒng)組成，并提出了讀寫器設(shè)計(jì)方案，基于模塊化闡述了設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括讀寫器電源設(shè)計(jì)、載波生成設(shè)計(jì)、調(diào)制方式選擇、解調(diào)電路設(shè)計(jì)等。

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)，即Internet of Things（縮寫IOT），能夠讓被獨(dú)立尋址的普通物理對象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，是基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等信息承載體，被譽(yù)為第三次信息技術(shù)革命和全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的動力，很大程度上影響著我國乃至世界經(jīng)濟(jì)及科技發(fā)展。RFID(Radio Frequency Identification)，是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一，基于電磁理論，主要利用無線電波自動識別物體，由上位機(jī)、讀寫器、天線和電子標(biāo)簽組成，如圖1。

圖1RFID系統(tǒng)構(gòu)成

讀寫器設(shè)計(jì)技術(shù)是RFID技術(shù)中的一個關(guān)鍵部分，本文針對基于FPGA的ISO/IEC18000-6C RFID讀寫器硬件設(shè)計(jì)的研究，提出了讀寫器的硬件設(shè)計(jì)方案，以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。

二、讀寫器整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)將讀寫器按功能劃分為三個部分，分別為電源、數(shù)字基帶和射頻收發(fā)部分，如下圖2。

圖2設(shè)計(jì)整體框圖

UHF讀寫器中心頻率為915MHz，適用于ISO/IEC 18000-6C協(xié)議，數(shù)字基帶部分采用采用Altera公司的FPGA芯片EP1C12Q240C8N芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的首發(fā)和處理。

三、讀寫器硬件設(shè)計(jì)

（一）電源部分

讀寫器需用三種電壓源，電壓值分別是1.5V、3.3V和5V，都由9V外接電源轉(zhuǎn)換而來。AMS1084系列電壓轉(zhuǎn)換芯片具有固定和可調(diào)兩種LDO穩(wěn)壓器，能夠進(jìn)行過流、過溫和短路保護(hù)?？紤]讀寫器所需三種電壓、LDO的熱功耗和其穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用如圖3所示電源方案。

圖3電源框圖

（二）讀寫器發(fā)射機(jī)

射頻發(fā)送鏈路采用OOK調(diào)制，主要任務(wù)有：

（1）產(chǎn)生發(fā)射能量，激活電子標(biāo)簽并為之提供能量；

（2）數(shù)據(jù)調(diào)制，傳輸給超高頻電子標(biāo)簽[1]。

讀寫器發(fā)射機(jī)需完成調(diào)制并將已調(diào)制信號傳輸?shù)教炀€的功能，故將發(fā)射機(jī)分為三個部分，即負(fù)責(zé)載波生成的載波生成器、完成OOK調(diào)制的調(diào)制電路及功率放大器。

1、載波生成器

設(shè)計(jì)中載波生成芯片使用Silicon Laboratories 公司的Si4133，此芯片具有：

（1）內(nèi)部集成VCO、PD、LP；

（2）具有RF1和RF2兩個通道，分別用于947MHz~1.72GHz和789MHz~1.429GHz；

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)跳頻；

（4）需要極少的外圍器件；

（5）可工作在3.3V；

（6）低相位噪聲；

（7）配置快速，典型值為140us。

具體載波生成電路如下圖4。

圖4載波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)圖

采用13MHz有源晶振，SENB、SCLK、SDATA三個引腳用于FPGA配置Si4133。Si4133芯片中，配置寄存器數(shù)據(jù)有22比特，由18比特數(shù)據(jù)位和4比特地址位成構(gòu)成。SDATA上數(shù)據(jù)和地址信息在SENB為低電平時且SCLK上升沿到來時被記錄入Si4133的內(nèi)部移位寄存器中，然后內(nèi)部移位寄存器數(shù)據(jù)在SENB為高電平時被記錄到地址所對應(yīng)內(nèi)部寄存器中。配置載波芯片時三個引腳間時序關(guān)系如下圖5所示。

圖5SCLK、SDATA和SENB之間的時序關(guān)系

Tsu為SDATA上數(shù)據(jù)建立時間，thold為SDATA上數(shù)據(jù)的建立和保持時間；ten1為SENB的下降沿到下一SCLK的上升沿的時間，ten2為SENB的上升沿到上一個SCLK的上升沿時間，ten3為SENB的上升沿到下一個SCLK的上升沿的時間。在參考頻率確定情況下，Si4133輸出頻率由可編程N(yùn)除法器來決定，關(guān)系為：

(2-1)

2、調(diào)制電路設(shè)計(jì)

ASK調(diào)制（Amplitude Shift Keying），全名幅移鍵控調(diào)制，是一種使用數(shù)字基帶信號去控制載波幅度的調(diào)制方式，如圖6。

圖6ASK調(diào)制原理

圖6所示，基帶脈沖 通過ASK調(diào)制變成調(diào)制后變成調(diào)制后信號 ，即：

(2-2)

如果基帶脈沖是矩形脈沖，那么則在一個碼元周期內(nèi)其ASK信號可以表示為：

(2-3)

OOK（On-Off Keying），全稱開關(guān)鍵控調(diào)制，是一種深度的ASK調(diào)制，基帶數(shù)據(jù)為“1”則發(fā)送載波，基帶數(shù)據(jù)為“0”則無載波發(fā)送，是100%調(diào)制深度的ASK調(diào)制。

在ISO/IEC18000-6C協(xié)議中，讀寫器到標(biāo)簽同學(xué)的數(shù)據(jù)調(diào)制方式為80%~100%調(diào)制深度的ASK，本文中采用OOK調(diào)制。

（三）讀寫器接收機(jī)

接收機(jī)可分為四個部分，分別檢波電路、低通濾波器、差分放大電路和比較電路。

設(shè)計(jì)采用包絡(luò)檢波電路，且考慮收發(fā)共用一路射頻通路。防止盲信號，使用I、Q兩路解調(diào)方式，然后通過比較器進(jìn)行信號解調(diào)。

1、檢波及低通濾波電路設(shè)計(jì)

ISO/IEC18000-6C協(xié)議中標(biāo)簽返回數(shù)據(jù)采用ASK或PSK調(diào)制，而現(xiàn)今市場采用ASK調(diào)制的標(biāo)簽較多，所以本設(shè)計(jì)讀寫器主要針對的標(biāo)簽是以ASK調(diào)制方式返回數(shù)據(jù)的。標(biāo)簽返回時采用ASK調(diào)制，設(shè)計(jì)檢波電路為二極管包絡(luò)檢波[2]，如圖7。

圖7檢波及濾波原理圖

前向鏈路與后向鏈路共用一路射頻通路，故而接收到的信號可能是在載波信號與標(biāo)簽返回數(shù)據(jù)的疊加信號，造成接收到盲信號問題，需采用相位相差 的I、Q兩路信號進(jìn)行解調(diào)，從而接收避免盲信號問題[3]。圖7中的電路，可以檢出標(biāo)簽返回信號低頻包絡(luò)波。又由于存在極少高頻干擾，所以選擇用LC低通濾波器濾來濾去高頻信號。

2、差分放大電路和比較電路

標(biāo)簽返回非常微弱信號時，必須先經(jīng)過二極管檢波電路，然后進(jìn)行放大，最后才能送入比較器。差動放大電路，有放大差模信號、抑制零點(diǎn)漂移和抑制零點(diǎn)漂移共模的作用，特別適于集成電路中[4]。故而，設(shè)計(jì)中采用差動放大對包絡(luò)檢波后信號進(jìn)行放大。

接收部分，首先對標(biāo)簽信號進(jìn)行檢波，然后放大，再對I、Q兩路比較后才能夠恢復(fù)標(biāo)簽基帶信號，設(shè)計(jì)中比較器芯片為MAX942。MAX942芯片是一種單電源供電芯片，供電電壓可為3V或5V。

按照本文所述的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過仿真和實(shí)物調(diào)試可實(shí)現(xiàn)中心頻率為915MHz基于FPGA的ISO/IEC 18000-6C協(xié)議的RFID讀寫器硬件設(shè)計(jì)，讀寫距離為0~10米，發(fā)射功率為20dBm~30dBm。該讀寫器設(shè)計(jì)簡單、合理，成本低廉，采用FPGA芯片利于基帶處理。

參考文獻(xiàn)

[1]游戰(zhàn)清,劉克勝,張義強(qiáng)等.無線射頻識別技術(shù)(RFID)規(guī)劃與實(shí)現(xiàn).北京:電子工業(yè)出版社,2005:1-2.

[2]陳蕾,尚宇,張艷玲等.一種新型的零中頻UHF RFID接收機(jī).現(xiàn)代電子技術(shù).2008,14:12-14.

[3]賴曉錚.UHF頻段射頻識別系統(tǒng)與天線研究:[博士學(xué)位論文].廣州:華南理工大學(xué),2006.

[4]劉光祜,饒妮妮.模擬電路基礎(chǔ).成都：電子科技大學(xué)出版社.2001：137-138