發布日期：2022-05-20 點擊率：43
摘要：實現了一套基于DSP芯片、工作頻率為915MHz、輸出功率可調的RFID讀寫器。介紹了射頻識別系統的功能與組成以及無源反射調制技術的基本原理?；谀K化設計技術，提出了讀寫器的硬件設計方案，以及系統實現中的關鍵技術，包括頻率合成電路中采用的數字鎖相環技術和接收通路信號幅度穩定措施。
關鍵詞：射頻識別 時分雙工 DSP 讀寫器
射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術。RFID技術興起于20世紀80年代，由于超大集成電路技術的發展，90年代才進入實用化階段。RFID系統采用了無線電與雷達技術，數據交換不是通過電流的觸點接通而是通過電場與磁場，即通過無線的方式通信。與其他的識別方式相比，射頻識別技術能對移動的多個項目進行識別，因而應用更廣泛。
讀寫器的硬件設計是RFID系統設計中的關鍵部分，當前國內關于RFID的研究都集中在頻率為125kHz、134kHz的低頻和13.56MHz的高頻系統。在更高頻段的微波波段，則少有人研究。本文基于無源反射調制技術和模塊化設計原理，設計并實現了一套工作頻率為915MHz、工作距離長達10m的RFID讀寫器。
1 射頻識別系統
一個典型的RFID系統由讀寫器（Read/Write Device）、應答器（Transponder）和數據管理、處理單元組成，如圖1所示。RFID系統分為源和無源兩類，有源RFID系統的應答器由電源提供能量，無源RFID系統的應答器則沒有電池。無源RFID系統讀寫距離比有源RFID系統要近，但由于其應答器具有結構簡單、成本低、壽命長等優點，近年來發展較快。
在無源RFID系統中，應答器工作的能量由讀寫器發出的射頻信號提供。應答器由電子數據處理、存儲設備（通常是單個的微小芯片）和天線組成。當應答器進入讀寫器的能量場，應答器的能量檢測電路將射頻信號轉化為直流信號，供其工作。同時，芯片內部的數據解調部分從接收到的射頻信號中解調出數據并送到控制邏輯。控制邏輯負責分析數據并執行相應操作，包括從EPPROM讀數據或寫入數據，將數據（如應答器ID和其他用戶數據等）調制發送出去。
2 反射調制技術原理
工作頻率為915MHz的RFID系統采用無源反射調制技術，應答器以一定的調制方式將自身的數據調制到射頻信號上，并反射回去。圖2是場效應管調制解調電路，電感L1和L2作為低通濾波器。在ASK解調過程中，MES場效應管利用晶體管溝道的非線性阻抗對ASK信號進行整流，電阻R1兩端的電壓變化即反映了ASK信號中的調制信息。
在調制狀態下，MES場效應管可視為一個調制器。調制器的原理是以金屬半導體場效應管輸出阻抗的轉換為基礎的。柵極電壓Vgs0=Vd和Vgs0=0可以分別實現“開啟”和“關斷”的功能。這兩種情況下，漏極電壓設置為Vds=0。
圖3是場效應管的調制原理圖。裝置在“關”和“開”兩種狀態下的阻抗分別為Z1和Z2。加上轉換網絡Q來得到所需要的反射調制，在面Pi的反射系數為Г1和Г2；相應地，在面Pi'的（輸入點）就變為Г1’和Г2’。反射系數Г1’和Г2’滿足下面的等式：
3 讀寫器的硬件結構設計
射頻識別系統中，讀寫器的主要功能就是發出詢問信號，選擇能量場內的應答器，建立數據通信鏈路并對應答器進行讀寫操作。在本設計中，UHF頻段的讀寫器主要由天線、射頻模塊和主控模塊三部分組成，如圖1所示。射頻模塊發送部分產生射頻信號及射頻能量產給無源應答器提供能量；接收部分 對由天線接收的反射調制信號進行解調、放大及濾波；主控模塊控制與應答器的通信過程；與主機應用軟件進行通信，并執行應用軟件發來的命令。
本設計中的射頻識別系統采用時分復用的工作方式，讀寫器輸出命令信號與接收應答器反射調制信號是在不同的時間段進行的。通信鏈路中讀寫器輻射信號調制方式是OOK，無源標識卡信息返回時采用反射調制技術，也是一種ASK調制方式。
3．1 數字鎖相環技術
在射頻部分，本系統采用16MHz的晶體振蕩器和926MHz的壓控振蕩器以全數字鎖相環（DPLL）的形式產生915MHz射頻信號，如圖4所示。傳統的鎖相環由模擬電路實現，而全數字相環與傳統的模擬電路實現的PLL相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響、環路帶寬和中心頻率編程可調、易于構建高階鎖相環等優點，并且應用在數字系統中時，不需A/D及D/A轉換。
VCO頻率fvco經過18比特計數器進行吞脈沖分頻，通才晶體振蕩器頻率fosc經過15比特計數器分頻，二者經過鑒相器進行相位比較后輸出VCO控制電壓。Fosc與fvco的關系如下：
fvco=[(P×B)+A] ×fosc/R (3)
其中，參考頻率分頻系數R=3～32767，程序分頻范圍B=3～2047，吞脈沖計數范圍A=0～127，預置分頻比P=74。在本系統中，為了兼顧頻率間隔和頻率捕捉帶的要求，選取R=1600，A=108，B=1428。使用IFR頻譜儀Spectrum Analyzer 2398對射頻信號進行測試，輸出頻率為915.00MHz。
參考頻率和VCO頻率的分頻計數器均由主控模塊通過軟件進行設置，圖5是主控模塊與頻率合成器通信的時序圖。主控模塊向頻率合成器傳輸數據時，按照先高位后低位的原則。
在末級功率放大部分，調節其增益控制電壓，即可相應調整讀寫器的輻射功率；為了提高讀寫器輸出功率的穩定程度，采用了AGC電路來穩定功率放大器的輸出。
3．2 信號接收
接收部分功能框圖如圖6所示。天線接收的反射調制信號經過定向耦合器到接收通路，檢波后的信號通過差動放大、低通濾波器、運算放大后，進行A/D轉換送至主控模塊進行解碼。
讀寫器進行讀寫操作時，讀寫器與應答器的距離不是固定不變的。如果讀寫器與應答器距離近，讀寫器接收到的反射調制信號較強；如果讀寫器與應答器距離遠，讀寫器接收到的反射調制信號就較弱。為了在讀寫器的工作距離內得到穩定可靠的接收數據，需要對A/D轉換之前的運算放大器進行放大倍數控制，較弱的接收信號需要較大的放大倍數。
在本系統中，為了保持接收信號的穩定，采用一種類似移動通信系統中移動終端功率控制方案：反射信號變強，降低接收通路的放大倍數；反之，反射信號變弱，提高其放大倍數。本設計采用對數放大器對反射調制信號進行電平檢測，然后輸入到主控模塊進行算法分析，輸出控制信號改變末級運算放大器的反饋電阻大小，即可實現運算放大器的放大倍數的自動控制，進而實現A/D轉換前信號幅度的穩定。當然，這需要反復試驗，確定一組放大倍數以及它們與反射信號強度之間的對應關系，本文不再詳述。
圖6
3．3 主控模塊
主控模塊的核心處理器為一款DSP，該芯片運算速度達50MIPS，片內有10K字節雙向訪問RAM，支持64K字的數據空間和64K字的程序空間，能夠滿足射頻識別系統的要求。主控模塊的硬件框圖如圖7所示，本系統采用CPLD完成整個系統的邏輯電路設計。
實際系統中，擴展了64K字的SRAM，但因DSP最多支持外部擴展64K字的數據空間，因此模擬CE控制信號由DSP通過CPLD中的邏輯電路來控制，從而決定選擇SARM的高地址段64K字的存儲空間還是低地址字段的存儲空間。這樣，在符號DSP的外擴數據空間要求的基礎上又增加了寶貴的存儲資源。除了SRAM，還配置了64K字的FLASH ROM以滿足DSP引導裝入程序的需要。
按照本文所述的硬件結構設計方法，實現了一個供實驗用的工作頻率為915MHz的RFID讀寫器。根據射頻識別系統的要求，本系統采用四單元同相微帶天線陣列得到尖銳的方向圖與較高的方向性系數。在讀寫器最大輸出功率條件下，無源應答器的響應距離可以達到10m。該讀寫器結構緊湊，工作性能穩定，已應用到會議自動簽到系統中，取得了良好的工作效果。
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