基于FPGA的超高頻讀寫器設(shè)計(jì)

摘要：射頻識(shí)別是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，近年來廣泛應(yīng)用于物流管理、車輛收費(fèi)、門禁管理等方面。UHF頻段RFID技術(shù)由于可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和快速通信而受到越來越多的關(guān)注。文章提出了一款基于ISO／IEC18000-6C協(xié)議的超高頻讀寫器的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)射頻部分以奧地利微電子公司的AS3990射頻收發(fā)芯片為核心，數(shù)字部分以FPGA芯片為主控器，通過并口連接實(shí)現(xiàn)讀寫器的讀取，并能提高多標(biāo)簽讀取效率。
關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；超高頻；Gen2；防碰撞

0 引言
射頻識(shí)別(RFID)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用天線來傳輸射頻信號(hào)，利用空間耦合實(shí)現(xiàn)非接觸供電，并進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)并交換數(shù)據(jù)的目的。與傳統(tǒng)的條形碼識(shí)別方式相比，射頻識(shí)別技術(shù)能對(duì)移動(dòng)的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，而且還具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、數(shù)據(jù)加密等優(yōu)點(diǎn)。因而RHD技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、物流管理、門禁系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。相對(duì)而言，UHF頻段的發(fā)展遠(yuǎn)沒有低頻和高頻段成熟，而UHF頻段的讀寫距離遠(yuǎn)和更快的讀取速度讓其在國際物流、公路自動(dòng)收費(fèi)等領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前已成為RFID技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)主流發(fā)展方向。

1 讀寫器的整體結(jié)構(gòu)

本文提出的基于物流管理的讀寫器工作在UHF91 5MHz頻率下。FPGA是大規(guī)模可編程器件中的另一大類PLD(programmable logic device)器件，既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，又克服了普通ASIC設(shè)計(jì)周期長、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)，逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電路設(shè)計(jì)的首選。奧地利微電子公司的AS3990射頻收發(fā)器產(chǎn)品適用于UHF頻段，針對(duì)便攜、固定、近距或遠(yuǎn)距應(yīng)用進(jìn)行了個(gè)性優(yōu)化，多種產(chǎn)品可采用同一種軟件接口。它是一款高度集成的UHF讀寫器芯片，包括AFE、數(shù)據(jù)幀、編碼／解碼，支持MCU和電源管理，支持密集讀寫模式，天線驅(qū)動(dòng)用OOK、ASIC或PR-ASK調(diào)制，創(chuàng)新化的雙輸入接收器可以消除通信盲區(qū)。該芯片是64引腳QFN封裝，并支持目前業(yè)界最低功耗BOM(Bill of Material，物料清單)的解決方案，所以是講究功耗成本的應(yīng)用首選。AS3990繼承了EPC Classl Gen2(ISO 18000-6C)協(xié)議引擎，其高速的數(shù)據(jù)處理能力可以完成發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀的處理，而且在Direct Data Mode模式下還可以實(shí)現(xiàn)ISO 18000-6A和ISO 18000-6B協(xié)議。為了減輕處理器的工作負(fù)擔(dān)并保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流以及正確的協(xié)議處理，AS3990采用了一個(gè)12字節(jié)的FIFO寄存器來管理數(shù)據(jù)幀。內(nèi)置的可編程選項(xiàng)可以使它適合于UHF頻段里的所有應(yīng)用，還可以直接進(jìn)入其內(nèi)置控制寄存器對(duì)各種讀寫器參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。
讀寫器RF前端采用零中頻接收結(jié)構(gòu)。由頻率合成器產(chǎn)生所需要的RF信號(hào)，然后經(jīng)過功率分配器得到兩路載波信號(hào)，分別用于發(fā)送通路和接收通路。發(fā)送通路采用OOK調(diào)制，基帶信號(hào)通過開關(guān)通斷控制載波是否經(jīng)過功放，并用天線發(fā)送；接收通路中接收信號(hào)先經(jīng)過功率分配、放大等操作，然后分別送到混頻器和兩路正交的載波信號(hào)進(jìn)行混頻，對(duì)混頻之后的信號(hào)經(jīng)過濾波、放大等操作恢復(fù)出數(shù)字基帶信號(hào)。該系統(tǒng)之所以采用兩路正交混頻結(jié)構(gòu)，主要是為了避免射頻場(chǎng)中存在接收盲點(diǎn)。如果只采用一路接收信號(hào)，當(dāng)接收信號(hào)的相位和本振信號(hào)的相位相差90°，混頻后的信號(hào)始終為0，即有用信號(hào)沒有解調(diào)出來。但采用正交I和Q兩路接收信號(hào)，無論相位延時(shí)多少，I和Q中總有一路能解調(diào)出有用信號(hào)。
AS3990芯片與控制器之間的接口可以采用串行數(shù)據(jù)接口，為了采用較高的傳輸速率時(shí)也可以采用并行接口。本設(shè)計(jì)采用FPGA與AS3990芯片的并行連接通信，AS3990的IO0-I07、IRQ、CLK、VCC，CLSYS接口與FPGA相連接，如圖1所示，其中IRQ為中斷，IO0-I07為數(shù)據(jù)的雙向并行口。芯片內(nèi)部有32個(gè)寄存器用來實(shí)現(xiàn)其傳輸協(xié)議和監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)，通過對(duì)內(nèi)部寄存器的設(shè)置，來控制芯片的傳輸模式、調(diào)制方式、傳輸速率等。在常規(guī)工作模式下，即支持ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，傳輸數(shù)據(jù)的編碼與解碼，CRC校驗(yàn)碼的生成和校驗(yàn)都是在芯片內(nèi)部完成的，還有自動(dòng)產(chǎn)生幀同步、引導(dǎo)碼，將從MCU傳遞的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀格式后再發(fā)送，且發(fā)送和接收都是通過FIFO寄存器傳輸?shù)?。而在直接?shù)據(jù)模式下，數(shù)據(jù)的編解碼和CRC校驗(yàn)碼的生成與校驗(yàn)都在芯片外部實(shí)現(xiàn)，而且發(fā)送和接收只能直接地、無緩沖地從FIFO中輸出碼流，可以用該模式來實(shí)現(xiàn)ISO 18 000-6B、6A協(xié)議等。