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一種基于FPGA的無(wú)線(xiàn)射頻讀卡器開(kāi)發(fā)與設計
消費機|售飯機|食堂刷卡機|食堂打卡機 發(fā)布者:利聯(lián)(Lilian) 發(fā)布時(shí)間:2012/5/21閱讀:2234次

一種基于FPGA的無(wú)線(xiàn)射頻讀卡器開(kāi)發(fā)與設計

現在我們在超市購物付款時(shí)候只要一個(gè)識別器就可以很快知道價(jià)格,不再是以前的一個(gè)算盤(pán)或者計算器,加快了付款速度,很好地方便了顧客。無(wú)線(xiàn)射頻識別(RFID)技術(shù)是一種自動(dòng)識別技術(shù)。每一個(gè)目標對象在射頻讀卡器中對應唯一的電子識別碼(UID),或者“電子標簽”。標簽附著(zhù)在物體上標識目標對象,如紙箱、貨盤(pán)或包裝箱等。射頻讀卡器(應答器)從電子標簽上讀取識別碼。 


  基本的RFID系統由三部分組成:天線(xiàn)或線(xiàn)圈、帶RFID解碼器的收發(fā)器和RFID電子標簽(每個(gè)標簽具有唯一的電子識別碼)。表1顯示了常用的四個(gè)RFID頻率及其潛在的應用領(lǐng)域。其中,目前商業(yè)上應用最廣的是超高頻(UHF),它在供應鏈管理中有可能得到廣泛的應用。

  EPC電子標簽

  EPC表示電子產(chǎn)品代碼,是RFID電子標簽的標準,它包括電子標簽的數據內容和無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。EPC標準將條形碼規范中的數據信息標準與ANSI或其他標準化組織(802.11b)制定的無(wú)線(xiàn)數據通信標準結合在一起。目前應用在供應鏈管理中的EPC標準,屬于第二代EPC Class-1標準。

  Class-1標簽在出廠(chǎng)時(shí)已經(jīng)被寫(xiě)入,但也是可以現場(chǎng)下載。通常情況下,一旦標簽已被寫(xiě)入,內存即被鎖定不可再次寫(xiě)入信息。Class-1標簽采用常規的分組傳輸協(xié)議—讀卡器發(fā)送包含相關(guān)命令和數據的數據包,標簽隨后做出響應。

  惡劣的讀卡器應用環(huán)境

  RFID的應用環(huán)境可能非常惡劣。信道的工作頻率是免許可的工業(yè)、科技與醫藥(ISM)頻帶。此頻帶中的RFID讀卡器受到來(lái)自無(wú)繩電話(huà)、無(wú)線(xiàn)耳麥、無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )以及其他臨近讀卡器的干擾。必須將每一讀卡器的RF接收器前端設計為能夠抵御強干擾信號,避免產(chǎn)生可導致詢(xún)問(wèn)錯誤的失真。接收器的噪聲必須保持在較低的水平,以便具備足夠的動(dòng)態(tài)范圍,從而以無(wú)錯方式檢測出低電平標簽響應信號。 


  圖1中所示的讀卡器RF射頻收發(fā)器,是一個(gè)成熟的設計,能夠在存在大量干擾源的惡劣環(huán)境中穩定地工作。發(fā)射器和接收器都帶有一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍直接轉換調制器和解調器,因此最大限度地提高了穩定性并降低了成本。

  實(shí)用和可靠的射頻接收器設計

  接收器的核心是Linear公司的LT5516,這是一種高度集成化的直接轉換正交解調器,芯片上提供了一個(gè)精確正交移相器(0度至90度)。來(lái)自天線(xiàn)的信號在通過(guò)射頻濾波器之后,通過(guò)一個(gè)不平衡變壓器直接輸入到解調器輸入端口。由于LT5516的噪聲系數很低,在不需要低噪放大器(LNA)的情況下,仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。

  在接收數據時(shí),讀卡器發(fā)射連續載波(未調制),以便為標簽提供電源。在收到請求后,電子標簽通過(guò)對載波進(jìn)行調幅,響應一個(gè)碼流。所采用的調制方式為幅移鍵控(ASK)或者反相-幅移鍵控鍵控(PR-ASK)。解調器帶有兩個(gè)正交移相檢出式輸出端口,因此具備天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消導致某個(gè)通道無(wú)法接收信號,另一條通道(移相90度)就可接收較強的信號,反之亦然。這樣,整體接收可靠性就得以提高。

  一旦解調完成,即可將I(相內)和Q(正交相位)差分輸出信號以AC方式耦合至一個(gè)運算放大器(被配置為一個(gè)差分放大器),隨后被轉換為單端輸出信號。這個(gè)時(shí)候應將高通角頻率設置為5KHz,低于接收數據流的最小信號頻率,高于最大多普勒頻率(可能被運動(dòng)標簽采用),同時(shí)保持高于電力線(xiàn)頻率(60Hz)。這樣,輸出信號就能利用被配置為四階低通的LT1568順利穿過(guò)低通濾波器。低通角頻率應被設置為5MHz,以便最大碼流信號穿過(guò)濾波器,達到基帶。

  基帶信號然后被一個(gè)雙路低功耗模數轉換器(LTC2291,分辨率為12位)進(jìn)行數字化處理。由于標簽碼流的帶寬為5KHz至5MHz,LTC2291能夠以25MSps的速率進(jìn)行充分的采樣,從而精確地捕獲解調信號。在需要的時(shí)候,還可在基帶DSP中實(shí)現額外的數字濾波。這樣,接收器就能具備最大的邏輯閾值設置靈活性,該設置可由基帶處理器以數字化方式執行。

  基帶任務(wù)和數字化射頻信道化處理,可提高用全FPGA解決方案實(shí)現的吸引力和集成度。 

  高動(dòng)態(tài)范圍射頻發(fā)射器設計

  發(fā)射器集成了一個(gè)鏡像抑制直接轉換式調制器。LT5568具備很高的線(xiàn)性度和較低的背景噪聲,因此能夠為所發(fā)射的信號提供出色的動(dòng)態(tài)范圍性能。調制器能夠從數模轉換器(DAC)接收正交式基帶I和Q信號,然后直接調制至900MHz發(fā)射頻率。

  在內部,LO(本地振蕩器)被精確正交移相器分割。經(jīng)調制的射頻信號被合并為一個(gè)單端、單邊帶射頻輸出信號(鏡像被抑制了46dBc)。此外,調制器還帶有匹配的I和Q混合器,從而最大限度地抑制了LO載波信號(至-43dBm)。

  復合調制電路具備出色的鄰道功率比(ACPR),有助于滿(mǎn)足發(fā)射頻率屏蔽要求。例如,當調制器射頻輸出電平為-8dBm時(shí),ACPR指標優(yōu)于-60dBc。由于具備更出色的ACPR性能,信號可被放大至許可的1w功率(在美國為+30dBm),或者放大至2w,以符合歐盟規范。在上述兩種情況下,重要的是保持電平固定,因為該電平用于向電子標簽提供電源,并最大化讀卡距離。LTC5505型射頻功率檢測器的內部溫度補償功能,可準確地測定功率,提供穩定的反饋信號,以調節射頻功率放大器的輸出功率。

  基帶處理和網(wǎng)絡(luò )接口

  在基帶頻率上,FPGA執行發(fā)送至DAC和來(lái)自模數轉換器(ADC)的波形的信道化任務(wù)。這一過(guò)程也被稱(chēng)為數字中頻處理,涉及濾波、增益控制、頻率轉換和采樣率變化等。FPGA甚至可以并行處理多個(gè)信道。 


  圖2顯示了一個(gè)射頻讀卡器的架構。其他基帶處理任務(wù)包括:

  先導字段檢測

  排序估計

  調制和解調(ASK、頻移鍵控和相移鍵控)

  信號產(chǎn)生

  相關(guān)器處理

  峰值檢測和閾值設定

  CRC糾錯和校驗和

  編碼和解碼(NRZ、Manchester、單極性、差分雙極性和Miller)

  幀檢測

  ID去擾

  安全加密引擎 

 

所收到的RFID標簽數據可通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò )接口被傳送至企業(yè)系統服務(wù)器。這種傳統的架構正逐步演變?yōu)橐粋(gè)高級分布式 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)部分。在該網(wǎng)絡(luò )中,射頻讀卡器將負責管理臨近的標簽。在這種情況下,射頻讀卡器就象是電子標簽和連接至企業(yè)軟件系統的智化分布式數據庫之間的網(wǎng)關(guān)。

  取決于硬件/軟件功能分區情況,這些基帶任務(wù)即可在FPGA上完成,也可在DSP上完成,或者由二者聯(lián)合執行。Xilinx公司推出了一個(gè)IP內核套件,其中包括FIR、CIC、DDS、DUC、DDC、比特相關(guān)器、正弦/余弦LUT等。這些邏輯電路非常適合執行加密引擎任務(wù)(加密引擎采用移位寄存器和XOR)。針對Xilinx? VirtexTM-4系列的DSP48引擎十分適合執行其他信號處理任務(wù)。

  一個(gè)基帶處理器負責控制各種基帶處理任務(wù)的功能性和調度,還負責鏈路層協(xié)議。這些基帶處理任務(wù)包括跳頻、發(fā)送前偵聽(tīng)、防沖突算法處理等;鶐幚砥鬟提供了以太網(wǎng)、USB、固件等接口。

  基帶任務(wù)和數字化射頻信道化處理,可提高全FPGA解決方案的吸引力和集成度。FGPA功能、DSP功能,以及基帶處理功能,都可被整合于一個(gè)帶有嵌入式處理器的FPGA。 


  圖 3 顯示了一個(gè)基于 FPGA 的 RFID 處理器的架構。嵌入式處理器可以是一個(gè)硬核(譬如,Virtex-4 FX產(chǎn)品家族采用的PowerPCTM),還可以是一個(gè)軟核 (譬如SpartanTM設備中采用的MicroBlazeTM),甚至是PowerPC和MicroBlaze的結合體。用戶(hù)可以將內置硬以太網(wǎng)MAC(EMAC)連接至外部以太網(wǎng)物理層,進(jìn)而連接至以太網(wǎng)。另外,用戶(hù)還可使用面向10/100-BaseT的Lite Ethernet MAC IP。

  PowerPC/MicroBlaze 嵌入式處理器執行以下任務(wù):

  EPC數據處理

  協(xié)議處理

  詢(xún)問(wèn)調度

  TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )接口

  控制和監視

  調制解調器控制

  升級代理

  HTTP服務(wù)器

  SNMP/MIB 處理

  Xilinx千兆以太網(wǎng)系統參考設計(GSRD)是一個(gè)基于 EDK 的參考系統,能夠在基于TCP/IP的協(xié)議接口和用戶(hù)數據接口之間搭起一座高性能的橋梁。GSRD的組件具備滿(mǎn)足TCP/IP系統每比特和每包開(kāi)銷(xiāo)要求的功能。

  Xilinx還針對Monta Vista Linux和 Treck堆棧提供了發(fā)射性能基準。采用 Xilinx Platform Studio (XPS)微處理器庫定義的Nucleus PLUS RTOS,為采用MicroBlaze和PowerPC處理器的系統帶來(lái)了新的優(yōu)勢。Nucleus PLUS RTOS尺寸很小,這意味著(zhù)它能夠利用片上現有的存儲器,從而最大限度降低功耗,提高性能。此外,廣泛的中間件使得Nucleus PLUS RTOS成為RFID后端網(wǎng)絡(luò )的理想選擇。 


  利用XilinxCoolRunnerTM-II型CPLD,手持式射頻讀卡器可連接至硬盤(pán)驅動(dòng)器、QWERTY鍵盤(pán)、可移動(dòng)硬盤(pán)接口、各種顯示設備和其他計算機外設(如圖4所示)。這些CPLD還能幫助應用處理器,并且滿(mǎn)足低功耗、高性能和更小芯片封裝等要求。

  結論

  將來(lái),射頻讀卡器很可能具備前端 DSP功能,譬如射頻協(xié)議處理等。如今,這些功能在獨立式DSP中進(jìn)行處理,將來(lái),它們很有可能被集成于FPGA。嵌入式軟處理內核已可顯著(zhù)提升DMIPS/MHz性能,不久以后,高版本的處理內核將取代控制讀卡器應用程序的后端外部處理器,從而借助可編程邏輯最大限度地提高射頻讀卡器設備的靈活性,同時(shí)最大限度降低其成本。


 

一種基于FPGA的無(wú)線(xiàn)射頻讀卡器開(kāi)發(fā)與設計

 
 

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