超高頻讀寫(xiě)器的RFID系統(tǒng)構(gòu)成與硬件結(jié)構(gòu)
來(lái)源：
安的電子 日期：2022-07-15
讀寫(xiě)器的工作頻率為915 MHz，是基于無(wú)源反射調(diào)制技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)原理的 RFID讀寫(xiě)器，工作距離長(zhǎng)達(dá) 10 m。
1．RFID系統(tǒng)構(gòu)成
UHF頻段RFID系統(tǒng)是無(wú)源RFID系統(tǒng)，由讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽組成，如圖8.23所示。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的能量場(chǎng)，電子標(biāo)簽的能量檢測(cè)電路將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，供其工作。同時(shí)，芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻信號(hào)中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯。控制邏輯負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)操作，包括從EEPROM讀數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送出去。
2．讀寫(xiě)器的硬件結(jié)構(gòu)
915 MHz的讀寫(xiě)器主要由天線、射頻模塊和主控模塊3部分組成。射頻模塊由發(fā)送部分和接收部分構(gòu)成，發(fā)送部分產(chǎn)生射頻信號(hào)及射頻能量，給無(wú)源電子標(biāo)簽提供能量；接收部分對(duì)由天線接收的反射調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大及濾波。主控模塊控制與電子標(biāo)簽的通信過(guò)程；主機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)來(lái)的命令。
射頻識(shí)別系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用的工作方式，讀寫(xiě)器輸出命令信號(hào)與接收電子標(biāo)簽反射調(diào)制信號(hào)是在不同的時(shí)間段進(jìn)行的。
（1）數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)
在射頻部分，采用晶體振蕩器和壓控振蕩器以全數(shù)字鎖相環(huán)的形式產(chǎn)生 915 MHz射頻信號(hào)。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)由模擬電路實(shí)現(xiàn)，而全數(shù)字鎖相環(huán)與傳統(tǒng)的模擬電路的實(shí)現(xiàn)方法相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào)、易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用在數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)不需A/D及D/A轉(zhuǎn)換。
（2）信號(hào)接收
天線接收的反射調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)定向耦合器到接收通路，檢波后的信號(hào)通過(guò)差動(dòng)放大、低通濾波器和運(yùn)算放大后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換再送至主控模塊進(jìn)行解碼。
讀寫(xiě)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽的距離不是固定不變的。如果讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽距離近，讀寫(xiě)器接收到的反射調(diào)制信號(hào)較強(qiáng)；如果讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽距離遠(yuǎn)，讀寫(xiě)器接收到的反射調(diào)制信號(hào)就較弱。為了在讀寫(xiě)器的工作距離內(nèi)得到穩(wěn)定可靠的接收數(shù)據(jù)，需要對(duì)A/D轉(zhuǎn)換之前的運(yùn)算放大器進(jìn)行放大倍數(shù)控制，較弱的接收信號(hào)需要較大的放大倍數(shù)。
為了保持接收信號(hào)的穩(wěn)定，采用了移動(dòng)終端功率控制方案：反射信號(hào)變強(qiáng)，降低接收通路的放大倍數(shù)；反之，反射信號(hào)變?nèi)酰岣咂浞糯蟊稊?shù)。采用對(duì)數(shù)放大器對(duì)反射調(diào)制信號(hào)進(jìn)行電平檢測(cè)，然后輸入到主控模塊進(jìn)行算法分析，輸出控制信號(hào)改變末級(jí)運(yùn)算放大器的反饋電阻大小，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)的自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換前信號(hào)幅度的穩(wěn)定。
（3）主控模塊
主控模塊的核心處理器為數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP），該 DSP 芯片運(yùn)算速度為 50 MIPS（MIPS：每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令），片內(nèi)有 10 KB 雙向訪問(wèn) RAM，支持64 KByte 的數(shù)據(jù)空間和 64 KByte 的程序空間，能夠滿(mǎn)足射頻識(shí)別系統(tǒng)的要求。主控模塊的硬件框圖如圖 8.24 所示，本系統(tǒng)采用復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯電路設(shè)計(jì)。
實(shí)際系統(tǒng)中，擴(kuò)展了64 KByte 的 SRAM，但因DSP 最多支持外部擴(kuò)展 64 KByte的數(shù)據(jù)空間，因此，模擬CE控制信號(hào)由DSP通過(guò)CPLD中的邏輯電路來(lái)控制，從而決定選擇SRAM的高地址段 64 KByte 的存儲(chǔ)空間還是低地址字段的存儲(chǔ)空間。這樣，在符合 DSP 的外擴(kuò)數(shù)據(jù)空間要求的基礎(chǔ)上又增加了寶貴的存儲(chǔ)資源。除了 SRAM，還配置了64 KByte 的 Flash，以滿(mǎn)足DSP引導(dǎo)裝入程序的需要。
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1．RFID系統(tǒng)構(gòu)成
UHF頻段RFID系統(tǒng)是無(wú)源RFID系統(tǒng)，由讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽組成，如圖8.23所示。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的能量場(chǎng)，電子標(biāo)簽的能量檢測(cè)電路將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，供其工作。同時(shí)，芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻信號(hào)中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯。控制邏輯負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)操作，包括從EEPROM讀數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送出去。
2．讀寫(xiě)器的硬件結(jié)構(gòu)
915 MHz的讀寫(xiě)器主要由天線、射頻模塊和主控模塊3部分組成。射頻模塊由發(fā)送部分和接收部分構(gòu)成，發(fā)送部分產(chǎn)生射頻信號(hào)及射頻能量，給無(wú)源電子標(biāo)簽提供能量；接收部分對(duì)由天線接收的反射調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大及濾波。主控模塊控制與電子標(biāo)簽的通信過(guò)程；主機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)來(lái)的命令。
射頻識(shí)別系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用的工作方式，讀寫(xiě)器輸出命令信號(hào)與接收電子標(biāo)簽反射調(diào)制信號(hào)是在不同的時(shí)間段進(jìn)行的。
（1）數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)
在射頻部分，采用晶體振蕩器和壓控振蕩器以全數(shù)字鎖相環(huán)的形式產(chǎn)生 915 MHz射頻信號(hào)。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)由模擬電路實(shí)現(xiàn)，而全數(shù)字鎖相環(huán)與傳統(tǒng)的模擬電路的實(shí)現(xiàn)方法相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào)、易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用在數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)不需A/D及D/A轉(zhuǎn)換。
（2）信號(hào)接收
天線接收的反射調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)定向耦合器到接收通路，檢波后的信號(hào)通過(guò)差動(dòng)放大、低通濾波器和運(yùn)算放大后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換再送至主控模塊進(jìn)行解碼。
讀寫(xiě)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽的距離不是固定不變的。如果讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽距離近，讀寫(xiě)器接收到的反射調(diào)制信號(hào)較強(qiáng)；如果讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽距離遠(yuǎn)，讀寫(xiě)器接收到的反射調(diào)制信號(hào)就較弱。為了在讀寫(xiě)器的工作距離內(nèi)得到穩(wěn)定可靠的接收數(shù)據(jù)，需要對(duì)A/D轉(zhuǎn)換之前的運(yùn)算放大器進(jìn)行放大倍數(shù)控制，較弱的接收信號(hào)需要較大的放大倍數(shù)。
為了保持接收信號(hào)的穩(wěn)定，采用了移動(dòng)終端功率控制方案：反射信號(hào)變強(qiáng)，降低接收通路的放大倍數(shù)；反之，反射信號(hào)變?nèi)酰岣咂浞糯蟊稊?shù)。采用對(duì)數(shù)放大器對(duì)反射調(diào)制信號(hào)進(jìn)行電平檢測(cè)，然后輸入到主控模塊進(jìn)行算法分析，輸出控制信號(hào)改變末級(jí)運(yùn)算放大器的反饋電阻大小，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)的自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換前信號(hào)幅度的穩(wěn)定。
（3）主控模塊
主控模塊的核心處理器為數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP），該 DSP 芯片運(yùn)算速度為 50 MIPS（MIPS：每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令），片內(nèi)有 10 KB 雙向訪問(wèn) RAM，支持64 KByte 的數(shù)據(jù)空間和 64 KByte 的程序空間，能夠滿(mǎn)足射頻識(shí)別系統(tǒng)的要求。主控模塊的硬件框圖如圖 8.24 所示，本系統(tǒng)采用復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯電路設(shè)計(jì)。
實(shí)際系統(tǒng)中，擴(kuò)展了64 KByte 的 SRAM，但因DSP 最多支持外部擴(kuò)展 64 KByte的數(shù)據(jù)空間，因此，模擬CE控制信號(hào)由DSP通過(guò)CPLD中的邏輯電路來(lái)控制，從而決定選擇SRAM的高地址段 64 KByte 的存儲(chǔ)空間還是低地址字段的存儲(chǔ)空間。這樣，在符合 DSP 的外擴(kuò)數(shù)據(jù)空間要求的基礎(chǔ)上又增加了寶貴的存儲(chǔ)資源。除了 SRAM，還配置了64 KByte 的 Flash，以滿(mǎn)足DSP引導(dǎo)裝入程序的需要。
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