SAW RFID閱讀器的信號處理電路與軟件的實現(xiàn)

RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器(或閱讀器)和很多應(yīng)答器(或標(biāo)簽)組成。RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag,無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag,有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽);解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。本文將介紹一種SAW RFID閱讀器的信號處理電路設(shè)計及其軟件設(shè)計。

　　1 閱讀器的系統(tǒng)分析
 

　　閱讀器是一款快速、實用、功能超強的桌面端閱讀軟件。 RSS閱讀器是一種軟件或是說一個程序，這種軟件可以自由讀取RSS和Atom兩種規(guī)范格式的文檔，且這種讀取RSS和Atom文檔的軟件有多個版本，由不同的人或公司開發(fā)，有著不同的名字。如目前流行的有：RSSReader、FreeDemon、SharpReader等。

　　閱讀器采用模塊化設(shè)計，最基本單元的為射頻電路與信號處理電路。如圖1所示，射頻系統(tǒng)包括發(fā)射電路與接收電路，信號處理電路包括信號處理單元與外圍電路。根據(jù)功能需求，增加相應(yīng)的電路，包括有通信電路、顯示電路、存儲電路、時鐘電路等外圍電路。

　　根據(jù)項目指標(biāo)要求，設(shè)計的SAW標(biāo)簽可接收40ns的脈沖詢問信號，由SAW標(biāo)簽發(fā)射極的間距確定每個脈沖回波延遲時間約為115ns.

　　閱讀器工作開始后信號處理電路產(chǎn)生一段脈寬為40ns脈沖控制信號，送給發(fā)射電路，經(jīng)過發(fā)射電路一系列調(diào)制處理，轉(zhuǎn)換成脈寬是40ns,載頻是915MHz的射頻詢問信號，通過天線發(fā)射出去。遇到SAW標(biāo)簽后，標(biāo)簽反射回帶有標(biāo)簽信息的射頻回波信號，閱讀器接收時經(jīng)過接收電路一系列處理，解調(diào)出代表標(biāo)簽信息的回波包絡(luò)信號，回波包絡(luò)信號是具有24位，脈寬40ns的脈沖回波，每個回波的延遲時間約為115ns.之后送給信號處理電路進(jìn)行進(jìn)一步的識別和處理，完成識別標(biāo)簽的信息。

　　2 信號處理電路設(shè)計

　　信號處理電路主要負(fù)責(zé)閱讀器的系統(tǒng)控制與信號處理任務(wù)。包括：發(fā)射時，控制射頻開關(guān)截取40ns脈沖信號;接收時，數(shù)字采集經(jīng)過射頻接收電路解調(diào)的回波信號，將回波信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。其中回波信號的每個脈沖的脈寬為40ns,每個脈沖信號延遲時間為115ns,帶寬則為

　　接收處理過程就是高速數(shù)據(jù)采集過程。分析指標(biāo)要求，信號處理電路設(shè)計的關(guān)鍵點如下：

　　(1)產(chǎn)生高速控制信號控制發(fā)射端的射頻開關(guān)在40ns開與斷。

　　(2)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換速度。

　　(3)經(jīng)過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換后，采樣速率很快，信號處理器接收數(shù)據(jù)的速度必須匹配ADC(Analog To DigitalConverter)的轉(zhuǎn)換速度。

　　對于關(guān)鍵點(1)，選擇高速處理器，通過軟件編程實現(xiàn)40ns響應(yīng)時間的高速控制信號。

　　對于關(guān)鍵點(2)，模擬信號的最高頻率達(dá)到

　　根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率要在64MHz以上，本系統(tǒng)采用采樣頻率為80MHz的高速ADC.

　　對于關(guān)鍵點(3)，ADC采樣速率很高，達(dá)到80MHz,處理器無法直接接收處理如此龐大的采樣數(shù)據(jù)。所以需要數(shù)據(jù)緩沖，這里選用FIFO(First Input First Output)實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存功能。

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與器件選擇

　　為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，我們選用一種高性能的MCU(Micro Controller Unit)作為系統(tǒng)的信號處理核心。如圖2所示，信號處理電路由MCU、ADC、FIFO、以及其他外圍電路組成。

　　ADC的選擇：接收脈沖的寬度為40ns,帶寬為25MHz,根據(jù)采樣定理，這里選用ADI公司的AD9057,8bit 80MHz,輸入輸出延遲時間tPD=9.5ns.

　　FIFO的選擇：FIFO接收存儲來自ADC高速輸出的數(shù)字信號，還要將數(shù)據(jù)輸出給MCU,這對FIFO的存取速度由很高的要求，這里選用IDT公司的SUPERSYNC II系列FIFOIDT72V223,最高166MHz操作時鐘，容量1024x9 bit,具有可編程性，選用異步模式。

　　MCU的選擇：通過軟件編程實現(xiàn)40ns的脈沖控制信號，接收時實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集，RFID系統(tǒng)要求高速工作速度，這里選用性能優(yōu)秀C8051F131.C8051F是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，它的CIP-51內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，在同頻率下是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍，C8051F131最高支持100MHz的時鐘頻率，處理速度也可達(dá)到100MIPS,32個I/0,128K Flash,8448字節(jié)內(nèi)部RAM,可尋址64KB的片上外部RAM.

　　時鐘的選擇：ADC與FIFO的工作狀態(tài)由MCU控制。鐘振提供ADC采樣時鐘與FIFO寫時鐘，ADC采樣時鐘與FIFO寫時鐘只有同步數(shù)據(jù)才能不丟失，通過查詢器件的數(shù)據(jù)資料，ADC轉(zhuǎn)換速度與FIFO的存取速度可以實現(xiàn)銜接，可共用鐘振。FIFO的讀時鐘與控制由MCU產(chǎn)生。

　　2.2 硬件電路設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與器件的數(shù)據(jù)資料，部分電路設(shè)計如下：

　　(1)AD9057的電路設(shè)計：將射頻接收電路輸出端接入AD9057輸入端：AD9057的8位數(shù)字信號輸出端與IDT72V223的低8位輸入端連接;使用C8051F13l控制AD9057的PWRDN端，控制AD9057的工作狀態(tài)。

　　(2)IDT72V223的電路設(shè)計：在IDT72V223主復(fù)位過程中，對相應(yīng)引腳置位可確定其工作模式。選用異步、標(biāo)準(zhǔn)IDT工作模式;數(shù)據(jù)輸入由WCLK和WEN控制，輸入時鐘與輸出時鐘完全獨立;只要REN和WEN使能，就可以讀寫數(shù)據(jù);OE為低，表示允許輸出端輸出;此外，IDT72V223也提供了豐富的狀態(tài)信號，將IDT72V223低8位輸出端連接C8051F131的I/O口。(3)通信電路、顯示電路、時鐘電路、電源電路等其它電路的設(shè)計，按照器件數(shù)據(jù)資料的要求完成電路連接。

　　利用Protel DXP繪制電路圖與PCB版圖，部分電路如圖3和圖4所示。完善器件布局，仿真電路與電氣檢查，完成加工制作。

　　3 軟件設(shè)計與調(diào)試

　　系統(tǒng)軟件流程如圖5所示，系統(tǒng)開始工作，通過MCU初始化ADC與FIFO的工作狀態(tài)，產(chǎn)生40ns脈沖詢問信號控制射頻開關(guān)，經(jīng)過1us識別標(biāo)簽的傳播延遲，MCU控制ADC采樣與FIFO的寫操作，待模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，將FIFO數(shù)據(jù)寫入MCU,并與參考閾值比較，從而確定回波信號的編碼信息，最后通過串口上傳至上位機(jī)及顯示，實現(xiàn)進(jìn)一步處理。

　　程序設(shè)計采用Keil uVision3環(huán)境編寫，uVision3是集成的可視化Windows操作界面，它支持絕大部分MCU,包括C8051F131,提供豐富的庫函數(shù)和各種編譯工具。按照系統(tǒng)工作流程，采用C語言編寫程序，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，燒錄系統(tǒng)。通過測試，信號處理電路可按照規(guī)定流程順利工作，達(dá)到設(shè)計的要求。

　　4 結(jié)論

　　本文介紹了SAW RFID閱讀器的信號處理電路設(shè)計與軟件設(shè)計過程，通過實驗表明，采用FIFO作為ADC與MCU之間的橋梁，起到很好的數(shù)據(jù)緩沖作用，降低了對MCU性能的要求，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易實現(xiàn)。