基于DSP的SAW RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

 基于聲表面波的射頻識(shí)別[1]是集現(xiàn)代電子學(xué)、聲學(xué)和雷達(dá)信號(hào)處理的新興技術(shù)成就，是有別于IC芯片識(shí)別的另一種新型非接觸識(shí)別技術(shù)，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具有應(yīng)用潛力的十大技術(shù)之一。傳統(tǒng)的基于IC標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)應(yīng)用在高溫、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，信息讀取存在困難，導(dǎo)致標(biāo)簽失效率高，甚至無(wú)法正常工作。由于SAW器件工作在射頻波段，無(wú)源無(wú)線、閱讀距離遠(yuǎn)及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有ID識(shí)別和傳感器的雙重功能，因此在識(shí)別ID的同時(shí)獲取目標(biāo)的各種物理指標(biāo)，如溫度、壓力及氣體濃度等，具有廣闊的市場(chǎng)前景。本文設(shè)計(jì)并利用了聲表面波射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體ID識(shí)別和溫度測(cè)量，創(chuàng)造性地應(yīng)用到礦井監(jiān)控中。

1 SAW RFID系統(tǒng)原理及組成

一個(gè)完整的SAW RFID終端系統(tǒng)[2]由SAW標(biāo)簽、閱讀器及應(yīng)用系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。閱讀器是一種具有收發(fā)和處理射頻信號(hào)功能的裝置，無(wú)源SAW標(biāo)簽放置在被識(shí)別的物體表面，用來(lái)測(cè)量被測(cè)物體的相關(guān)信息。閱讀器通過(guò)天線發(fā)射一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的作用區(qū)域內(nèi)時(shí)，閱讀器發(fā)出的電磁波激活標(biāo)簽電路，標(biāo)簽的能量檢測(cè)電路將一部分射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)能量供其工作，標(biāo)簽獲得能量被激活后，將自身的序列號(hào)等信息調(diào)制到射頻信號(hào)上,之后通過(guò)標(biāo)簽天線發(fā)送出去,閱讀器接收到標(biāo)簽返回的射頻信號(hào)后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制。

2 SAW RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 SAW標(biāo)簽設(shè)計(jì)

SAW RFID標(biāo)簽[3]主要由叉指換能器、壓電基片、反射柵和天線組成。

信號(hào)在標(biāo)簽中是以聲表面波的形式出現(xiàn)，并在基片表面?zhèn)鞑?。?dāng)被測(cè)物體的溫度發(fā)生變化時(shí)，聲表面波發(fā)生頻偏，同時(shí)按照一定編碼規(guī)則將變化了的聲表面波刻在標(biāo)簽的反射柵上，反射回來(lái)形成一系列的聲脈沖串。由于反射柵按某種特定規(guī)律設(shè)計(jì)，其反射信號(hào)表示規(guī)定的編碼信息，閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串則帶有該物品的特定編碼，通過(guò)解析和處理，解調(diào)出反射柵的編碼信息，達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。同時(shí)根據(jù)FFT算法提取頻偏值，進(jìn)一步得到被測(cè)物體的溫度信息。

2.2 射頻前端模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)射頻識(shí)別收發(fā)機(jī)采用超外差接收結(jié)構(gòu)，成本高，電路復(fù)雜，不易集成且功耗高。結(jié)合零中頻[4]的特性，本文采用零中頻結(jié)構(gòu)，包括本振器、發(fā)射模塊和接收模塊，克服了鏡像頻率干擾，降低了開(kāi)發(fā)成本。

2.2.1 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

915 MHz的發(fā)射電路如圖2所示。采用LT5519芯片作為上變頻混頻器，RF輸出帶寬為0.7 GHz~1.4 GHz。用CASCADE軟件設(shè)計(jì)了π型衰減器，R1=24 Ω，R2=R3=220 Ω，則衰減4 dB。帶通濾波器采用B4637，中心頻率為915 MHz，帶寬26 MHz，插入衰減2.5 dB?？烧{(diào)增益放大器(VGA)采用Sky65111,輸入帶寬為600 MHz~1 100 MHz，根據(jù)標(biāo)簽和閱讀器的距離遠(yuǎn)近，自動(dòng)增益控制(AGC)模塊自適應(yīng)地調(diào)整VGA的增益，使閱讀器能夠正確接收到標(biāo)簽返回的信息，最大輸出功率達(dá)33 dBm@915 MHz。

2.2.2 接收電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的閱讀器采用零中頻結(jié)構(gòu)[5]進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括正交解調(diào)器、AD采樣。接收電路如圖3所示。

來(lái)自于天線的標(biāo)簽返回信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻前端處理后，采用帶通濾波器抑制915 MHz~925 MHz頻段外的信號(hào)，低噪聲放大器放大信號(hào)以便于后端處理。放大后的信號(hào)進(jìn)入LT5575混頻解調(diào)，上、下變頻使用相同頻率的本振信號(hào)，下變頻出來(lái)的信號(hào)即為I/Q正交基帶信號(hào)。經(jīng)放大濾波后，進(jìn)入AD9288進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號(hào)，DSP對(duì)接收到的基帶信號(hào)進(jìn)行解碼等處理。

2.2.3 本振器的設(shè)計(jì)

采用ADI公司的ADF4360-7，外接10 MHz高精度溫補(bǔ)晶振作為參考頻率,通過(guò)選擇相應(yīng)的工作模式，使其輸出信號(hào)頻率范圍為350 MHz~1 800 MHz。在本系統(tǒng)的本振器設(shè)計(jì)中，以數(shù)字鎖相環(huán)的形式產(chǎn)生915 MHz的射頻信號(hào)， 分別作為上、下混頻電路的本振信號(hào)。用ADIsimPLL軟件設(shè)計(jì)了環(huán)路濾波器的重要參數(shù),包括鑒相頻率、輸出頻率、帶寬及階數(shù)等，得到本振器的設(shè)計(jì)圖,如圖4所示。此外,借助軟件ADF4360.exe,設(shè)定VOC輸出頻率、相位檢測(cè)頻率和分頻模數(shù)等參數(shù)，配置內(nèi)部C、N和R寄存器的值, 降

低了PLL驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)難度。

2.3 基帶主控模塊設(shè)計(jì)

DSP基帶主控單元是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，詳細(xì)的功能框圖如圖5所示。

DSP模塊，采用TI的TMS320VC5509A芯片[6]，上電后通過(guò)運(yùn)行Boatload程序?qū)EPROM中的程序調(diào)到片內(nèi)運(yùn)行，控制各個(gè)模塊進(jìn)行工作。電源和時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源和精確的外部參考時(shí)鐘。控制PLL產(chǎn)生本振信號(hào)，提供給射頻前段模塊使用。由SDRAM和EEPROM組成的外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和程序存儲(chǔ)。CPLD主要接收來(lái)自DSP的總線信息,并將總線信號(hào)進(jìn)行邏輯再處理，擴(kuò)展DSP的I/O口，用于輸出控制。自動(dòng)增益控制(AGC)根據(jù)讀卡距離遠(yuǎn)近，自適應(yīng)調(diào)整信號(hào)功率，增加系統(tǒng)的可靠性。液晶模塊直觀地顯示了DSP進(jìn)行解碼、校驗(yàn)等處理結(jié)果。此外，串口網(wǎng)口模塊作為與上位機(jī)數(shù)據(jù)交換的通信接口。

主控核心DSP的工作流程為:(1)系統(tǒng)上電,將EEPROM中的程序調(diào)入片內(nèi)開(kāi)始運(yùn)行;(2)DSP根據(jù)程序設(shè)置，初始化GPIO口、中斷、定時(shí)器等的控制寄存器;(3)對(duì)PLL進(jìn)行編程，輸出本振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào);(4)對(duì)要輸出的指令進(jìn)行編碼，并從DSP相應(yīng)的通用輸出口送出;(5)控制AD模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行解碼和校驗(yàn)，若校驗(yàn)正確則進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，最后將結(jié)果送往液晶或上位機(jī)進(jìn)行其他處理，否則轉(zhuǎn)往第二步再次進(jìn)行處理。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 SAW 標(biāo)簽

圖6展示的是本文提到的SAW 標(biāo)簽，其中圖6(a)是標(biāo)簽的晶圓，圖6(b)是標(biāo)簽成品，采用晶圓級(jí)封裝，與傳統(tǒng)封裝相比實(shí)現(xiàn)了聲表面波標(biāo)簽IDT 的全封裝，所有的有效圖形都被保護(hù)于空腔內(nèi)，避免了后期各種情況引起的短路失效等問(wèn)題，提高了器件的可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了整片的一次性封裝，提高了產(chǎn)品的一致性，適合批量生產(chǎn)。圖6(c)說(shuō)明了該SAW RFID標(biāo)簽體積小，安裝使用方便。

3.2 RFID閱讀器

本文提到的SAW RFID閱讀器、主要分為4塊電路板：電源板、發(fā)送板、接收板和DSP主控板。C5509處理器發(fā)送標(biāo)簽讀寫信號(hào)，控制發(fā)送器發(fā)送915 MHz詢問(wèn)脈沖，接收器對(duì)標(biāo)簽返回的射頻信號(hào)進(jìn)行濾波放大、AD轉(zhuǎn)換等相關(guān)處理后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號(hào)，C5509處理器對(duì)接收到的基帶信號(hào)進(jìn)行解碼和頻偏提取，進(jìn)一步得到被測(cè)物體的ID和溫度信息，并上傳給上位機(jī)做進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。與普通RFID系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以快速精確地讀取被測(cè)物體的ID和溫度信息，并且能在高溫差、高濕度、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下正常工作。

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

搭建了SAW RFID系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了功能測(cè)試。

把硬件系統(tǒng)連接好后，打開(kāi)測(cè)試軟件，如圖7所示，設(shè)置通信口、波特率等通信參數(shù)，勾選要測(cè)試的SAW標(biāo)簽和對(duì)應(yīng)的天線，點(diǎn)擊啟動(dòng)，即可觀察到實(shí)時(shí)ID和溫度信息。對(duì)其中一個(gè)SAW標(biāo)簽進(jìn)行加溫處理，即可觀察到溫度的動(dòng)態(tài)變化(47.60℃)。測(cè)試結(jié)果表明，采樣間隔最小可達(dá)50 ms，有效識(shí)別距離約為5 m~10 m，溫度測(cè)量范圍是0~125℃，精度可達(dá)0.01℃，誤差為1℃。

4 SAW RFID的應(yīng)用

SAW RFID具有無(wú)線無(wú)源、識(shí)別距離遠(yuǎn)且速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)測(cè)量壓力、溫度等參數(shù)變化。針對(duì)煤礦井下環(huán)境復(fù)雜、溫度監(jiān)測(cè)和人員定位等要求，將該系統(tǒng)應(yīng)用在煤礦安全綜合監(jiān)管[7]中，實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備及環(huán)境參數(shù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及對(duì)人員的定位與跟蹤，有效防止了安全事故發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)所構(gòu)成的原材料價(jià)格相對(duì)低廉、適合批量生產(chǎn)、使用方便，在目前礦難較為頻繁的時(shí)期，具有較大的使用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。

本文從SAW RFID的組成結(jié)構(gòu)上介紹了其工作原理，并詳細(xì)闡述SAW RFID閱讀器設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)說(shuō)明了射頻前端的設(shè)計(jì)，包括發(fā)送模塊、接收模塊和本振器的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了DSP基帶主控模塊的設(shè)計(jì)框圖和算法流程。通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作性能可靠穩(wěn)定，設(shè)計(jì)思路確實(shí)可行。最后，結(jié)合本SAW RFID系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到礦井監(jiān)控中,在井下定員管理和應(yīng)急救援中發(fā)揮著巨大的作用。