一种UHF频段RFID读写器硬件设计

2014-04-29肖菊兰陈延斌

中国电子商情 2014年6期

肖菊兰陈延斌

引言：本设计者RFID读写器使用FPGA芯片做基带处理，中心频率为915MHz，基于ISO/IEC 18000-6C协议。本文介绍了物联网技术、RFID系统组成，并提出了读写器设计方案，基于模块化阐述了设计中的关键技术，其中包括读写器电源设计、载波生成设计、调制方式选择、解调电路设计等。

一、引言

物联网，即Internet of Things（缩写IOT），能够让被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，是基于互联网络、电信网网络等信息承载体，被誉为第三次信息技术革命和全球经济复苏的动力，很大程度上影响着我国乃至世界经济及科技发展。RFID(Radio Frequency Identification)，是物联网关键技术之一，基于电磁理论，主要利用无线电波自动识别物体，由上位机、读写器、天线和电子标签组成，如图1。

图1RFID系统构成

读写器设计技术是RFID技术中的一个关键部分，本文针对基于FPGA的ISO/IEC18000-6C RFID读写器硬件设计的研究，提出了读写器的硬件设计方案，以及系统实现中的硬件设计中的关键技术。

二、读写器整体设计

设计将读写器按功能划分为三个部分，分别为电源、数字基带和射频收发部分，如下图2。

图2设计整体框图

UHF读写器中心频率为915MHz，适用于ISO/IEC 18000-6C协议，数字基带部分采用采用Altera公司的FPGA芯片EP1C12Q240C8N芯片，实现数字信息的首发和处理。

三、读写器硬件设计

（一）电源部分

读写器需用三种电压源，电压值分别是1.5V、3.3V和5V，都由9V外接电源转换而来。AMS1084系列电压转换芯片具有固定和可调两种LDO稳压器，能够进行过流、过温和短路保护。考虑读写器所需三种电压、LDO的热功耗和其稳定性，设计采用如图3所示电源方案。

图3电源框图

（二）读写器发射机

射频发送链路采用OOK调制，主要任务有：

（1）产生发射能量，激活电子标签并为之提供能量；

（2）数据调制，传输给超高频电子标签[1]。

读写器发射机需完成调制并将已调制信号传输到天线的功能，故将发射机分为三个部分，即负责载波生成的载波生成器、完成OOK调制的调制电路及功率放大器。

1、载波生成器

设计中载波生成芯片使用Silicon Laboratories 公司的Si4133，此芯片具有：

（1）内部集成VCO、PD、LP；

（2）具有RF1和RF2兩个通道，分别用于947MHz~1.72GHz和789MHz~1.429GHz；

（3）能够实现跳频；

（4）需要极少的外围器件；

（5）可工作在3.3V；

（6）低相位噪声；

（7）配置快速，典型值为140us。

具体载波生成电路如下图4。

图4载波产生电路设计图

采用13MHz有源晶振，SENB、SCLK、SDATA三个引脚用于FPGA配置Si4133。Si4133芯片中，配置寄存器数据有22比特，由18比特数据位和4比特地址位成构成。SDATA上数据和地址信息在SENB为低电平时且SCLK上升沿到来时被记录入Si4133的内部移位寄存器中，然后内部移位寄存器数据在SENB为高电平时被记录到地址所对应内部寄存器中。配置载波芯片时三个引脚间时序关系如下图5所示。

图5SCLK、SDATA和SENB之间的时序关系

Tsu为SDATA上数据建立时间，thold为SDATA上数据的建立和保持时间；ten1为SENB的下降沿到下一SCLK的上升沿的时间，ten2为SENB的上升沿到上一个SCLK的上升沿时间，ten3为SENB的上升沿到下一个SCLK的上升沿的时间。在参考频率确定情况下，Si4133输出频率由可编程N除法器来决定，关系为：

(2-1)

2、调制电路设计

ASK调制（Amplitude Shift Keying），全名幅移键控调制，是一种使用数字基带信号去控制载波幅度的调制方式，如图6。

图6ASK调制原理

图6所示，基带脉冲通过ASK调制变成调制后变成调制后信号，即：

(2-2)

如果基带脉冲是矩形脉冲，那么则在一个码元周期内其ASK信号可以表示为：

(2-3)

OOK（On-Off Keying），全称开关键控调制，是一种深度的ASK调制，基带数据为“1”则发送载波，基带数据为“0”则无载波发送，是100%调制深度的ASK调制。

在ISO/IEC18000-6C协议中，读写器到标签同学的数据调制方式为80%~100%调制深度的ASK，本文中采用OOK调制。

（三）读写器接收机

接收机可分为四个部分，分别检波电路、低通滤波器、差分放大电路和比较电路。