RFID讀寫器的電路設計的實現及其測試

艾爾肯·艾則孜

（烏魯木齊職業大學，新疆 烏魯木齊 830002）

射頻識別技術RFID（Radio Frequency identification）是一項正處在快速發展中的技術，其通過射頻信號，進行非接觸式的雙向數據通信，實現物與物之間的自動識別，具有非常廣闊的應用前景。

1 系統整體硬件圖

圖1為整個系統的硬件結構框圖。結構中包括W77E58主控芯片，FPGA的編解碼芯片以及其他必需的接口。閱讀器以W77E58為處理核心，其外部接口主要為LED顯示、鍵盤、PC接口以及和FPGA的控制鏈接。FPGA的主要任務，是對數據進行編解碼以及CRC的計算和校驗。FPGA選擇的是Xilinx XC2S300E。

圖1 讀寫器系統結構圖

XC2S200E芯片擁有20萬個邏輯門，4 320個邏輯單元、480個LUT、30 kB分布式RAM、216 kB塊狀RAM、12個專用乘法器、4個DCM、97個可用I/O引腳數，采用144個引腳的PQG封裝，性能級別為4。

通常使用其內部的DCM，系統的工作頻率可以達到340MHz。

2 CRC電路設計

2.1 初設計

在高頻和超高頻射頻識別系統中，循環冗余校驗（CRC）電路，一般采用線性反饋移位寄存器（LFSR），本文以CRC-5舉例說明實現過程，其生成多項式為

g（x）=x5+x3+1，

即控制向量

g（g 0，g 1，g 2，g 3，g 4），

其中，

g 0、g 2和g 4為“1”，其余為“0”。

結合上面的分析，可以得知當gi 為“1”時，對應的與門為打開狀態，即相當于短路，對應的異或門將進行正常工作，執行模2除法；當gi 為“0”時，則其對應的與門處于截止狀態，相應的異或門相當于處于短路狀態。

工作過程如下：

（1）先將移位寄存器置000000H；

（2）將數據流高位的前5位輸入寄存器，數據流的高5位移進寄存器不會發生改變，因為寄存器初始值為0；

（3）數據流繼續移位寄存器時，第5級移位寄存器移出值若為“0”時，則直接右移一位；若為“1”則進行模2運算后右移一位；

（4）當數據流全部移入寄存器時，還需要另外移進5個連續“0”之后，才會得到CRC的結果。

下面是在Xilinx開發環境中實現CRC-5的VHDL代碼。

初設計的最大的缺點，就是效率低，因為數據流移進寄存器后還需要繼續輸入5個“0”，增加了5個時鐘延遲。

2.2 改進后的設計

通過對CRC運算過程做一些遞歸變換，找到一種消除時鐘間隔的電路設計方法。與線性反饋移位寄存器不同，將改進前電路結構上左邊的異或門移到了右邊，這樣就會減少CRC碼的計算時間。

改進型的線性反饋移位寄存器CRC電路中，數據流先進行模2除法運算，并且數據流的高5位不必預先送入移位寄存器，和改進前的CRC電路相比，改進后的電路CRC碼的計算提前了5個時鐘周期，解決了數據結束后另外需要等待的5個時鐘周期。

圖2（b）是改進后線性反饋移位寄存器實現CRC，下面是在Xilinx開發環境中實現CRC-5的VHDL代碼。

3 射頻收發模塊（RF）電路設計和分析

射頻模塊的性能直接影響整個RFID系統的性能。由圖2可見，本設計的射頻模塊主要有鎖相環電路、功率放大電路設計以及雙通道檢波接收電路。

圖2 RF硬件結構圖

3.1 鎖相環電路

鎖相環電路的主要作用，是產生讀寫器調制所要的載波信號，讀寫器的硬件性能，決定了信號的可靠性。本文中采用的鎖相環頻率合成器為ADF4360-1，是一款完全集成式整數N分頻合成器和電壓控制振蕩器，其設計中心頻率2 250 MHz，輸出頻率范圍為2 050～2 450MHz，滿足讀寫器的工作頻點多的要求。

3.2 功率放大電路

結合本文要求，這里選擇的功放為PF01411B，可以減少整個電路布板面積。同時功放PF01411B轉換效率高，通過控制自動增益控制引腳可調節輸出功率的大小。因為功放PF01411B的三階截取點為0 dBm，為了避免輸出信號的失真，要求輸入信號強度應小于0 dBm。

3.3 雙通道檢波接收電路

一般遠場耦合的RFID接收機，都使用零中頻混頻結構，見圖3（a）。通常環形器的隔離度為–25～30 dB，如果發射電路連續載波信號為30 dBm，則依然有0 dBm左右的波信號泄露，這樣會提高接收通道的功率。一般的混頻器的輸入信號功率上限在-5～-10 dBm范圍內，即低于讀寫器發射泄露的載波功率，所以零中混頻結構中需要在混頻器前加一個衰減器，來降低讀寫器的接收靈敏度。

另外，混頻器電路結構相對俞零中頻檢波電路復雜，成本昂貴。

圖3 雙通道檢波接收電路

零中頻檢波電路見圖3（b）。零中頻率檢波電路的優點，在于其利用肖特基二極管來直接檢波調整信號，相比混頻電路結構更簡單，成本相應降低。另外肖特基二極管，可以承受的射頻信號的輸入功率很大，同時接收靈敏度由肖特基二極管的檢波靈敏度決定。

又因為兩路檢波電路是正交信號，只跟讀寫器天線和標簽之間的距離有關，所以兩路信號不可能同時為0，這就保證了主芯片總能收到有效標簽應答信號。

4 系統測試

系統先初始化，然后判斷在讀寫器的范圍內是否有標簽。如果有標簽，閱讀器將發送信息給標簽，將會得到標簽應答，此時如果有標簽沖突，則通過新防碰撞算法來處理，沖突解決之后，繼續判斷標簽的信息，最后進行讀寫器和標簽的通信。RFID讀寫器的測試結果如下：

識別速率：一個標簽識別時間為1～5ms，多標簽識別時間取決數量多少；

識別效率：單標簽接近99%；多標簽效率，取決于標簽數量多少；

輸出功率最大：32 dBm；

識別距離可達：30～60m。

5 結束語

射射頻識別技術RFID實現物與物之間的自動識別，具有非常廣闊的應用前景。作為一項正處在快速發展中的技術，其電路設計方面還有許多可以提高的方面。本文研究了目前RFID讀寫器中電路設計中的傳統設計思路，重點針對其循環冗余校驗（CRC）電路和射頻收發模塊（RF）電路設計中的不足進行了分析，提出了新的設計思路，并進行了實現，測試結果表明，改進后的RFID讀寫器的識別效果良好。

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