（通信与信息系统专业论文）rfid与基于zigbee技术wpan融合的研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 近几年来随着r f i d 和基于z i g a e e 协议的无线个域网( w p a n ) 的飞速发展， 人们对r f i d 使用的便利性以及z i g b e e 组网的灵活性要求越来越高。本文首先 分析研究了这两种技术的特点、标准协议及实现的关键环节，从理论基础到建模 仿真，给出了实际电路的设计方案和相关软件流程、算法。然后结合u h f 频段 r f i d 和2 4 5 g h zz i g b e e 无线个域网在使用中互补性强、技术冲突小等特点，提 出把二者进行融合研究的新观点、新方法及混合型无线传感识别网络( h y b r i d w i r e l e s ss e n s o ri d e n t i f i c a t i o nn e t w o r k s ) 的实现方案。通过实验证明了二者结合的 可行性，从而把r f i d 技术由单纯节点方式的信息采集推广到在无线个域网络中 自组网、协同操作的应用，为最终实现“物联网”提供了一条简单、可行的途径。 目前，这两种技术的融合在国内外尚未见到有关应用方面的报道。 本论文的重点分别在第二章r f i d 系统设计、第三章z i g b e e 模块设计及第 四章双方接口软硬件的设计这三部分，主要开展了以下工作： 1 对u h f 频段r f i d 读写器协议进行了深入研究，自主设计了基于 i 上c + f p g a 结构的基带信息处理模块及相关控制软件流程。针对实现读写 器的关键技术，进一步设计了一种结构简单、成本较低、抗干扰性能强的 零中频读写器拓扑结构，对各级使用的关键器件进行了选型。设计、仿真 了一种矩形结构的u h fr f i d 贴片天线。 2 分析、比较了r f i d 技术中的a l o h a 和二进制树防碰撞算法及它们各自的 优劣，设计了r f i d 系统p c 机后端应用程序控制流程和用户界面。 3 基于对z i g b e e 技术、无线传感网络技术、i e e e8 0 2 1 5 4 协议和z i g b e e a l l i a n c e 标准的深入研究，对z i g b e e 中一些关键技术，如c s m a c a 算 法及系统的低功耗性能进行了讨论、分析。 4 采用a t m e l 公司的a t 8 6 r f 2 3 0z i g b e e 收发芯片设计了高性能、低功耗的 z i g b e e 硬件模块，包括p c b 板图制作，天线馈线阻抗控制，2 4 5 g h z 天 线的比较、仿真，对最终模块的射频参数进行了测试、修正。设计了基于 任务调度队列的网络协议栈构架和具体的软件流程及测试用的w p a n 网 络监听器。 5 基于上述研究成果分析了r f i d 与w p a n 融合的可行性，提出并实现了一 种具有开放性、通用性的软硬件接口解决方案，并通过具体实验进行了分 析和验证，最后展望了两种技术融合的发展前景。 关键词：r f i d ，z i g b e e ，i s o1 8 0 0 0 6 ，i e e e8 0 2 1 5 4 ，w p a n 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，w i mt h eq u i c kd e v e l o p m e n to fr f i da n dw p a nb a s e do nz i g a e e s p e c i f i c a t i o n ，t h e r ea r em o r er e q u i r e m e n t sf o r t h ec o n v e n i e n c eo fr f i da n dt h e f l e x i b i l i t yo f l l 7 v 删 a tf i r s t ，a f t e rs t u d i e da n da n a l y z e dc h a r a c t e r s ，s p e c i f i c a t i o n sa n dk e yp o i n t so f t w ot e c h n o l o 西e s ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h es y s t e mt o p o l o g y , s c h e m a t i c sa n d r e l e v a n ta l g o r i t h m s a l lt h e s ea r ec r e a t e db a s e do nt h et h e o r i e sa n dm o d e ls i m u l a t i o n s s e c o n d l y , t h e r ea r el i t t l ec o n f l i c t i o n sa n dm o r ec o m p l e m e n t sb e t w e e nu h fr f i d a n d2 4 5g h zz i g b e e s ot h ep a p e rp u t so u tan e wp o i n to fv i e w , an e ws o l u t i o na n da n e wc o n c e p to fh w s i n ( h y b r i dw i r e l e s ss e n s o ri d e n t i f i c a t i o nn e t w o r k s ) i nt h ee n d ，s o m ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov a l i d a t et h ef u n c t i o n so ft h e w h o l es y s t e m a sar e s u l t ，t h ea p p l i c a t i o no fr f i de x p a n d sf r o mo n em n # ep o i n tt o c o o p e r a t i v ew o r ki naw p a n t h i sa l s op r o v i d e sas i m p l ea n df e a s i b l eb r i d g et o r e a l i z et h ee p cw o r l di nt h ef u t u r e a n dt h e r ea r en or e l e v a n ta p p l i c a t i o nr e p o r t s a b o u tf u s i o no ft w ot e c h n o l o g i e st i l lt o d a y c h a p t e r3 ，4a n d5a r ee m p h a s e so ft h ed i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r e ： 1 t h ep a p e rs t u d i e st h eu h fr f i ds p e c i f i c a t i o na n ds y s t e ma r c l l i t e c t u r e t h o r o u g h l y 1 1 1 ep c + f p g ab a s eb a n dm o d u l ea n dar f i dr e a d e ra r c l l i t e c t u r e o fz e r o - i ft o p o l o g yh a v eb e e nd e s i g n e di n d e p e n d e n t l y ar e c t a n g l ea n t e n n ai s s i m u l a t e d 2 a l o h aa n db i n a r y - t r e ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d e n dd e v i c e c o n t r o l l i n gp r o g r a ma n du s e ri n t e r f a c eo l lp ch a v eb e e nd e v e l o p e d 3 t h es p e c i f i c a t i o n so fi e e e8 0 2 15 4 ，w s na n dz i 9 2 e ea l l i a n c eh a v eb e e n s t u d i e d k e yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sc s m a c aa n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， a r ed i s c u s s e da n ds i m u l a t e di nt h et h e s i s 4 t h ez i g b e eh a r d w a r em o d u l ea n d2 4 5 g h za n t e n n aa r ed e s i g n e d 1 1 1 er f p a r a m e t e r so ft h ef i n a lb o a r da r et e s t e da n dr e v i s e d t h ei e e e8 0 2 15 4 s o f t w a r es t a c ki sd e v e l o p e da n di n t e r c o n n e c t i n gf u n c t i o ni so p t i m i z e d 5 t h ef e a s i b i l i t yo ff u s i o no fr f i da n dz i g b e ei sa n a l y z e d o n ek i n do fo p e n a n dc o m m o ni n t e r f a c e ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i sd e s i g n e d k e y w e r d ：r f i d ，z i g b e e ，i s o18 0 0 0 - 6 ，i e e e8 0 2 15 4 ，w p a n i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：重翌旦垄日期： 学位论文授权使用声明 沙一、可6 毋6 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：谬乏1 7 日方 日期：幽：哩竺兰 导师签名西l 砰移 日期：型12 。墨：鱼 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章分别论述了r f i d 和z i g , b e e 相关技术背景及近几年来国内外发展的基 本状况、分析了它们的特点，从而引出对两种技术进行融合研究的讨论。 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1r f i d 技术特点及国内外发展近况i l 近期随r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术不断发展，其应用也在自动 化识别领域不断被推广，现在只需用一张i c 卡就能方便的搭乘公交、地铁，而 且我国的第二代身份证中也植入了r f i d 芯片，相信在不久的将来人们更可享受 到r f i d 超市自动化付费带来的便捷。r f i d 技术的起源可追溯到二战时期使用 的雷达，其基本原理是利用射频信号及其空问耦合、传输的特性，来实现对静止 或移动目标的自动识别。 射频识别系统的数据同一般的i c 卡一样也是记录在数据载体卡片之中的， 但它通过磁场或电场的方式来进行数据交换，可以在非接触条件下或是在人们没 有察觉的情况下完成数据交换。其特点有：非接触性一次可以读取多张卡片；容 易小型化，可重复使用；可工作在恶劣的环境条件下；具有穿透性和数据记忆容 量大等特点。近年来由于r f i d 技术成本的急剧下降和功能的不断提升，使得零 售业、服务业、制造业、物流业、信息产业、医疗和国防领域对r f i d 技术的关 注迅速升温。2 0 0 4 年中国标准化协会和“物联网”应用标准协会工作组做了个 调查，其结果指出未来三到五年在中国至少需要3 0 亿个r f i d 标签。r f i d 在我 国的发展既面临机遇又面临挑战，其中阻碍发展的两大瓶颈为成本和标准。 1 1 2r f i d 使用频段和相关标准 最初r f i d 在全球范围内有很多国家和大公司在研究，他们都有相对独立的 标准和无线电规范，所以缺乏统一的协议，导致了r f i d 难以大规模应用。r f i d 的标准主要是指读写器和标签之间的通信协议，数据存储的结构形式等。目前全 球r f i d 工作频段及其优缺点如表1 1 所示【2 】o 华东师范丈学硕士学位论文第一章绪论 表1 1r f i d 使用频段比较 工作频段优点缺点符合标准 i s o l l 7 8 5 标准的c o m s 工艺，通信速率低， ) 一。p 7 射援前墙 u 1 4 f r f i d 读写嚣 图2 1u h fr f i d 系统组成框图 f i g u r e2 1u h f r f i d s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 号并且形成一定范围的感应区域，当t a g 进入天线感应区时，如果场强达到一定 强度，t a g 便会发出自身的编码等信息，被读写器获取、解码后送至p c 主机进 行相关处理。 2 2u h f 频段r f i d 空气接口协j , 岌- - i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p e b 标准的 研究1 8 i 在绪论中曾经提到标准是制约我国r f l d 技术发展的一大障碍，标准是技术 的制高点，在知识产权中发挥着非常重要的作用。i s o i e c1 8 0 0 0 6 协议舰定了 两种空气接口：t y p e a ，t y p e b 。本文要研究的r f i d 系统是基于i s o i e c1 8 0 0 0 6 t y p e b 丌展的。 华东师范大学硕士学位论文 第二章u h fr f i d 系统构架的研究，设计 2 2 1 数据形式 r h d 在通信过程中有两条数据链路，一条为读写器到t a g 的链路称为前向 链路( f o r w a r dl i n k ) ；另一条是t a g 到读写器的数据链路称为后向链路( b a c k l i n k ) 。 前向链路中数据的编码格式为曼彻斯特编码，下降沿跳变代表数据“1 ”，上 升沿跳变代表数据“0 ”。数据的调制方式为o o k ( o n - o f fk e y i n g ) ，数据率为 1 0 k b i t s 或者4 0 k b i t s 。 i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p e b 是基于读写器先发送数据或命令的方式来进行通信 的，这就是说t a g 要先接收读写器命令，并j 下确解码后才能发送调制信息。读写 器的命令是以帧的形式发送的，通常包含以下几个部分： 前导码( p r e a m b l e ) 分隔符( d e l i m i t e r ) 命令代码( c o m m a n dc o d e ) 与命令代码相关的参数域( p a r e r n e t e rf i e l d s ) 与命令代码相关的应用参数域( a p p l i c a t i o nd a t af i e l d s ) c r c l 6 校验 后向链路中数据的编码方式为f m 0 编码，采用后向散射的调制方式，数据 率为4 0 k b i t s ，t a g 响应信号的格式为： 静默( q u i e t ) 返回胁导码( r a mp r e a m b l e ) 数据域( d a t af i e l d s ) c r c l 6 校验 t y p e b 协议卡的存储空间为2 5 6b y t e s ，0 - 7 号地址存储的是卡的唯一识别号 ( u n i q u et o ) 。每个卡中有一个标志位字节，其格式如表2 1 所示，这些标志位 表2 1 t a g 中状态位字节 位数名称 f l a g i ( l s b )数据交换状态标志位( d es b ) f l a g 2 写功能是否完成状态标志位( w r i t eo k ) f l a g 3 是否电池供电标志位( b a t t e r y _ p o w e r e d ) f l a g 4 电池电量是否充足标志位( b a t t e r y _ o k ) f l a g 50 ( 保留以后扩展用) f l a g 60 ( 保留以后扩展用) 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 f l a g 70 ( 保留以后扩展用) l f l a g 80 ( 保留以后扩展用) 可在读写器发送s e l e c t 或u n s e l c c t 命令时判断所用。t a g 具有四种状态；掉电 状态准备状态识别状态数据交换状态，其状态转换图如图2 2 所示。 图2 2 t a g 的状态转换图 f i g u r e2 2t a gs t a t et r a n s i t i o nd i a g r a m 2 2 2t y p e b 型卡的防碰撞算法唧 根据t y p e b 型标签内部数据存储结构及状态转换方式，读写器在进行多卡 防碰撞时采用的是二进制树搜索机制。首先这种标签须具备两种硬件结构：1 个 8 b i t 的计数器；1 个“l ”或“0 ”的随机信号发生器。 防碰撞算法的具体步骤如下： 当电子标签进入到识别状态时，它会把内部的8 b i t 计数器清0 ，一部分卡接 收到取消命令可重新回到准备状态，而其它在识别开始之前可通过选择命令处于 选中状态，被选中的标签将歼始下面三个步骤的循环： 1 1 所有处于识别状态并且内部计数器为0 的电子标签将发送它们的识别号。 2 ) 若有一个以上的标签同时发送，读写器将收到错误应答而发送失败的命令。 3 1 所有接收到失败命令并且内部计数器不等于0 的电子标签把自己的计数器加 1 ，所有接收到命令并且内部计数器等于0 的电子标签将产生一个“1 ”或“0 ” 的随机数。如果是“1 ”，它将把自己的计数器加l ，如果是“0 ”，将保持计 数器为0 ，并且再次发送其识别码。 华东师范大学硕士学位论文 第二章u h fr f i d 系统构架的研究，设计 下面将出现四种可能性： 4 ) 如果有一个以上的标签回答，将重复第2 步操作( 可能性1 ) 。 5 ) 如果所有的标签都随机选择了“l ”，读写器就接收不到任何回答，它将发送 成功命令，所有电子标签的计数器减l ，然后计数器等于0 的电子标签开始 发送，接着重复第二步操作( 可能性2 ) 。 国如果只有一个电子标签发送它的识别号，并且被正确接收到，读写器将发送 包含识别号的数据读取命令，卡正确接收到该命令后将进入数据交换状态， 接着将发送其数据，读写器返回成功命令，处于识别状态的标签计数器减l 。 7 ) 如果只有一个标签的计数器等于l 并且返回回答，重复第6 步操作，如果有 一个以上的电子标签返回回答，重复第2 步操作( 可能性3 ) 。 8 ) 如果只有一个标签返回回答，但它的识别码没有被正确接收，读写器将发送 重发命令，若识别码被正确接收，重复第5 步操作，如果识别码被重复几次 的接收，就假定有一个以上的电子标签在回答，重复第2 步操作( 可能性4 ) 。 t y p e b 二进制算法也是基于概率随机产生“0 ”、“1 ”信号来实现二进制搜索 的，但这和真正意义上的二进制搜索还是有一定区别。 2 3u h f 电子标签的基本原理i s l 埔l 在u h fr f i d 系统中，读写器和电子标签之间的距离有几米到十几米，而载 波的波长仅为3 0 几厘米，读写器和电子标签之间的能量传递方式为反向散射调 制。一般 过程为：读 l 一一，一 t 。艇啦i u 踏 一 图2 3u h f 频段无源电子标签的结构框图 f i g u r e2 3u h fp a s s i v et a gs t r u c t u r ed i a g r a m 写器首先发射载波信号，激活作用范围内存在的标签。读写器发送带有凋制信息 的信号后，被激活的标签能够解调出调制信息，然后根据指令作出萨确响应，最 华东师范大学硕士学位论文 第二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 后读写器把标签传回的信息通过后面章节将要讲到的基于z i g b e e 技术的w p a n 网络传回到服务器。让服务器上的应用程序对这些数据进行处理。 2 3 1 读写器到电子标签的能量传输 u h f 频段无源标签的作用距离与很多因素有关，归纳下来主要有两方：标 签的激活功率和读写器的灵敏度。距离读写器r 处的电子的标签功率密度为： s = 监4 z f r 2 = 4 e 枷1 r p 2 ( 2 1 ) 式中珞为读写器的发射功率，q ，为发射天线增益，r 是标签到读写器的 距离，e i r p 为天线有效辐射功率。当标签天线与读写器天线最佳对准及极化匹 配时，电子标签可吸收的最大功率与入射波的功率密度s 成正比，其表达式为： = 4 s ( 2 - 2 ) 其中42 毛，g o 为电子标签的天线增益，所以上式可进一步分解： 铆= 笔s = 峨 去 2 ( 2 - 3 ) 无源标签通过电磁场供电，标签功耗越大，读写距离越短，性能越差。射频 标签是否能够工作主要由其工作电压决定，目前电子标签典型的工作电压在1 2 v 左右，标签本身的功耗可以低至5 0 i _ t w 甚至5 “w ，这就使u h f 无源标签读写距 离在无线电发射功率限制的条件下可达1 0 m 以上。 2 3 2 电子标签到读写器的能量传输 p b a e k - = 跏= 生4 7 r 嘞r - - - - - - t - 盯= 器仃 ( 2 - 4 ) 返回读写器的功率密度为： = 妞( 4 万) 2 r 4 ( 2 - 5 ) 接收天线的有效面积a 。= g 0 ( 4 疗) ，其中g 0 为接收天线的增益，可以得 h 栳收助率为： 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 = = 错 ( 2 - 6 ) 从上式可看出反向散射的r f i d 系统的作用距离与读写器发送功率的四次方 根成正比。 2 4u h fr f i d 读写器构架设计8 l l g l l l o i i n i l l 2 1 1 1 3 i u h f 频段r f i d 读写器主要由本地振荡器、发射机、接收机、基带信号处理 模块这几个部分组成，而且是整个r f i d 系统最为关键的部分，它性能的优劣直 接决定了整个r f l d 系统最终性能的好坏。 、 系统的顶层框图及各模块之间的信号连接方式如图2 4 所示，r f i d 系统要 正常运作，上面提及的几个组成部分应该能够协同工作。一般设计一个系统时可 以采用由局部到系统的从下至上的设计方式，也可采用由系统到局部的从上至下 的设计方法，这两种方法都是工程设计中经常使用的，看具体情况和个人习惯而 定。本文在分析设计u h fr f i d 系统时主要采用后一种设计方法。 图2 4r f i d 系统的顶层信号连接图 f i g u r e2 4r f i ds y s t e mt o pl e v e ls i g n a lc o n n e c t i o nb l o c kd i a g r a m 2 4 1 本地振荡器和p l l 频率综合器 本地振荡器的作用是为发射机提供精准的载波信号，或给接收机提供作为解 调用的参考频率。通常用锁相环( p l l ) 来产生高精度的频率信号，因为锁相环具 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f l d 系统构榘的研究、设计 有优良的性能：锁定后无剩余频差；具有良好的窄带跟踪特性；优良的相位噪声。 评价一个锁相环频率合成器的主要性能指标有： 1 ) 频率范围。频率合成器输出的最低频率丘到最高频率厶的范围。称 k = _ j n , 为覆盖系数，当k 太大时需要分成几个频段来实现。 厶 2 ) 频率间隔厶与信道总数。 3 ) 转换时间。从一个频率值转换到另一个频率值并达到锁定状态时所花时问。 4 ) 噪声。表征了输出信号的频谱纯度，一是相位噪声，二是寄生干扰。 锁相环路在设计时还要根据指标来确定环路的两个重要参数：环路增益 a = a o 叫d 和环路的固有角频率，然后再根据这两个参数来计算环路其他元件 的参数。 增益a = a o 幼扣主要根据稳态相位误差和同步带来确定。 环路固有角频率。为了减小外部输入噪声引起的相位抖动，环路带宽应尽 可能小。为了减小由信号调制而引起的相位误差，减少压控振荡器的噪声引 起的输出相位抖动并获得较好的跟踪捕获性能，要求环路带宽尽可能大，同 时也要兼顾环路的稳定性。 稳定性。相位裕量一般要求在3 0 。7 0 。之间，相位裕量越大稳定性越好， 但是太大的相位裕量限制了建立时间的改善，一般4 5 。比较合适。 现代通信系统中数字集成锁相环被广泛的使用，内部一般把鉴相器和电荷泵 组合在一起代替鉴相器与低通滤波器的组合。这样做的优点是：捕获范围仅仅由 压控振荡器的输出频率范围所决定；如果忽略了失配与偏差，静态相位误差为0 。 和简单的锁相环路相比，数字频率合成器中插入了一个可编程的分频器，其原理 框图和数学模型如图2 5 所示。当环路锁定时，进入鉴相器的两个信号频率相等， 即厶= 五+ 形，v c o 的输出频率是参考频率的倍，参考频率一般是频率非 常稳定的晶体振荡器，改变分频数，即可调整输出信号的频率。 j 一一鉴牛h 器( p d ) - 4 环路滤波器l p fi - 4 压拧振荡嚣v c o 【 。“ 1 一一j j 一一，一一一f 一0 分频一 一一j 咻0 、 f 棚 ， d p ) j n 分频 图2 5 数字频率合成器的框图和数学模型 华东师范大学硕士学位论文第二章u i fr f i d 系统构架的研究、设计 f i g u r e2 5d i g i t a lp l l b l o c kd i a g r a ma n dm a t hm o d e l 从v c o 输出时的闭环传递函数为： ( ，) ：蛀：壶兰兰竺( 2 7 ) 仍j + 吉a o a , a a 曲 本设计的数字频率合成器采用国家半导体公司生产的数字频率合成芯片 l m x 2 3 1 5 1 4 4 1 ，它的主要特点为最高工作频率可达1 2 g h z ，内部的分频数为6 4 6 5 ， 线性度非常好，工作状态也比较稳定，而且具有较低的功耗。 数字频率合成模块的原理如图2 6 所示，数据线、使能线、时钟线由单片机 图2 6 数字频率合成模块的原理图 f i g u r e2 6d i g i t a lp l l m o d u l es c h e m a t i c c 8 0 5 1 f 1 2 6 的s p i 接口控制。控制过程为，当频率锁定后，由l d 端向c 8 0 5 1 f 1 2 6 送出锁定信号，结束频率控制；9 0 2 m h z 的v c o 根据l m x 2 3 1 5 设罱好的频率 把载波锁定到所需要的频点上，然后送入功率分配器b p 2 c 一分为二，一路信号 供给调制用的载波信号，另外一路是供给解调用的本振信号。功率分配器b p 2 c 由m i n i c i r c u i t s 公司生产，其基本特性有： 0 6 d b 的插入损耗 2 5 d b 的高隔离度 工作温度范围可达4 0 8 5 最高输入功率为1 5 w 内部散热性可达0 3 7 5 w 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 2 4 2 基带信号处理和控制模块的研究 本系统的基带信号处理和控制模块采用单片机加上f p g a 的方式( p c + f p c a ) ，系统结构框图如图2 7 所示。 图2 7 基带信号处理和控制模块的结构框图 f i g u r e2 7b a s eb a n dp r o c e s s o ra n dc o n t r o lm o d u l es t r u c t u r eb l o c kd i a g r a m 这部分主要由两块核心处理芯片构成。一块是s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的 c 8 0 5 1 f 1 2 6 1 4 5 1 ，这是一块高度集成的m c u ，具有“个通用i o 口，包括了5 0 m i p s 的高速流水线型与8 0 5 1 兼容的微处理器，有1 2 b i t 的1 0 0 k s p s 的a d c ，1 2 8 k b 的在线可编程的f l a s h ，8 k + 2 5 6 字节的片上r a m ，具有s p i 、1 2 c 及2 个u a r t 接口，5 个1 6 b i t 的通用定时器。其主要功能是信号检测、功率控制、数字频率 合成控制、配置f p g a 、控制e 2 p r o m 的读写和上位机进行通信等。 数模转换通道d a c o 控制天线输出功率的大小，d a c l 控制检波比较参考电 压的大小。p o 6 、p 0 7 为u a r t 接口，与m a x 2 3 2 连接后完成和z i g a e e 模块之 间的串行通信。p o 5 、p 0 6 为1 2 c 接口，实现对e 2 p r o m 存储器的读写操作。调 试仿真用的j t a g 口由t m s 、t c k 、t d i 、t d 0 这几个引脚组成。数字频率合成 模块的控制端口为p i 4 接时钟线c l k ，p 1 5 接数据线d a t a ，p 1 6 接频率锁定 脚l d ，p 1 7 接选通线l e 。其余的i o 口保留一部分，作为与f p g a 之间通信所 用。其控制程序流程图如图2 8 所示。 c 8 0 5 1 f 1 2 6 上电以后首先进行各种参数的初始化，并读取e 2 p r o m 中保存的初 始化参数，接下来循环等待应用程序发送控制命令或接收f p g a 解调好的信息。 p c 后端可通过z i g a e e 组成的无线网络向c 8 0 5 l f l 2 6 发送读写卡命令，然后 c 8 0 5 1 f 1 2 6 把读写命令转发给f p g a ，让f p g a 产生相应的控制、调制信息。如 果要进行频率控制，就通过控制信号线发送控制命令给数字频率合成模块调整载 波的频率。功率控制通过单片机内部1 2 位a d 产生控制电压，从而控制功放模 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 块的参考电压以产生不同大小的输出功率。另外一个内部1 2 位a d 用来控制解 调比较参考电压，这样做是为了减小由于距离远近或功率大小改变而引起的接收 电压大小的波动。这些参数值每次设定好以后都被存储在e 2 p r o m 里，掉电或 图2 8c 8 0 5 1 f 1 2 6 的程序流程图 f i g u r e2 8c 8 0 5 1 f 1 2 6p r o g r a mf l o wc h a r t r e s e t 后，系统能再次把它读出来作为仞始化参数。每次命令通信成功已否的 信息可以通过网络发送到主机，让操作者判断，以便进行下一步动作。 f p g ax c 2 s 5 0 舶l 具有1 7 2 8 个逻辑单元，5 力1 个逻辑门及3 2 k b i t 的片上r a m 。 它完成的主要功能是，射频卡和读写器之问的通信协议处理，读写器和主机之间 的通信协议处理。它将主机的渎写命令按协议编码，然后把数据编码调制到载波 上。同时还要解调电子标签返回的数据并回送到主机，这样做的好处是增强了数 华东师范大学硕士学位论文第_ 二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 据通信的准确性并提高了信息处理的速度。通信协议处理框图如图2 9 所示。 图2 9f p g a 通信协议的处理框图 f i g u r e2 9f p g ac o m m u c i c a t i o np r o t o c o lp r o c e s sb l o c kd i a g r a m 基带信号处理和控制模块的最终原理图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 心+ f p g a 控制模块原理图 f i g u r e 2 1 0 t c + f p g a c o n t r o lb l o c kd i a g r a m 2 4 3 发射机的研究 发射机的主要功能为产生载频为9 0 2 9 2 8 m h z 范围的稳定载波信号，以 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 o o k 方式进行调制。经功率放大后由天线发出，其作用是作为射频标签的询问 信号或作为提供射频标签工作能量的载波信号 1 ) 各种发射机结构性能的比较 发射机一般是对信号进行调制、滤波、放大，发射机方案可以简单的分为两 种：1 ) 直接变频发射机，2 ) 两次变频发射机。 直接变频发射机的载波频率和本地振荡器的频率相同，调制和频率变换在同 一个电路中完成，如图2 1 l 所示。这种结构有一个明显的缺点是经过功率放大 i 基带 q 基带瑟爹恒m 玉 图2 1 l 直接变频发射机 f i g u r e2 1 1d i r e c tf r e q u e n c ec o n v e r tt r a n s m i t t e r 的信号会泄漏或反射回来，引起本振的扰动。由于p a 输出是一个调制波形，具 有很高的功率而且频谱的中心在本振频率附近，尽管可以采用各种保护技术来隔 离压控振荡器，但是p a 的噪声输出仍可能破坏振荡器的频谱。 解决上面这个问题的一种方法是采用两次变频的结构，使功率放大器输出的 频谱远离v c o 的频率，其结构如图2 1 2 所示。这种结构的缺点是第二个上变频 后面的带通滤波器必须具有很大的带外抑制系数，一般是5 0 6 0 d b 。 i 基带 q 基带 _ 峄， 一b 睦叫爹证配网络h 巅跫一! j 图2 1 2 两次变频发射机 f i g u r e2 1 2t w os t a g ef r e q u e n c ec o n v e r tt r a n s m i t t e r 在设计发射机时需要考虑的主要指标有： 1 ) 平均载波功率。这罩主要指的是发射机输出的平均功率，本系统要求b 。小 于等于3 0 d b m 。 2 ) 发射包络。l o s1 8 0 0 0 6 协议中对载波信号上升沿、下降沿及幅度平坦度都 作了详细规定。 3 ) 功率控制。读写器和电子标签之间由于距离远近不同的关系，必须对发射功 率进行控制，一方面要提供电子标签工作时所需能量，另一方面也要进行功 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 率控制，避免强信号进入接收机而引起增益压缩。 4 ) 交调衰减。由于电路的非线性，发射机的载波信号和通过天线进入的干扰产 生了交调分量，交调衰减是衡量发射机对此干扰抑制的能力，它等于有用信 号的功率电平与该发射机的发射带宽内产生的最高交调分量功率电平之比。 5 ) 频率精度。实际发射频率与标准频率之间的偏差。 2 ) 发射机的仿真设计 出于成本、设计周期和设计难度考虑，本文采用直接交频发射机，其框图如 图2 1 3 所示 图2 1 3 发射机方框图 f i g u r e2 1 3t r a n s m i t t e rb l o c kd i a g r a m o o k 调制用的开关采用m i n i c i r c u i t 公司生产的高隔离度g 以开关，型号 为k s w h a 1 2 0 1 4 y l ，其特性有： 工作频率1 0 0 m h z 1 0 0 0 m h z 。 插入损耗：1 3 d b 。 l d b 压缩点1 9 d b m 。 输入隔离度6 5 d b 。 开关速度：9 0 r f7 n s ，1 0 r f3 n s 。 驻波比最大为1 5 ：1 。 控制电压电平下r l 。 最大输入射频功率+ 2 7 d b m 。 功率放大器选用h i t a c h i 公司的g s m 通信专用m o s 场效应管放大器 p f 0 1 4 1i b 柏1 ，其特性有： 工作频段8 8 0 m h z 9 1 5 m h z 工作电压为3 5 v 0 d b m 的输入功率 输出功率3 5 5 d b m 时效率可达4 5 增益控制范围可达7 0 d b 本文选用a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 公司的a d s t ”1 作为系统的仿真工具。其优点 为，既可以通过建模从器件特性的角度进行仿真，也可通过半实物仿真子系统对 整个系统进行仿真。a d s 中发射机建模如图2 1 4 所示，图2 1 5 为仿真得到的结 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f i d 系统构架的研究、设计 果，此时信号的调制度约为9 0 ，载波信号为9 1 5 m h ，可见输出载频附近已包 含了调制信息。 意pi t 。o n o e f a 脚l l = ln s s c r n t x n - 2 2 = 5 0 0 h m p 础f d h 州1m f m q , 9 1 5 地 图2 1 4 发射机a d s 模型 f i g u r e2 1 4t r a n s m i t t e r a d sm o d e l 巳? ；! 。l畦! d 上! 业上= 生_ ! 型 4 1ttf ftoff f1 调制波形输出信号频谱 图2 1 5 发射机仿真结果 f i g u r e2 1 5t r a n s m i t t e rs i m u l a t i o nr e s u l t s 2 4 4 接收机的研究0 1 q ( 1 ) 接收机结构性能的比较 接收机与发射机的功能正好相反，它是要从众多的电波中选出有用信号，并 且放大到解调器所要求的电平值，再由解调器将频带信号变为基带信号。由于传 输路径上的损耗和多径效应，接收机接收的信号是微弱而且变化的，并伴随着许 多干扰。基本的接收机结构可分为两种：超外差接收机和零中频接收机。 1 1 超外差( s u p e rh e t e r o d y n e ) 体系结构自1 9 1 7 年i 扫a r m s t r o n g 发明以来，已被广泛 采用。图2 1 6 为超外差接收机的结构框图，在此结构中天线接收的射频信号先经 孽 华东师范大学硕士学位论文第二章u h fr f i d 系统构槊的研究、设计 图2 1 6 超外差接收机结构框图 f i g u r e2 1 6s u p e rh c t e r o d y n er e c e i v e r b l o c kd i a g r a m 过射频带通滤波器( r fr e f ) 、低噪声放大器( l n a ) 和镜像干扰抑制滤波器( 取 f i l t e r ) 进行第一次下变频，产生固定频率的中频( i f ) 信号。然后中频信号经过中频 带通滤波器( i fb l v ) 去除邻近信道的信号，再进行第二次下变频得到所需的基带 信号。低噪声放大器( l n a ) 前的射频带通滤波器衰减了带外信号和镜像干扰。第 一次下变频之前的镜像干扰抑制滤波器用来抑制镜像干扰，将其衰减到可接受的 水平。使用可调的本地振荡器( l o t ) ，将频谱下变频到一个固定的中频。下变频 后的中频带通滤波器用来选择信道，称为信道选择滤波器。此滤波器在确定接收 机的选择性和灵敏度方面起着非常重要的作用。第二次变频为正交变频，将产生 同相( i ) 和正交( q ) 两路基带信号。 超外差接收机的优点为：( 1 ) 中频信号比载频低的多，在中频实现对有用信 道的选择要比在载波频段对滤波器q 值的要求低很多。( 2 ) 超外差接收机中，接收 机的总增益分散到了高频、中频和基带三个频段上，而且载频降为中频后，在较 低的固定中频上做窄带的高增益放大器要比在载波频段上做高增益放大器容易 和稳定。( 3 ) 在较低的