（信号与信息处理专业论文）基于uhf的rfid读写器设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着计算机的广泛应用，自动识别技术已经在各行各业发挥着举足轻重的作 用。但是作为此技术之一的条形码，虽然因其价格便宜仍被大量应用，但其存储 能力小，保密性差等缺点，已无法充分满足当今高速的信息社会的要求。取而代 之的将会是新一代r f i d 电子标签。 电子标签作为集半导体，高频技术，电磁技术，数据加密技术等集于一身的 高科技产品，以其非可视读写，大容量存储，信息高保密性等优点，加快了整个 社会的信息化进程，在国民各经济扮演着重要的角色。 本课题的研究内容是设计一个超高频电子标签的读写器。此设计摒弃了目前 市场上的专用读写器芯片，完全采用分离器件进行设计。通过分析协议中对调制 参数的要求，本设计没有采用广泛应用的正交调制，而是采用成本更低可控增益 放大器( v g a ) 芯片进行a s k 调制取得了很好的调制效果。其产生的波形完全符 合协议要求，并且能够被电子标签识别，实现了与电子标签的通信，达到了低成 本设计的要求。 本论文，从协议分析，芯片选取，到硬件、软件的设计，对整个课题的设计 过程进行了详细的介绍，并给出了设计时所需要注意的地方及部分理论支持。 关键字：射频识别超高频读写器可控增益放大器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r s ，t h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y p l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si nk i n d so fa r e a s t h eb a rc o d et e c h n o l o g y w h i c hi ss u c ho n eo ft h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi ss t i l la d o p t e dw i d e l yi n m a n yf i e l d sb e c a u s eo fi t sl o wp r i c e h o w e v e r , w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to ft h e s c i e n c ea n dt h et e c h n o l o g y , t h eb a rc o d et e c h n o l o g yc a l l tm e e tt h eh i g hd a n a n d so f t h ei n f o r m a t i o nf o rt h ed e f e c to fs m a l l s t o r a g ea n dp o o rs e c u r i t y t h er f l de l e c t r o n i c t a g se m e r g e 嬲t h et i m er e q u i r e sa n dw i l lr e p l a c ei ti nf u t u r e a sah i 班一t e c hp r o d u c tw h i c hc o m b i n e sm a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha ss e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , h i g h f r e q u e n c yt e c h n o l o g y , e l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g y , d a t ae n c r y p t i o n t e c h n o l o g ya n ds oo n , r f i de l e c t r o n i ct a g st e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n ti nn a t i o n a le c o n o m ya n di tw i l la c c e l e r a t et h ep r o c e s so fm o d e r n i z a t i o ni n c h i n a i nm yr e s e a r c h , if o c u so nt h ed e s i g no far f i di n t e r r o g a t o r am e t h o do fc o m p l e t e s e v e r a ls e p a r a t e di ci sa d o p t e di nm yd e s i g nw h i c hr e p l a c e sa s i cf o ru h fr f i d i n s t e a do fu s i n gt h em e t h o do ft h ep o p u l a rq u a d r a t u r em o d u l a t i o n , ia d o p tt h el o w e r c o s tc o n t r o l l a b l eg a i na m p l i f i e r 心g 吣c h i pf o rm o d u l a t i o na f t e ra n a l y z i n gt h e r e q u i r e m e n t so fm o d u l a t i o np a r a m e t e r si np r o t o c o l ，a n dw eg e tt h es a t i s f i e dr e s u l t s t h ew a v e f o r m sf r o mc h i pa c c o r dw i t ht h ep r o t o c o lr e q u i r e m e n t st o t a l l ya n dn l e ya r e a b l et ob ei d e n t i f i e db yt h ee l e c t r o n i ct a g s i naw o r d ，t h i sd e s i g nc a na c h i e v et h e c o m m u n i c a t i o n sw i t he l e c t r o n i ct a g sa sw e l la sm e e t i n gt h er e q u i r e m e n to fl o wc o s t i nt h i sp a p e r , ig i v et h ed e t a i li n t r o d u c t i o ni n c l u d i n go fp r o t o c o la n a l y s i s ，e l e c t i o n o fc h i p s ，d e s i g nm e t h o d sb o t hi ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n dt h ew h o l es y s t e md e s i g n b e s i d e s ，ia l s og i v et h et h e o r e t i c a ls u p p o r ti ns o m en o t e w o r t h yp a r t so ft h ed e s i g n 2 k e yw o r d s ：r f i d ，u h f , 1 n t e r r o g a t o r , v g a 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乏维 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：匀翠导师签名： e t 期：坐 山东大学硕士学位论文 1 1 自动识别技术概述 1 1 1 自动识别技术简介 第一章绪论 自动识别技术f l 】是应用一定的识别装置，通过识别物品和识别装置之间的接 近活动，自动的获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来 完成相关后续处理的一种技术。自动识别技术是以计算机技术和通信技术的发展 为基础的综合性科学技术，它是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法 和手段。归根到底，自动识别技术是一种高度自动化的信息或者数据采集技术。 随着科技的飞速发展，大规模集成电路的应用，国际经济的合作化，对信息 输入的准确性，便捷性，快速性提出了很高的要求。自动识别技术因其数据采集 的便利性和准确性，低复杂度性等特点，充分满足了当前信息服务的要求，对各 个行业的信息化建设起到了巨大的推动作用，在全国信息化和商业，物流，制造 业，交通运输业，工业，仓储，安全检测，餐饮旅游，票证管理以及军事装备等 国民经济的各个领域扮演着重要的角色。 条形码，作为已经广泛应用在日常生活中的识别技术，给人类社会带来了莫 大的方便，为物品的识别提供了有效而简便的途径，其意义已深入人们心。但是 其也有许多缺点，如保密性差，易于仿造，读写时距离较近，并且必须可视化读 取等等。在继承其优点，摒弃其缺点的基础上，提出了r f i d 技术，用r f i d 标 签替代以往条形码，使识别技术达到了质的改变。 r f i d 标签具有体积小容量大u 1 ，寿命长，可重复使用，保密性高等特点。 可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。 r f i d 技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内的物品跟踪与信息 共享。r f i d 技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与 运作效率，降低成本。随着相关技术的不断完善和成熟，r f i d 产业正在成为一 个新兴的高技术产业群，极大的促进国家经济的发展，为人们日常生活带来了很 大的便利。如a b e r d e ng r o u p 的研究报告称p 1 ，在应用程度级别在前2 0 的零售 3 山东大学硕士学位论文 企业，其库存补给周期减少3 0 ，偷盗事故减少4 2 ，收银台处顾客平均等待 时间减少2 5 ，商品损坏率和降价率减少2 5 。通过以上数据充分说明了r f i d 研究应用的重大意义。 1 1 2 自动识别技术分类 自动识别技术可以根据数据采集技术和特征提取技术分为两类【4 1 。如果按照 数据采集技术，可以分为：条码，矩阵码，磁条，微波，r f i d 射频等；如果按 照特征提取技术，可以分为：视觉识别，声音，键盘敲击，生物抗体病毒特征等。 1 2r f id 技术概述 1 2 1 r f id 技术简介 r f i d 是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 的缩写，即无线射频识别。 是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取 相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。r f i d 技术可识 别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，并具有较高的保密 性【5 】。 从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模 型( 初级与次级之间的能量传递及信号传递) ，在高频段基于雷达探测目标的 空间耦合模型( 雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收 机) 。1 9 4 8 年哈里斯托克曼发表的”利用反射功率的通信”奠定了射频识别技 术的理论基础。 对一个r f i d 系统来说，按照工作频率的不同，r f i d 标签可以分为低频 ( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波等不同种类。不同频段的r f i d 工作原 理不同，l f 和h f 频段r f i d 电子标签一般采用电磁耦合原理，而u h f 及微波 频段的r f i d 一般采用电磁发射原理。 4 山东大学硕士学位论文 1 2 2r f i d 的发展 射频识别技术的发展可按十年期划分如下 6 1 ： 1 9 4 0 - 1 9 5 0 年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1 9 4 8 年奠定了 射频识别技术的理论基础。 1 9 5 0 - 1 9 6 0 年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研 究。 1 9 6 0 - 1 9 7 0 年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了些应用尝试。 1 9 7 0 - 1 9 8 0 年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射 频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用。 1 9 8 0 - 1 9 9 0 年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用 开始出现。 1 9 9 0 - 2 0 0 0 年：射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品 得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 0 年后：标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富， 有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本 不断降低，规模应用行业扩大。 至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签 识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识 别技术与产品正在成为现实并走向应用。 1 2 3r f id 现在的研究状况 在实际应用中，比较常用的是1 3 5 6 m h z 、8 6 0 m h z - 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 等 频段。近距离r f i d 系统主要使用1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 等l f 和h f 频段，技术 最为成熟；远距离r f i d 系统主要使用4 3 3 m h z 、8 6 0 m h z - 一9 6 0 m h z 等u h f 频段， 以及2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等微波频段，目前还多在测试当中，没有大规模应用。 r f i d 产业链主要由以下几个部分组成：标注制定、芯片设计、标签封装 ( 含天线的设计) 、识别系统的设计与生产、系统集成与管理软件开发、下 面从几个方面介绍国内r f i d 产业链的现状。在标准制定方面，国家标准委 5 山东大学硕士学位论文 已经联合科技部、信息产业部以及上海标准化研究院等十四个部委，共同进 行中国r f i d 标准的研究，并已形成中国r f i d 技术政策白皮书【7 1 。现在， 我国已经完成了对动物应用r f i d 标准草案的起草。在芯片设计与制造方面， 目前已经有上海华虹、上海复旦微电子、上海贝岭等企业涉足，在天线设计 与制造方面，中国电子科技集团第五十研究所等专业院所正在专门对不同频 段的天线进行研究；在读写设备方面，上海华中智能、深圳远望谷都在进行 研发，已经开发出了9 0 0 m h zr f i d 超高频的读写器；在系统集成和数据管理 软件平台方面，上海交通大学和a u t o i d 中国实验室已和s a p 合作，正在进 行电子标签中间件的开发；在应用系统开发方面，上海海鼎对r f i d 在商业流 通领域的应用进行开发，上海通用卫星导航有限公司正在尝试将r f i d 运用于 航空物流管理，上海国际港务正在进行r f i d 在集装箱管理中的应用测试。另 外，北京维深电子、江苏瑞福和江苏盛科也参与其中。在r f i d 测试技术方面， 科技部正在联合建设国家的电子标签测试，提供最新的r f i d 技术测试和应用 测试，为行业应用提供示范和服务。 1 2 4 r f i d 的应用 目前国际上广泛采用的频率分布于4 种波段，低频( 1 2 5 k h z ) 、高频 ( 1 3 5 6 m h z ) 、超高频( 8 5 0 m h z 9 1 0 m f z ) 和微波( 2 4 5 g h z ) 【引。每一种频 率都有它的特点，被用在不同的领域。低频( l f ) 其对写距离一般小于0 5 m ， 所以应用在门禁系统和动物检测方面；高频( h f ) 读写距离小于l m ，常应用 图书馆，门禁系统，运输，货架，运输等领域；微波( m w ) ，读写距离小于 1 m ，常用在集装箱，收费站等领域 9 1 。超高频读写距离4 一l o m 。由于其读写距 离最远，所以其应用范围也最广，主要应用为： 1 供应链上的管理和应用 2 集装箱的管理和应用 3 航空包裹的管理和应用 4 生产线自动化的管理和应用 5 铁路包裹的管理和应用 6 山东大学硕士学位论文 后勤管理系统的应用 1 3 本课题研究的意义 目前国内也有许多u h fr f i d 设计方案，主要分为采用专用芯片和采用分 离器件两种模式。u h fr f i d 专用读写器芯片目前世界只有i n t e l 公司的 r 1 0 0 0 ，w j 公司的w j 2 0 0 ，和奥地利微电子a g 公司的a s 3 9 9 0 ，a s 3 9 9 1 ，虽然基 于此芯片的设计比较简单，只需要简单的匹配电路，但是其对生产企业的入 门要求比较高，不但不利于射频识别的普及，而且核心技术被国外把持，不 利于我国的u h fr f i d 的发展与壮大。另一种采用分离器件的设计方式。目前 国内其主要是基于专用的正交调制与解调芯片对载波信号进行调制与解调。 此种设计不光需要价格昂贵的调制解调芯片，而且还需要高速模数和数模芯 片。这样必然造成整个系统的设计成本较高。 本课题设计的意义在于方案是全部采用分离器件，不采用专用r f i d 读写 芯片。并且在调制上采用可控增益调制的方式单芯片对载波信号进行调制， 采用无源的混频器件进行混频得到基带信号。基带控制部分采用f p g a 控制。 通过这种方式，不但可以实现本设计要求的1 8 0 0 0 6 c 的协议标准，而且通过 软件修改，也可以使用如1 8 0 0 0 6 b 的协议。此设计，读写器成本上大大降低， 加速射频识别整个社会中的应用。 由于本课题组之前从未涉及射频方面的设计，尤其是超高频，所以此超 高频读写器的设计，不仅是单一的读写器的设计，而且是迈向射频设计的第 一步，为以后的射频电路设计打下一定的基础。并为以后需要研究设计的低 功耗手持读写器及r f i d 专用基带芯片设计做铺垫及方案的验证。 1 4 本文结构安排 本文通过硬件设计，软件设计，和系统调试等几部分对u h fr f i d 读写器的 设计进行了详细的阐述。全文共分为五章。 第一章为绪论，简要介绍了自动识别技术和射频识别技术。并对本课题的研 究意义进行了表述。 第二章从整体上简述了超高频射频识别系统的组成，对本课题所研究的各个 7 山东大学硕士学位论文 部分进行了功能性叙述，并提出本课题的设计目标及要求。 第三章结合国家超高频i 疆i d 通信协议，叙述了本课题的硬件原理图设计和 p c b 设计，并根据个人经验提出了在设计过程中的注意事项。 第四章主要介绍了f p g a 和单片机中各个软件模块的功能，并给出了设计中 的仿真波形。 第五章主要介绍了各个部分的调试，并对调试中的数据进行了简单的分析。 山东大学硕士学位论文 第二章u h fr f i d 系统概述 2 1 超高频射频系统的组成 2 1 1 系统组成 u h fr f i d 系统由三部分组成： 标签( t a g ) ：由天线及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着 在物体上标识目标对象；电子标签能够贮存相关物体的数据信息( 约1 k b i t s ) 。在自动识别管理系统中，每一个电子标签中保存着一个物体的属性、 状态、编号等信息。电子标签通常安装在物体表面，具有一定的无金属遮挡 的视角。 读写器( i n t e r r o g a t o r ) ：读写标签信息的设备，可设计为手持式或固 定式，其主要功能是： 1 0 l 一查阅电子标签中当前贮存的数据信息； 一向空白电子标签中写入欲贮存的数据信息； 一修改( 重新写入) 电子标签中的数据信息。 电脑终端：其通过跟读写器的通信，得到电子标签的信息以及向读头输 送需要写入电子标签的信息。并对各个电子标签的信息进行分析，做出各种 判断及相应的操作，并对用户提供一个可视化的结果。 如图2 1 所示 镑 读写器 图2 1u h fr f i d 系统结构 9 山东大学硕士学位论文 2 1 2 系统工作流程 射频识别系统的基本工作流程如下 1 q ： 1 读写器将已调制好的无线载波信号通过天线向外发射，如果是无源标 签，发射的信号将为标签提供能量； 2 当电子标签进入发射天线的工作区后，电子标签被激活，如果标签没 有被灭活，则标签进入就绪状态，准备下一步的操作，并对读写器的各种指 令做出相应的判断和响应； 3 天线接收到电子标签发送的载波信息，经过解调，得到相应的二进制 信息，再由读写器传给电脑终端； 4 电脑终端根据事先设定的规范，对各个电子标签所返回的信息进行处 理，执行不同的操作； 5 各个电脑终端机也可以通过网络对采集到的信息进行共享。 2 2u h fr fid 标签的介绍 2 2 1 标签基本原理介绍 电子标签含有被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品上， 它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触式方式读写。从功能上来说， 电子标签一般含有天线，调制器，时钟，编码发生器，以及存储器这几个部 分。时钟将电路时序化，使存储器中的数据在精确的时间内被传送到读写器； 存储器中的数据是应用系统规定的唯一性编码，在电子标签被安装在识别对 象上以前已被写入。数据读出时，编码发生器把存储器中存储的数据编码， 调制器接收有编码器编码后的信息，并通过天线电路将此信息发射或反射到 读写器。数据写入时，由控制器控制，将天线接收到的信号解码后写入到存 储器。 1 0 当查查兰至圭兰堡堡圣 222 标签种类介绍 标签的种类繁多，样式多样。按供电方式，分为有源的，无源的；按照 工作方式，分为主动式标签，被动式标签；按照读写方式，分为只读型，读 写型；按照封装材质分为纸标签，塑料标签，玻璃标签：按照封装形式， 分为信用卡标签，线形标签，盘形标签，自粘标签，片上线圈，钥匙扣标签。 手表形标签；按照封装加工方法，分为模块制造，电子标签半成品，整合成 品。各种形状的，以适应不同行业的要求。部分标签如图2 2 廷丑 窿1 酒舅- 墨盛曩墨_ 图2 2 各种标签 2 3u h fr f i d 读写器的介绍 超高频读写器是通过电磁耦合方式进行数据传输的，其由天线，射频部 分，基带控制部分，电源部分组成。 ( 1 ) 天线 天线是发射和接收射频载波信号的设备，在确定的工作频率和带宽条件 下，天线发射由射频模块产生射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射 频载波。u h f 频段的读写器其天线一般采用辐射天线形式1 1 2 。天线的极化方 式有多种，比如线极化，圆极化等。不同的极化方式根据不同的应用目的来 进行选择。由于大部分标签是无源标签，返回来的信号比较弱，所以一般选 择灵敏度比较高的天线。 ( 2 ) 射频部分 焉冒 山东大学硕士学位论文 射频模块是由射频振荡器，射频处理器，前级放大器，功率放大器，解 调模块等部分组成。其用读写模块传送过来的基带信息对载波进行调制，经 过功率放大器放大，达到所要求的功率，经过天线发射出去。对于从天线接 收过来的电子标签返回来的信息，经过解调模块进行解调，然后将得到的信 息传送给读写部分，进行相应的处理。 ( 3 ) 基带控制部分 读写部分一般有放大器，纠错电路，同步电路，时钟电路，标准接口， 微处理器组成。其根据不同的标签，产生不同的指令信息，发送到射频模块， 同时也将接收过来的信号进行同步处理，纠错，以及电子标签防冲突处理， 完成电子标签的读写。并将这些信息通过标准接口传送给电脑终端。 ( 4 ) 电源部分 在超高频读写器中，电源部分是极其关键的部分，其为微处理器及各种 射频芯片提供平稳的电压电流。为了使电源对射频信号的干扰尽可能的低， 必须使用超低噪声的芯片，并且要考虑到所提供的功率是否满足芯片的要求。 2 4u h fr fid 读写器的设计 2 4 1u h fr f i d 读写器的工作原理 超高频读写器与电子标签采用的是半双工的询问应答方式进行通信的 按照国家的射频识别标准，物理层工作如下： 读写器( 即询问机) 向一个或一个以上的标签发送信息，发送方式是采用脉 冲间隔编码( p i e ) 格式的双边带振幅移位键控( d s b - a s k ) 、单边带振幅移位键 控( s s b a s k ) 或反向振幅移位键控( p r - a s k ) 调制射频载波信号。标签通过相同的 调制射频载波接收功率。读写器通过发送未调制射频载波和倾听反向散射回答接 收从标签发来的信息。标签通过反向散射调制射频载波的振幅或相位，传达信息。 用于对读写器命令做出响应的编码格式或是f m o 或是m i l l e r m o d u l a t ei t 3 1 的副 载波。读写器和标签之间的通信线路为半双工，也就是不应要求标签在反向散射 的同时解调询问指令。标签不应利用全双工通信对强制命令或任选命令做出响 应。 1 2 山东大学硕士学位论文 ! m 暑昌。； ：i 皇量皇量! 曼皇寡詈曼暑詈皇鼍皇! 皇皇! 詈詈曼詈鼍 2 4 2u h fr f i d 读写器的框架结构 本课题设计由微处理部分，射频调制部分，功率放大部分，解调部分，多 级放大部分，整形电路部分等组成，其相互间配合方式如图2 3 图2 3 读写器系统框架结构 2 4 3u h fr f i d 的应用发展及相关协议 在该频段【1 4 1 ，全球的定义不是很相同，欧洲和部分亚洲定义的频率为 8 6 8 - 8 7 0 m h z ，美国和澳大利噩定义的频段为8 8 8 8 8 9 m h z ，及9 0 2 9 2 8 m h z 之 间，我国规定的为8 6 0 9 6 0 m h z 。 现有的国际标准： a ) i s o i e c1 8 0 0 0 - 6 定义了超高频的物理层和通讯协议；空气接口定义 了t y p ea 和t y p eb ，及与g e n 2 兼容的t y p ec 三部分；支持可读和可写操 作。 b ) e p cg l o b a l 定义了电子物品编码的结构和超高频的空气接口以及通 讯的协议。例如：c l a s s0 ，c l a s sl ，u h fg e n 2 。 c ) u b i q u i t o u si d 日本的组织，定义了u i d 编码结构和通信管理协议 2 4 4u h fr f i d 读写器的设计目标与要求 本课题的设计目标是超高频r f i d 读写器的硬件设计，其满足中国无线射 频标准协议，能够与超高频的电子标签进行通信，可以读出电子标签的信息。 1 3 山东大学硕士学位论文 此超高频r f i d 读写器必需满足中国射频识别标准协议。协议部分内容如 下【1 5 j - 执行本规范规定的强制性命令，调制、传输和接收、解调与本规范定义的发 信层一致的电子信号，符合所有地方无线电规则。 若要符合本规范，询问机( 读写器) 可以： 执行本规范定义的任选命令，执行符合本规范的专利命令、常规命令或专利 命令和常规命令。 若要符合本规范，询问机不应执行与本规范抵触的命令。 要求使用任选命令、专利命令或定制命令以符合本规范的要求命令结构和可 扩展性。 下面是协议所规定的命令： 强制命令： 符合规范的标签和询问机应支持所有强制命令。 任选命令： 符合规范的询问机可以支持也可以不支持任选命令。符合规范的标签可支持 也可以不支持任选命令。如果询问机或标签执行任选命令，则应该以规定的方式 执行。 专利命令： 可以激活符合本规范的专利命令，但在这里不予以规定。所有专利命令均应 能够被永久禁止。专利命令是专为制造用途设计的，不应该在现场配置的r f i d 系 统中使用。 定制命令： 可以按本规范激活定制命令，但此处不予规定。询问机应只在单化标签和在 标签的t i d 存储器中读取( 或事先已经了解) 标签制造商标识后才发送定制命令。 询问机应按照在t i d 识别出的标签制造商的规范使用定制命令。 2 5 本章小节 本章主要对u h fr f i d 读写器的组成和各个部分进行了大体介绍，并叙述了 本课题的设计目标以及意义。 1 4 山东大学硕士学位论文 第三章u h fr f i d 读写器硬件设计 3 1 射频部分电路设计 3 1 1 本振部分 3 1 1 1 本振作用 本振电路的作用是为射频电路提供稳定的载波信号，即9 1 5 m h z 的载波。其 对振荡频率的选取有要求，要求振荡器的振荡频率和幅度精度高，稳定性好。一 般本振电路由锁相环，数字分频、数字鉴相器等电路组成，其为保证极高的稳定 度。目前本振电路多采用采用体积小、可靠性高的单片大规模集成数字频率合成 器来设计，比如国家半导体公司的l m x 2 3 1 0 u ，l m x 2 3 2 5 【1 6 】或者a d 公司的 a d f 4 1 1 3e 】。a d f 4 1 1 8 等。 3 1 1 2 相关协议分析 由于国家标准的要求，本振的中心频率为8 6 0 m 一9 6 0 m ，并且需满足调频扩展 频谱的要求，标注如表3 1 t 1 8 】： 表3 1跳频扩展频谱多路化 命令标签反向散射信道宽度信道中心频率安全带 形式 副载波 5 0 0 l 【i 乜信道1 59 0 2 7 5 兆赫 下安全带： 信道2 ：9 0 3 2 5 兆赫9 0 2 兆赫- 9 0 2 5 兆赫 上安全带： 信道5 0 ：9 2 7 2 5 兆赫9 2 7 5 兆赫- 9 2 8 兆赫 f m o以地方规定为依据 从协议所给的图中可以看出，如需要扩频时，频带宽度为5 0 0 千赫，从9 0 2 9 2 8 m h z 分成了5 0 个信道。因此，这可以作为本振选择的标准，即提供的本振的 1 5 山东大学硕士学位论文 频率范围在9 0 2 - - 9 2 8 m h z ，并且可以进行步进调频，幅度不超过5 0 0 k h z 。 3 1 1 3 方案选择及可行性分析 根据对协议的分析，本课题采用的本振，其各项参数如表3 2 【1 9 】： 表3 2p l l 参数说明 p a r a m e t e r m i n t y pm a xu n i t s f r e c l u e n c yr a n g e 一 9 0 2 9 l s 9 2 8 m h z s t e ps i z e 一 2 0 0k h z s e t t l i n gt i m e t ow i t h i n1k h z 51 0m s e c o u t p u tp o w e r o36d b m o u 印u tp h a s en o i s e ： 1k h z8 78 l d n c h z 1 0k h z一1 l l一1 0 5 c ，b c h z 1 0 0k h z 一1 3 3 1 2 7 c i b c h z p o w e rs u p p l y 一4 7 5 5 5 2 s v o l t s s u p p l yc u r r e n t 一 2 23 0m a s p u r i o u sp r o d u c t - 2 0 0k h z 一8 07 0d b c r e f e f e n c ef e e d t h r o u g h 一一8 07 0d b c h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ： 2 n dh a r m o n i c1 s一1 0d b c 3 r ah a r m o n k2 0- 1 0d b c r e f o s cs i g n a l ： f 滗q u e n c y 1 0m h z a m p l i t u d e 3s v p - p p h a s e n o l s e 一1k h z一1 4 s d b c h z i n p u ti m p e d a n c e l o o尬 o u t p u ti m p e d a n c e - 5 0q 从参数上可以看出，此本振提供的频率范围是9 0 2 9 2 8 姗i z ，中心频率 9 1 5 e l z ，最小步进频率为2 0 0 k h z ，输出功率为0 d b m - 6 d b m ，输出阻抗为5 0 欧， 并且其两阶谐波抑制系数为- 1 5 d b c 。综上参数考虑，此模块已符合设计要求。 此模块需要外接1 0 m 晶振。因为i o m 的晶振输入是分频，倍频的基础，所以 输入的稳定性及精确性非常关键。本方案选择k d s 公司的d s b 5 3 5 s a 。此晶振噪 声为： 一l1 0 d b c h z ( o f f s e l o o h z ) ， 一1 3 0 d b c h z ( o f f s e t l k h z ) ， 一1 4 5 d b c h z ( o f f s e tl o k h z ) ， - 1 4 5 d b c h z ( o f f s e tl o o k h z ) ， 1 6 山东大学硕士学位论文 输出频率容差为1 5 x 1 0 - 。，足以满足本振模块输入要求。 本振模块的工作方式如图3 1 2 0 1 e x t c r a | l - - - t r e f 簋e a c e r f o 岬 图3 1p l l 内部原理 根据此本振寄存器的计算公式可以得到以下参数： 纠鬈鬻纂h 淼m 。 ： 丝型塑】= 【坐丝】：4 5 7 5 ( 2 ) c h a n n e l s p a c i n g 。 2 0 0 k h z 。 当设置p = - 3 2 时 曰：t r u n c a t e n = 1 4 2 ( 3 ) a = n 一 b x 尸】= 3 1 ( 4 ) 在对本振进行配置时，将如上计算的数据写入相应的寄存器便可使本振正 常工作。 3 1 1 4 原理图设计及设计注意事项 由于采用了中心频率为9 1 5 m i - l z 的本振模块，所以电路相对比较简单，只要 对电路提供一个稳定的5 v 电源和相关的控制引脚，此本振的输入电路图如图 3 2 t 2 1 】： 1 7 山东大学硕士学位论文 函 图3 2 本振原理图 设计注意事项： 首先，其中主要注意本振模块的供电稳定，在设计时多加几个大小不同的电 容进行滤波，使电源中较大毛刺和较小毛刺都能够达到平滑的效果，提高电源供 电的稳定度。其次，此模块其中由模拟和数字两种电路组成，需要两部分供电， 一部分是给模拟电路供电，一部分是个数字电路，虽然都是5 v ，但是为了稳定 性，尽量在两电源之间采用一定的隔离方案，这样对本振输出稳定的载波有很大 的好处。具体电源芯片的选择在后面将会详细阐明。 3 1 2 调制部分 3 1 - 2 - 1 调制部分作用 调制是通信系统中很重要的功能模块。其功能是对高频载波进行信号处理， 使其振幅、频率或相位，与调制的基带信号相关。这三种调制方式分别是振幅键 控( a s k ) ，移频键控( f s k ) ，移相键控( p s k ) 。在射频通信中，需要调制的原因 主要是嘲： ( 1 ) 因为频率与波长有关，而只有波长与天线尺寸成一定比例时才有利 于将信号辐射出去，所以要调制到一定频率上： ( 2 ) 系统在无线发射前，必定要经过一定的有线系统，而同轴线对于高 频提供了有效的屏蔽，使其信号强度不至于较大的衰减； ( 3 ) 通过调制，将低频调制到不同频率的高频，这样可以缓解频谱拥挤， 并充分利用无线电高频较大的通信容量； ( 4 ) 通过调制，可以克服信道缺陷，减少加性噪声、失真、衰减等。 所以在无线系统中，从信道的各个方面考虑，都要进行调制。 1 8 山东大学硕士学位论文 3 1 2 2 相关协议分析 国家协议规定，询问机应采用规定的d s b a s k 、s s b a s k 或p r - a s k 调制方式 进行通信。标签应能够解调上述三种类型的调制。调制波形如图3 3 【2 3 】 d 矗孓w 毒s a 帐8 - b 蝴d 豳：o o 赫3 o o 参钟s 蠊- a s k 蛔d u i 勖憾辅h h l 矗椭 一 p r 雠m o d u h 喇忡h m 翻陋m l ， 、 1 ， 1 i 、j。| 、 一 ，t 口1 o _ o 善。 蛐o ， d s i 饵s , g 旧- a s k k 喇i d 奸p r u 毗翱k 孵 二飕妒 图3 3 询问机对标签调制 根据协议的规定及所提供的参考波形，本课题所设计的r f i d 读头采用a s k 调制模式( 这也是采用可控增益放大器作为调制器的理论根据) 。 对于a s k 调制模式，国家标准对其调制深度及波形调制的边沿变化也给出 了详细的规定和参考波形，具体如图3 4 ，图3 5 ，表3 3 ，表3 4 【2 4 】 口i m挪 i f h 厂， ，、l厂、 ，彳g z 刀 j o 9 0 o ， r 争 幼z 黝( i h 唰v y i zj l l l l l l l l l # 1 1 ) l l l l l l l l l l l l l l 图3 4 询问机上电和断电射频包络 1 9 山东大学硕士学位论文 表3 3 询问机上电和断电参数 p a r - ，m e t e fd e f i n r i o nm i n i m u m n o m i n a lm a x i m u m u n i t s l r i s et i m e15 0 0 i j s t 簟 s e t 垭n gu m e ；1 5 0 0 ：陟 魄 1删s c a l e s i g n a ll e v e lw h e n o f f 撕 ，。u n d e r s h o o t15 ， l u h s c a l e m h 0 v e r s h o o t5沁ns c a l e 从表3 3 ，分析的，其要求上升沿的最小时间是l u s ，最大为5 0 0 u s ，稳定 时间为1 5 0 0 u s ，过冲幅度要小于5 ，这些都是对调制波形的硬件指标，也是选 择调制芯片的标准。 a s km o d u l a t i o q i l i e l e d c t c 船s t r e r l g l h i 上燃2 a o 5 q a 研 t r il 图3 5 询问机对标签射频包络 表3 4 射频包络参数 t 矗r 垂p a r a m e t e r s y m b o l m i n i m u mn o m i n a im a x i m u mu n i t s m o d u l a t i o nd e p t h ( a - b x a 8 09 01 0 0 w 6 2 5 p s r f e n v e l o p er i p p l e 嗡= m i0 0 0 5 庠毋) v ，m ： 6 d r fe n v e l o p er i s et i m e k o 嚆 oo 3 3 t a r i p s 2 5 陟 r fe n v e l o p ef a l lt i m e ，钳x 0o 3 笤r 蛹 雌 r fp u l s e w t d t hp w m a x ( 0 2 6 5 t a n ，2 ) 0 5 2 5 t a p s 从图3 5 ，表3 4 来分析调制深度，可以计算得出调制幅度最小为l o xl o g ( a b ) = 6 9 9 ( 根据表的最小值来计算，a = 1 0 0 ，b = 2 0 ) 。所以调制芯片至少是7 d b 的调制深度) 。从此要求看出，对硬件的要求不是很高，所以可以选择的调制模 式及相应的芯片比较多。 山东大学硕士学位论文 3 1 2 3 方案选择及可行性分析 r f i d 的调制芯片有许多种，比如有很多正交调制的芯片瞄1 ，如凌力特公司 的l t 5 5 6 8 ，m a c o m 公司的 1 4 i a - 0 0 7 7 7 5 - 0 0 0 10 0 2 6 1 ，本身带有功放的 m a i a 0 0 7 8 5 卜o 0 0 1 0 0 ，调制与解调一起的m 蝴o - 0 0 0 9 0 0 一1 2 9 1 h t 。上述芯片都是 采用正交调试，这样结合f p g a 及高速a d 和高速d a 模块，采用软件无线电理论【2 7 】 来设计。但是如果采用正交调制的方法话，不但需要加入数模转换芯片及相应的 跟随电路( 跟随电路是为了提高驱动能力和稳定度) ，而且还要有考虑芯片的供 电问题，所以根据协议分析，以及成本和设计复杂度的考虑，我们选择一款 v g c ( 可控制增益放大器