（物理电子学专业论文）基于icode协议的射频识别数字处理核心模块的设计和研究.pdf

北邮电大学硕士学位论文 摘要 基于i - c o d e 协议的射频识别 数字处理核心模块的设计和研究 摘要 射频识别技术( r f d ，r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是从上世 纪八十年代逐渐兴起的一项自动识别技术。它是利用电磁感应、无线 电波或微波进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。本文 对基于i c o d e 协议的射频识别数字处理核心模块( d s p b a s e d ) 的设 计进行了详细的介绍，着重讨论数字信号处理( d s p ) 技术在射频识 别系统中的应用，并对射频识别系统中的几个关键技术进行了研究和 讨论。 主要包括以下几方面的内容： 射频识别系统的典型结构、工作原理、发展现状、广阔的应用 前景。开发以d s p 技术为核心的新一代射频识别系统数字处理核心 模块的意义。 根据i - c o d e 协议和射频卡的内部结构，制定了射频卡与读写 器之间的数据传输协议以及读写器的各种指令及其帧格式。其宗旨 在于：在完成射频卡与读写器之间的通信任务的前提下，尽可能多 给射频卡提供能量，并且使协议尽量简单，易于实现。 介绍了新一代射频识别系统的总体设计方案，包括数字和模拟 两部分，提出了全系统统一供配电的设想。并对d s p 系统的特点， d s p 芯片的基本结构、分类及芯片选择做了简要介绍。 详细论述了数字处理核心模块的设计和实现方法，包括：d s p 芯片与主机之间的串口通信设计，d s p 外部r a m 扩展， t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 并行引导装载方法及在线f l a s h 编程，c p l d 可编 程逻辑器件的设计，d s p 和c p l d 之间通信接口设计，单一电源设 计，着重讨论了防碰撞算法的改进及d s p 的实现方法。 北邮电大学硕士学位论文 r f i d 系统的安全性是系统设计中需要考虑的问题。根据射频 识别系统自身的特点，设计出了与之相适应的信息安全机制，在实 现时采用交错编码和加密相结合的办法来传输保护数据，既增强了 系统的安全性，又降低了系统的复杂性。防碰撞技术是射频识别系 统中一项关键技术。在射频识别系统的非接触识别过程中，利用防 碰撞技术可以完成多目标识别。 我的工作重点是基于i - c o d e 协议，开发新一代射频识别系统数 字处理核心模块，完成核心模块的软硬件设计，并对几个射频识别系 统关键问题防碰撞问题和信息安全闻题进行了研究。 关键词：射频识别 数字信号处理 数字处理核心模块 读写器 射频卡 北邮电大学硕士学位论文摘要 d e s i g na n dr e s e a r c ho nd i g i t a l p r o c e s s i n gc e n t r a lm o d u l ei nt h e i c o d e b a s e dr f i ds y s t e m a b s t r a c t r f i dr 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 ) t e c h n o l o g yb e g a nt ob ed e v e l o p e di nt h e 9 0 so fl a s tc e n t u r y i ti su s e dw i t hm i c r o w a v eo rw i r e l e s sc h a n n e lt or e a l i z ed u a l c o m m u n i c a t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ed e s i g no fr f m ld i g i t a lp r o c e s s i n gc e n t r a l m o d u l e ( d s p b a s e mb a s e do ni - c o d ep r o t o c o li sd i s c u s s e dd e t a i l e d i y , f o c u s i n go n t h ea p p l i c a t i o i lo fd s p ( d i 峦t a ls i 斟1 8 lp r o c e s s i n g ) t e d m o l o 西鹳i nr f r df i e i d a l s o ， s o m e k e yt e c h n e l e g i e sa n d s o m ep r o b l e m si nt h er f d s y s t e m a r ed i s c u s s e d t h en l a l nw o r kih a v ed o n ei nt h er e s e a r c hp r o c e s si sa sf o l l o w s t y p i c a ls t r u c t u r e w o r k i n gp r i n c i p l eo f i c o d e - b a s e dr f l ds y s t e ma n di t s a p p l i c a t i o n sa r ed i s c u s s e d t h es i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p i n gt h ed i g i t a lp r o c e s s i n g c e n t r a lm o d u l eo f n e wr f i ds y s t e mb a s e do nd s p i sd i s c u s s e dt o o b a s e do ni c o d e p r o t o c o l a n dt h es t r u c t u r eo f r e s p o n d e r , t h e d a t a t r a n s m i s s i o np r o t o c o lb e t w e e nt r a n s p o n d e ra n dr e a d w r i t ed e v i c e ，t h ei n s t r u c t i o n s a n d 出ef r a n c es t r u c t u r eo ft h em a d w r i t ed e v i c oa r ea l ld i s c u s s e d n i sp u r p o s eo f t h e s ep r o t o c o l si st h a t ：m o l ep o w e ri ss u p p l i e dt ot r a n s p o n d e f ，a n dt h ep r o t o c o li sa s p o s s i b l ea ss i m p l ea n de a s y t ob er e a l i z e d t h ee s s e n t i a lp r i n c i p l e sa n da p p l i c a t i o n so fd s ps y s t e ma n dd s pc h i p sa r e d i s c u s s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eh a r d w a r es t r u c t u r e so f t m $ 3 2 0 c 5 4 0 2d s p a r ei n t r o d u c e d t h eo v e r a l lp r o j e c to fn e wr f i ds y s t e mi sd e s c r i b e d t h ed i g i t a lp r o c e s s i n g p a r t a n dt h e a n a l o gp a r t a r ei n c l u d e da n dt h ep r o p o s a lo fs y s t e ms i n g l ep o w e r s u p p l yi sa l s op r e s e n t e d i na d d i t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f d s p s y s t e ma n ds t r u c t u r e ， c l a s s i f i c a t i o na n ds e l e c t i o nr u l eo fd s p c h i pa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a l p r o c e s s i n gc e n 廿a l m o d u l ea r e ! ! 塑皇查兰堡主丝堕茎 苎差 d e s c r i b e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e c o m m u n i c a t i o n t h r o u g h t h es e r i a l p o r tb e t w e e n p c a n dd s p c h i p ，e x t e n s i o no fd s pr a m ，p a r a l l c lb o o tl o a d e rf o rt m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 c h i pa n d i ns y s t e mp r o g r a m m i n gw i t hf l a s h ，t h e d e s i g no fc p l d ，t h ei n t e r f a c e b e t w e e nd s pa n dc p l d ，t h ed e s i g no f s i n g l es y s t e mp o w e r s u p p l y e s p e c i a l l y , t h e i m p r o v e m e n ta n di m p l e m e n t a t i o nw i t hd s pa b o u ta n t i - c o u i s i o na l g o r i t h mo a - e d i c u s s e d d e t a i l e d l y n ed a t as a f e t ys h o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n an o v e l i n f o r m a t i o n s a f e t ya l g o r i t h mb a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i co fr f i ds v s t e mi s p r e s e n t e d ，i nw h i c ht h ec o m b i n a t i o no fe n c r y p t i o na n di n t e r l e a v i n gc o d en o to n l y e n s u r e st h ed a t a s a f e t yo f t h es y s t e mb u ta l s or e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m a n t i - c o l l i s i o nf o rt a r g e t sr e c o g n i t i o n sp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nr f i d s y s t e m r f i d s y s t e m i su n i q u ed u et oi t sa b i l l t yo f m u l t it a r g e t sr e c o g n i t i o n d e v e l o p i n gt h ed i g i t a lp r o c e s s i n gc e n t r a lm o d u l eo fn e w r f i ds y s t e mb a s e d0 1 1 i c o d ep r o t o c o l ，a n dt h ed e s i g ni m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r e g s o r w a r ef o rr f i d d i g i u dp r o c e s s i n gc e n t r a lm o d u l e a r ek e y e m p h a s i s i nm yw o r k k e y w o r d s 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 ) d s p ( d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ， r e a d 俺啊t ed e v i c e 北螺屯大学顾士学位论立声州 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特i i ：i i 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名关享拗日期：2 。! 耋! 三s 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：墨童：邀日期：! 竺! ：三! 篁 导师签名型塑盛同期 2 口o ( 2 0 3 fh e x ) 参数l = 0 0 h e x o r f a m i l y c o d e ( 1 2 5 5 ) 参数2 = 0 0 h e xo r a p p l i c a t i o nc o d e ( 1 2 5 5 ) 参数3 = z ：预置时隙参数( o 7 ) ( 其中时隙数n = 2 ”1 ) 参数4 = 0 0h e x 参数5 = 0 0h e x 2 字节c r c 北京邮电大学硕士学位论文第= 章1 3 5 6 m 射频识别系统数据传输协议分析与设计 射频卡响应： 6 4b i t 序列号+ 2 字节c r c 读写器q u i t ：1 字节，根据序列号和h a s h v a l u e 计算所得 占用时间： t - 9 4 4 u s + 3 8 7 m s + n + ( 3 2 6 u s + 3 0 2 m s + 2 7 8 u s + 4 8 3 3 m s ) 当射频卡接收到读写器发出的针对该卡的q u i t 字节时，卡的内部电路就根据 自己的卡号和h a s h v a l u e 参数确定了时隙寄存器的值，此时射频卡随后在场中对读 写指令作出响应的时隙就确定了。 a n t i c o l l i s i o n s e l e c t 可以重复发出，直到没有新的射频卡作出相应，即此时所 设置的时隙值相对场中的卡已经足够了。 指令 一 3 8 7 m s + 6 0 5 u s+ 6 0 5 u s+ 6 0 5 u s 3 2 6 u s3 0 2 u 读写器指令8 字节：指令代码 参数1 参数2 参数3 参数4 参数5 射频卡响应： 占用时间： 2 字节c r c = e 1h e x = 0 0 h e x = 0 0 l a e x = 0 0h e x = x i ：射频卡r a mb l o c k 号( x - 1 = o 1 5 ) = v ：b l o c k 地址 从块y 开始的x 个数据块的内容 t = 9 4 4 u s 十3 8 7m s + 3 2 6 u s + n + ( x + l - - 2 0 8 m s ) ( 3 ) 对x 数据块进行写操作 1 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章1 3 5 6 m 射频识别系统数据传输协议分析与设计 读写器 射频卡 指令q u i t l 厂 一 蛔应l l r 3 8 7 m s 付l ；孟1 种 4 8 3 3 m s 1 2 6 l i s生7 8娼 读写器指令8 字节：指令代码 参数1 参数2 参数3 参数4 参数5 射频卡响应 读写器q u i t ： 占用时间： 2 字节c r c 网 6 0h e x + h a s h v a l u e ( o 3 1 ) ( 6 0 7 f h e x ) 数据0 数据l 数据2 数据3 f o 2 5 5 ) ( 0 2 5 5 ) r o 2 5 5 ) r o 2 5 5 ) x ( o 1 5 ) ：要写入的b l o c k 粤 6 4b i t 序列号+ 2 字节c r cf 如果该地址b l o c k 写保护状态，则 无返回) 1 字节，根据序列号和h a s h v a l u e 计算所得 t = 9 “u s + 3 8 7m s + n + ( 3 2 6 u s + 3 0 2 m s + 2 7 8 u s + 4 8 3 3 m s ) ( 4 ) 中止该卡( h a l t ) 当读写器已经完成与某射频卡的数据交换时，如果不想让该卡再响应任何命 令，则让该射频卡“休眠”，通过q u i t 命令实现，只有当卡离开场后再返回时，卡 才会被复位，才能再次响应读写器的命令。 读写器 射频卡 指令0 u 1 t 1 困 一 1 3 8 7 m s 1 3 0 2 m s 4 8 3 3 m s ，1圈 读写器指令8 字节：指令代码 = 8 0 h e x + h a s h v a l u e ( 0 3 1 ) - ( 8 0 9 fh e x ) 参数l = 0 0h e x 参数2= 0 0h e x 参数3= 0 0 h e x 参数4= 0 0 h e x 参数5 = x ( 0 1 5 ) ：要写入的b l o c k 号 2 字节c r c 射频卡响应： 6 4b i t 序列号+ 2 字节c r c 读写器q u i t ：1 字节，根据序列号和h a s h v a l u e 计算所得 占用时间：r = 9 4 4 u s + 3 8 7 m s + n ( 3 2 6 u s + 3 0 2 m s + 2 7 8 u s + 4 8 3 3 m s ) ( 5 ) e a s ( 电子物品防盗) 读写器 射频卡 读写器指令8 字节： 射频卡响应 2 3 小结 3 2 6 u s 专 指令代码= e 0 h e x 参数1；0 0h e x 参数2= 0 0 h e x 参数3= 0 0 h e x 参数4= 0 0 h e x 参数5= x ( o 1 5 ) ：要写入的b l o c k 号 2 字节c r c 2 5 6b i t e a s 应答信息 本章介绍了射频卡的特性及内部结构，介绍了读写器的各种指令及其帧格式， 并讨论了i c o d e 射频卡与读写器之间的数据传输协议。 下。 第三章新一代射频识别系统总体设计方案 实验室目前开发的基于i - c o d e 协议的1 3 5 6 m h z 射频识别系统的组成框图如 l厶收发射天线 模拟部分 - 同 l 主机 田田 l 理模块- 。几叽n 吼i 蔷_ l 南 _ 读写器由数字和模拟两部分组成。在实验室原来自主开发的第一代读写器数 字部分中，采用的是单片机加c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 的模式，即由单片机 完成数字处理功能( 指令装配，主机通信，防碰撞算法等) ，用两片c p l d 器件完 成信号的编码、解码，差错控制等功能。 新一代的射频识别系统将d s p ( 数字信号处理) 技术引入读写器的设计中， 以d s p 芯片作为数字处理核心。凭借d s p 芯片强大的数字信号处理能力，提升了 读写器的整体工作性能，提高了其读取射频卡的速度及可同时识别的卡的数量， 并为进一步实现更复杂的算法和信号处理任务提供强有力的硬、软件支持。 3 1d s p 概述1 1 1 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。 北京邮电大学硕士学位论文 筮三章新一代射频识别系统总体设计方案 数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信 号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。 3 1 1d s p 系统构成 图3 1 所示为一个典型的d s p 系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。 例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，可以是编 码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。 湖瞳糟 榭 - 舯 - _ - - , 4 , 嫩 _ 黼甜 黼 图3 - 1 典型的d s p 系统 输入信号首先进行滤波和抽样，然后进行a d ( a n a l o gt od i g i t a l ) 变换将信 号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至 少必须是输入带限信号最高频率的2 倍。d s p 芯片的输入是a d 变换后得到的以 抽样形式表示的数字信号，d s p 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如 进行一系列的乘累加操作( m a c ) 。数字处理是d s p 的关键，这与其他系统有很 大的不同。最后，经过处理后的数字信号再经过d a ( d i g i t a l t o a n a l o g ) 变换转换 为模拟信号，之后再进行平滑滤波就可得到连续的模拟波形。 3 1 2o s p 系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点： 接口方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容 的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得 多。 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方 便地对软件进行修改和升级。 稳定性好。d s p 系统以数字处理为摹础，受环境温度以及噪声的影响较小，可 靠性高。 精度高。1 6 位数字系统可以达到l o 。的精度。 北京邮电大学硕士学位论文 蔓三童新一代盟塑识别系统总体设计方案 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本 不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 d s p 系统突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业 控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 3 1 3d s p 芯片基本结构 d s p 内部结构采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘 法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的数字信号处理指令，主要应用是实时快 速地实现各种数字信号处理算法。d s p 芯片的基本结构包括： 哈佛结构。哈佛结构的主要特点是把程序和数据存储在不同的存储空间中，即 程序存储器和数据存储器是相互独立的，每个存储器独立编址，独立访问。与 之对应的是芯片中分别设置了程序总线和数据总线，从而是数据的吞吐率提高 了一倍。由于程序和数据存储在两个分开的空间中，因此取址和执行能完全重 叠。 流水线操作。流水线与啥佛结构有关。d s p 广泛采用流水线以减少指令执行的 时间，从而增强处理器的处理能力。处理器可以并行处理2 4 条指令，每条 指令处于流水线的不同阶段。 多总线结构。许多d s p 内部都采用了多总线结构，这样保证在一个机器周期 内，可以同时访问数据和程序存储空间。因此可以解决传统芯片的总线冲突问 题，使系统的速度和效率大大提高。 专业的硬件乘法器。乘法速度越快，d s p 的性能越高。由于具有专用的应用乘 法器，乘法在一个指令周期内会完成。 特殊的d s p 指令。为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在d s p 指令系 统中，设计了一些特殊的d s p 指令，以完成专门的运算。例如c 5 4 x d s p 的f i r s 指令，就是专门用于f i r 滤波运算。 快速的盒子里周期。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令，再加上集成电路的优化设计，可使d s p 的指令周期在5 0 n s 以下。 3 1 4d s p 芯片的分类 d s p 芯片可以按照下列三种方式进行分类： 按基础特性分 这是根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围 北京邮电大学硕士学位论文 第三章新一代射频识别系统总体设计方案 内的任何时钟频率上，d s p 芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能 的下降，这类d s p 芯片一般称为静态d s p 芯片。例如，日本o k i 电气公司的d s p 芯片、1 1 公司的t m s 3 2 0 c 2 x x 系列芯片属于这一类。 如果有两种或两种以上的d s p 芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚 结构相互兼容，则这类d s p 芯片称为一致性d s p 芯片。例如，美国t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 x 就属于这一类。 按数据格式分 这是根据d s p 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的d s p 芯 片称为定点d s p 芯片，如公司的1 m s 3 2 0 c 1 c 2 x 、t m s 3 2 0 c 2 ) o ( c 5 x 、 t i v 【$ 3 2 0 c 5 4 x c 6 2 x x 系列，a d 公司的a d s p 2 1 x x 系列等。以浮点格式工作的称 为浮点d s p 芯片，如1 1 公司的t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c 8 x ，a d 公司的a d s p 2 1 ) o 。( 系列，a t & t 公司的d s p 3 2 3 2 c ，m o t o l o m 公司的m c 9 6 0 0 2 等。 按用途分 按照d s p 的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。通用型 d s p 芯片适合普通的d s p 应用，如1 1 公司的一系列d s p 芯片都属于通用型d s p 芯片。专用d s p 芯片是为特定的d s p 运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字 滤波、卷积和f f t ，如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 ，z o r a n 公司的刀u 4 8 8 1 ，i n l n o s 公司的i m s a l 0 0 等就属于专用型d s p 芯片。 3 1 5d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选 择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用 目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应 考虑到如下诸多因素： d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是 选择d s p 芯片时所需要考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以 下几种性能指标来衡量： 一指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以n s ( 纳秒) 为单位； 一m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在一个指 令周期内完成一次乘法和加法操作； - - f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。由于f f t 运算涉及 的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯片运 北京邮电大学硕士学位论文 第三章新一代射频识别系统总体设计方案 算能力的一个指标； 一m 口s ：即每秒执行百万条指令； 一m o p s ：即每秒执行百万次操作； - - m f l o p s ：即每秒执行百万次浮点操作； 一b o p s ：即每秒执行十亿次操作。 d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个重要因 素。如果采用价格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到 一定的限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价 格适中的d s p 芯片。 d s p 芯片的硬件资源。不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片 内r a m 、r o m 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i o 接口 等。即使是同一系列的d s p 芯片( 如1 1 的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列) ，系列中不同 d s p 芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 d s p 芯片的运算精度。一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，如t m s 3 2 0 系列。 但有的公司的定点芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮点芯片 的字长一般为3 2 位，累加器为4 0 位。 d s p 芯片的开发工具。在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。 如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。 如果有功能强大的开发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩 短。 d s p 芯片的功耗。在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。 目前，3 3 v 供电的低功耗高速d s p 芯片已大量使用。 其他。除了上述因素外，选择d s p 芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、 供货情况、生命周期等。 在上述诸多因素中，一般而言，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低，但 运算精度稍低。而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，且c 语言编程调试方便， 但价格稍贵，功耗也较大。在新一代射频识别系统( d s p b a s e d ) 中，根据以上标 准，我们选用了n 公司的t m s 3 2 0 v c 5 # 0 2 芯片。该芯片是定点d s p 芯片，低功 耗和低成本是其主要韵特点。 3 2 新一代射频识别系统( d s p - b a s e d ) 总体设计方案 新一代射频识别系统( d s p b a s e d ) 硬件主要由读写器、射频卡、天线、p c 主机四部分组成。其中，射频卡采用的是p h i l i p s 的i c o d e l 无源射频识别卡。主 机采用通用的p c 机，天线和读写器两部分需自主研制。读写器包括模拟和数字两 部分，和主机之间通过r s 一2 3 2 串行口进行通信。新一代射频识别系统的总体设计 框图如图3 - 2 所示( 射频卡没有包含在内) 。 田3 2 新一代射频识别系统总体设计框图 下面对总体设计方案进行介绍。 32 1 数字处理核心模块 d s p 数字信号处理芯片。d s p 芯片采用1 1 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 p g e l 0 0 ， 作为整个数字处理核心模块硬件平台的核心。完成指令装配控制，数据存储， 与主机的数据通信及防碰撞算法的实现等主要功能。 信号的编码、解码及差错控制、c r c 校验等功能由一片x i l i n x 公司x c 9 5 1 4 4 x l c p l d 来完成。 由于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 内部存储容量的限制，所以需用片外r a m 对其程序区 和数据区进行扩展，选用一片i s 6 1 l v 6 4 1 6 扩展d s p 的程序空间，用 s s t 3 9 v f 2 0 0 af l a s h 芯片扩展其数据空间，并作为存放b o o t 表的存储器。片 外r a m 和f l a s h 芯片的逻辑控制也使用同一块c p l d 芯片来实现。 d s p 芯片和主机之间通过r s 2 3 2 串行口进行通信，由于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片 提供的串行口为同步串行口，而p c 机的串口采用的是异步串行口，因此需要 进行同步到异步的转换；另外，d s p 芯片输入、输出引脚电平和p c 机r s 2 3 2 串口电平不同，也需要进行电平转换。因此，使用一片m a x 3 l l l e 串行异步 收发器连接d s p 的m e b s p 串行e l 和p c 主机的r s - 2 3 2 串行口，实现d s p 芯 片和主机之间的通信。 数字处理核心模块采用5 v 供电，经1 r i 公司的t p s 7 3 h d 3 0 1 芯片产生3 3 v 、 1 8 v 两种电源，供d s p 芯片和c p l d 芯片使用。 为d s p 和c p l d 芯片分别提供了符合i e e e l l 4 9 1 的标准j t a g 仿真接口。 采用现场f l a s h 编程( 又称：在线f l a s h 编程) 技术。这使得系统的灵活 性大大加强，下载软件到d s p 数字处理核心模块上很方便，不需要把f l a s h 芯片拆下，也不用借助编程器等其他烧写程序的设备，只要通过仿真器和j t a g 口，借助d s p 芯片，在仿真环境下就可以将b o o t 表或其他软件下载到核心模 块中，以完成不同的功能，也可以根据需要不断地升级软件，从而增强了硬件 平台的功能，提高了利用率。 3 2 2 模拟部分 1 3 5 6 m h z 载波信号的产生。 由一个精密的时钟发生器产生稳定的1 3 5 6 姗z 信号源。 信号调制和解调。 对来自数字处理核心模块的已编码信号进行a s k 调制，载波频率为 1 3 5 6 m h z 。信号的调制度为1 0 至3 0 之间。经过电路分析，我们认为1 4 左右是 最佳的参数。而一次解调是将调制波中1 3 5 6 m 的载波去掉，从中解调出经带有副 载波的曼彻斯特编码信号。二次解调进一步去掉4 2 3 7 5 k 的副载波。得到曼彻斯 特编码信号交给数字处理核心模块译码。 使用c p l d 器件( ) ( i l i n x 公司的x c 9 5 3 6 ) 完成信号的调制和解调功能( 方便 和数字部分连接) 。以便实现发送、接收模块的一体化。 功率放大。 原来使用4 个小功率三极管来完成( 并联) 预放功能，现在改用单个中功率 三极管来实现。 功率放大由一个三极管来实现。 阻抗匹配 天线的标准输入阻抗为5 0 q 。因此需调整输出电感和电容，设法使输出阻抗 为5 0 y 2 。 第一代读写器中，所用的电感为4 个集中参数式的电感( 每个为1 8 u h ) 。集 中参数式的电感的好处是，电感量固定，比较容易定位和便于计算。但是其问题 也是明显的：电感的线径较小，电阻量较大，分布电容较大，不易承载大的电流 以及不容易连续调整其电感量等。因此，在新的读写器的设计中使用分布参数式 的r 乜感。另外，由此带来的e m i 问题，其解决的办法是采用屏蔽。 与输出电感相匹配的是输出电容。第一代读写器中，输出电容使用了集中参 数式的电容。主要问题是品质因素不高，耐压不高以及与电感相类似的问题。新 设计中的解决方法是使用高耐压，容量精确，做工考究的聚苯乙烯电容( c b ) 。可 以印制多个电容位置以适应不同的阻抗情况。相应地，会有占用面积大等问题。 电源设计。 第一代读写器模拟部分的供电电源为+ 2 4 v 。功率放大部分使用+ 2 4 v 电压供 电，前置放大也使用+ 2 4 v 电压而调制信号形成部分使用了+ 6 v 电压。+ 6 v 电压是 由+ 2 4 v 电压经过一个m c 7 8 0 6 c t 的电压调整器降压后得到的。在接收模块中，使 用了+ 1 8 v 、+ 9 v 、+ 6 v 等电压，这些电压都是从+ 2 4 v 电压变换来的。 新一代读写器模拟部分使用单一的+ 5 v 电源供电。为了提供功放、前置放大 所岳的高电压，需使用d c d c 升压芯片产生高的电源电压。 另外，电源插座应尽可能靠近大电流电路( 即功放部分) 。 3 2 3 电装工艺 第一代读写器电路采用的是元器件的插装工艺，第二代系统数字和模拟部分 都将采用表贴工艺，以提高整个系统的组装密度，缩小产品体积，减轻重量，提 高系统的可靠性和抗振能力。 数字处理核心模块的设计将在第四章中做详细的介绍。 3 3 小结 本章讨论了d s p 系统及d s p 芯片的基本原理。对新代射频识别系统的总体 设计方案进行了论述。 第四章r f id 数宇处理核心模块的设计和研究 目前，国内使用的射频识别核心设备全部来自于国外，由于涉及到知识产权 和价格垄断的原因，在国内的价格普遍比较高。实验室一直以来致力于开发具有 完全自主知识产权的射频识别产品，已成功开发出以单片机为主控模块的第一代 射频识别系统，并开始研究开发以数字信号处理芯片( d s p ) 为核心的第二代射频 识别系统。 射频识别读写器是射频识别系统的关键设备，一个射频识另读写器分为数字 和模拟两部分。国外已开发出基于不同协议的射频识别读写核心模块，如能够读 写m f a r e 系列射频卡的m r a mr c 5 0 0 读写模块，其中，包括全部的数字处理部分 和一部分模拟电路。可见，数字处理部分的模块化研究是重中之重，这也是我们 首先进行数字处理核心模块研究的原因。在成功开发出数字处理核心模块的基础 上，下一步就是将天线匹配电路、调制，解调等模拟电路融合进去，研制具有自主 知识产权的射频识别读写核心模块。 射频识别数字处理核心模块的设计和研究是我研究生阶段的主要工作，也是 论文的核心内容。 数字处理核心模块采用的是d s p 芯片+ c p l d 器件的模式，本章将围绕d s p 芯片及c p l d 可编程逻辑器件的设计，详细介绍射频识别数字处理核心模块的设 计和实现。 3 0 北京邮电大学硕士学位论文 筻婴童墼里塑主丝堡壁一坚模块的设计和研究 4 1 d s p 系统的设计流程1 3 1 ds p 应用 蒽史j j ；冀佳镌摊舞 j 硅母ds p = 占片 t 件擤程 麓冉设计 0 t 悻渊茜 簟韩谭蓝 图4 - ld s p 系统一般设计流程 在设计d s p 系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、 信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言 来描述。 第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的 最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的 系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数 字信号处理的算法( a l g o r i t h m ) ，因此这一步也称算法模拟阶段。 接下来就可以设计实时d s p 系统，实时d s p 系统的设计包括硬件设计和软件 设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系 统成本限制咀及体积、功耗等要求选择合适的d s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外 围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相 应的d s p 汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高级语 言( 如c 语言) 编程。本系统中对d s p 芯片软件的开发是采用高级语言和汇编语 言的混合编程的方法，即在大运算量或内存操作时采用汇编语言编程，而运算量 不大的地方则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短软件开发的周期，提高程 序的可读性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。 d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一 要 般借助于d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p 开发系统或仿真器等。本系统采用 t i 公司的d s p 集成开发环境c c s 2 0 和i c e t e k 的最小系统板、仿真器来开发d s p 软件。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真器，且 硬件系统不是十分复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。 4 2 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片简介1 1 1 4 2 1t m s 3 2 0 v c , , 5 4 0 2o s p 的特点 v c 5 4 0 2d s p 芯片具有很高的操作灵活性和速度。它具有增强的哈佛结构( 一 条程序总线、三条数据总线和四条地址总线) 、专门硬件逻辑的c p u 、片内存储器、 片内外设和专用的指令集、将c p u 和片内存储器与外设配置组合在起的螺旋结 构。c 5 4 0 2 系列d s