基于FPGA的無線射頻讀卡器開發(fā)與設(shè)計(jì)

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：Niladri Roy   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月23日

    與其他常用的自動識別技術(shù)如條形碼和磁條一樣，無線射頻識別（RFID）技術(shù)也是一種自動識別技術(shù)。每一個(gè)目標(biāo)對象在射頻讀卡器中對應(yīng)唯一的電子識別碼（UID），或者“電子標(biāo)簽”。標(biāo)簽附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象，如紙箱、貨盤或包裝箱等。射頻讀卡器（應(yīng)答器）從電子標(biāo)簽上讀取識別碼。 

    基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：天線或線圈、帶RFID解碼器的收發(fā)器和RFID電子標(biāo)簽（每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子識別碼）。表1顯示了常用的四個(gè)RFID頻率及其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，目前商業(yè)上應(yīng)用最廣的是超高頻（UHF），它在供應(yīng)鏈管理中有可能得到廣泛的應(yīng)用。

EPC電子標(biāo)簽

    EPC表示電子產(chǎn)品代碼，是RFID電子標(biāo)簽的標(biāo)準(zhǔn)，它包括電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容和無線通信協(xié)議。EPC標(biāo)準(zhǔn)將條形碼規(guī)范中的數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)與ANSI或其他標(biāo)準(zhǔn)化組織（802.11b）制定的無線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合在一起。目前應(yīng)用在供應(yīng)鏈管理中的EPC標(biāo)準(zhǔn)，屬于第二代EPC Class-1標(biāo)準(zhǔn)。

    Class-1標(biāo)簽在出廠時(shí)已經(jīng)被寫入，但也是可以現(xiàn)場下載。通常情況下，一旦標(biāo)簽已被寫入，內(nèi)存即被鎖定不可再次寫入信息。Class-1標(biāo)簽采用常規(guī)的分組傳輸協(xié)議—讀卡器發(fā)送包含相關(guān)命令和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，標(biāo)簽隨后做出響應(yīng)。

惡劣的讀卡器應(yīng)用環(huán)境

    RFID的應(yīng)用環(huán)境可能非常惡劣。信道的工作頻率是免許可的工業(yè)、科技與醫(yī)藥（ISM）頻帶。此頻帶中的RFID讀卡器受到來自無繩電話、無線耳麥、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及其他臨近讀卡器的干擾。必須將每一讀卡器的RF接收器前端設(shè)計(jì)為能夠抵御強(qiáng)干擾信號，避免產(chǎn)生可導(dǎo)致詢問錯(cuò)誤的失真。接收器的噪聲必須保持在較低的水平，以便具備足夠的動態(tài)范圍，從而以無錯(cuò)方式檢測出低電平標(biāo)簽響應(yīng)信號。 

    圖1中所示的讀卡器RF射頻收發(fā)器，是一個(gè)成熟的設(shè)計(jì)，能夠在存在大量干擾源的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定地工作。發(fā)射器和接收器都帶有一個(gè)高動態(tài)范圍直接轉(zhuǎn)換調(diào)制器和解調(diào)器，因此最大限度地提高了穩(wěn)定性并降低了成本。

實(shí)用和可靠的射頻接收器設(shè)計(jì)

    接收器的核心是Linear公司的LT5516，這是一種高度集成化的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器，芯片上提供了一個(gè)精確正交移相器（0度至90度）。來自天線的信號在通過射頻濾波器之后，通過一個(gè)不平衡變壓器直接輸入到解調(diào)器輸入端口。由于LT5516的噪聲系數(shù)很低，在不需要低噪放大器（LNA）的情況下，仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。

    在接收數(shù)據(jù)時(shí)，讀卡器發(fā)射連續(xù)載波（未調(diào)制），以便為標(biāo)簽提供電源。在收到請求后，電子標(biāo)簽通過對載波進(jìn)行調(diào)幅，響應(yīng)一個(gè)碼流。所采用的調(diào)制方式為幅移鍵控（ASK）或者反相-幅移鍵控鍵控（PR-ASK）。解調(diào)器帶有兩個(gè)正交移相檢出式輸出端口，因此具備天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消導(dǎo)致某個(gè)通道無法接收信號，另一條通道（移相90度）就可接收較強(qiáng)的信號，反之亦然。這樣，整體接收可靠性就得以提高。

    一旦解調(diào)完成，即可將I（相內(nèi)）和Q（正交相位）差分輸出信號以AC方式耦合至一個(gè)運(yùn)算放大器（被配置為一個(gè)差分放大器），隨后被轉(zhuǎn)換為單端輸出信號。這個(gè)時(shí)候應(yīng)將高通角頻率設(shè)置為5KHz，低于接收數(shù)據(jù)流的最小信號頻率，高于最大多普勒頻率（可能被運(yùn)動標(biāo)簽采用），同時(shí)保持高于電力線頻率（60Hz）。這樣，輸出信號就能利用被配置為四階低通的LT1568順利穿過低通濾波器。低通角頻率應(yīng)被設(shè)置為5MHz，以便最大碼流信號穿過濾波器，達(dá)到基帶。 

    基帶信號然后被一個(gè)雙路低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（LTC2291，分辨率為12位）進(jìn)行數(shù)字化處理。由于標(biāo)簽碼流的帶寬為5KHz至5MHz，LTC2291能夠以25MSps的速率進(jìn)行充分的采樣，從而精確地捕獲解調(diào)信號。在需要的時(shí)候，還可在基帶DSP中實(shí)現(xiàn)額外的數(shù)字濾波。這樣，接收器就能具備最大的邏輯閾值設(shè)置靈活性，該設(shè)置可由基帶處理器以數(shù)字化方式執(zhí)行。

    基帶任務(wù)和數(shù)字化射頻信道化處理，可提高用全FPGA解決方案實(shí)現(xiàn)的吸引力和集成度。

高動態(tài)范圍射頻發(fā)射器設(shè)計(jì)

    發(fā)射器集成了一個(gè)鏡像抑制直接轉(zhuǎn)換式調(diào)制器。LT5568具備很高的線性度和較低的背景噪聲，因此能夠?yàn)樗l(fā)射的信號提供出色的動態(tài)范圍性能。調(diào)制器能夠從數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）接收正交式基帶I和Q信號，然后直接調(diào)制至900MHz發(fā)射頻率。

    在內(nèi)部，LO（本地振蕩器）被精確正交移相器分割。經(jīng)調(diào)制的射頻信號被合并為一個(gè)單端、單邊帶射頻輸出信號（鏡像被抑制了46dBc）。此外，調(diào)制器還帶有匹配的I和Q混合器，從而最大限度地抑制了LO載波信號（至-43dBm）。

    復(fù)合調(diào)制電路具備出色的鄰道功率比（ACPR），有助于滿足發(fā)射頻率屏蔽要求。例如，當(dāng)調(diào)制器射頻輸出電平為-8dBm時(shí)，ACPR指標(biāo)優(yōu)于-60dBc。由于具備更出色的ACPR性能，信號可被放大至許可的1w功率（在美國為+30dBm），或者放大至2w，以符合歐盟規(guī)范。在上述兩種情況下，重要的是保持電平固定，因?yàn)樵撾娖接糜谙螂娮訕?biāo)簽提供電源，并最大化讀卡距離。LTC5505型射頻功率檢測器的內(nèi)部溫度補(bǔ)償功能，可準(zhǔn)確地測定功率，提供穩(wěn)定的反饋信號，以調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出功率。

基帶處理和網(wǎng)絡(luò)接口

    在基帶頻率上，F(xiàn)PGA執(zhí)行發(fā)送至DAC和來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的波形的信道化任務(wù)。這一過程也被稱為數(shù)字中頻處理，涉及濾波、增益控制、頻率轉(zhuǎn)換和采樣率變化等。FPGA甚至可以并行處理多個(gè)信道。 

    圖2顯示了一個(gè)射頻讀卡器的架構(gòu)。其他基帶處理任務(wù)包括： 

    先導(dǎo)字段檢測 
    排序估計(jì) 
    調(diào)制和解調(diào)（ASK、頻移鍵控和相移鍵控） 
    信號產(chǎn)生 
    相關(guān)器處理 
    峰值檢測和閾值設(shè)定 
    CRC糾錯(cuò)和校驗(yàn)和 
    編碼和解碼（NRZ、Manchester、單極性、差分雙極性和Miller） 
    幀檢測 
    ID去擾 
    安全加密引擎

    所收到的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)可通過串口或網(wǎng)絡(luò)接口被傳送至企業(yè)系統(tǒng)服務(wù)器。這種傳統(tǒng)的架構(gòu)正逐步演變?yōu)橐粋€(gè)高級分布式 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)部分。在該網(wǎng)絡(luò)中，射頻讀卡器將負(fù)責(zé)管理臨近的標(biāo)簽。在這種情況下，射頻讀卡器就象是電子標(biāo)簽和連接至企業(yè)軟件系統(tǒng)的智化分布式數(shù)據(jù)庫之間的網(wǎng)關(guān)。

    取決于硬件/軟件功能分區(qū)情況，這些基帶任務(wù)即可在FPGA上完成，也可在DSP上完成，或者由二者聯(lián)合執(zhí)行。Xilinx公司推出了一個(gè)IP內(nèi)核套件，其中包括FIR、CIC、DDS、DUC、DDC、比特相關(guān)器、正弦/余弦LUT等。這些邏輯電路非常適合執(zhí)行加密引擎任務(wù)（加密引擎采用移位寄存器和XOR）。針對Xilinx® VirtexTM-4系列的DSP48引擎十分適合執(zhí)行其他信號處理任務(wù)。

    一個(gè)基帶處理器負(fù)責(zé)控制各種基帶處理任務(wù)的功能性和調(diào)度，還負(fù)責(zé)鏈路層協(xié)議。這些基帶處理任務(wù)包括跳頻、發(fā)送前偵聽、防沖突算法處理等?；鶐幚砥鬟€提供了以太網(wǎng)、USB、固件等接口。

    基帶任務(wù)和數(shù)字化射頻信道化處理，可提高全FPGA解決方案的吸引力和集成度。FGPA功能、DSP功能，以及基帶處理功能，都可被整合于一個(gè)帶有嵌入式處理器的FPGA。 

    圖 3 顯示了一個(gè)基于 FPGA 的 RFID 處理器的架構(gòu)。嵌入式處理器可以是一個(gè)硬核（譬如，Virtex-4 FX產(chǎn)品家族采用的PowerPCTM），還可以是一個(gè)軟核 （譬如SpartanTM設(shè)備中采用的MicroBlazeTM），甚至是PowerPC和MicroBlaze的結(jié)合體。用戶可以將內(nèi)置硬以太網(wǎng)MAC（EMAC）連接至外部以太網(wǎng)物理層，進(jìn)而連接至以太網(wǎng)。另外，用戶還可使用面向10/100-BaseT的Lite Ethernet MAC IP。

    PowerPC/MicroBlaze 嵌入式處理器執(zhí)行以下任務(wù)： 

    EPC數(shù)據(jù)處理 
    協(xié)議處理 
    詢問調(diào)度 
    TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口 
    控制和監(jiān)視 
    調(diào)制解調(diào)器控制 
    升級代理 
    HTTP服務(wù)器 
    SNMP/MIB 處理

    Xilinx千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)（GSRD）是一個(gè)基于 EDK 的參考系統(tǒng)，能夠在基于TCP/IP的協(xié)議接口和用戶數(shù)據(jù)接口之間搭起一座高性能的橋梁。GSRD的組件具備滿足TCP/IP系統(tǒng)每比特和每包開銷要求的功能。

    Xilinx還針對Monta Vista Linux和 Treck堆棧提供了發(fā)射性能基準(zhǔn)。采用 Xilinx Platform Studio （XPS）微處理器庫定義的Nucleus PLUS RTOS，為采用MicroBlaze和PowerPC處理器的系統(tǒng)帶來了新的優(yōu)勢。Nucleus PLUS RTOS尺寸很小，這意味著它能夠利用片上現(xiàn)有的存儲器，從而最大限度降低功耗，提高性能。此外，廣泛的中間件使得Nucleus PLUS RTOS成為RFID后端網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。 

    利用XilinxCoolRunnerTM-II型CPLD，手持式射頻讀卡器可連接至硬盤驅(qū)動器、QWERTY鍵盤、可移動硬盤接口、各種顯示設(shè)備和其他計(jì)算機(jī)外設(shè)（如圖4所示）。這些CPLD還能幫助應(yīng)用處理器，并且滿足低功耗、高性能和更小芯片封裝等要求。

結(jié)論

    將來，射頻讀卡器很可能具備前端 DSP功能，譬如射頻協(xié)議處理等。如今，這些功能在獨(dú)立式DSP中進(jìn)行處理，將來，它們很有可能被集成于FPGA。嵌入式軟處理內(nèi)核已可顯著提升DMIPS/MHz性能，不久以后，高版本的處理內(nèi)核將取代控制讀卡器應(yīng)用程序的后端外部處理器，從而借助可編程邏輯最大限度地提高射頻讀卡器設(shè)備的靈活性，同時(shí)最大限度降低其成本。

作者簡介：
Niladri Roy
Xilinx公司垂直市場營銷部ISM分部高級經(jīng)理
Akshaya Trivedi
Xilinx公司垂直市場營銷部無線分部高級系統(tǒng)工程師
James Wong
Linear公司產(chǎn)品行銷經(jīng)理