基于MCU+FPGA模式的RFID讀寫器設計

文章出處：http://5052h112.com 作者：高兵權，肖學福，張揚奇，劉金彪   人氣： 發表時間：2011年10月16日

     射頻識別技術RFID是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感和電磁耦合）傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別，射頻識別系統一般由兩部分組成，射頻標簽(Tag)和射頻讀寫器(Reader)。在RFID應用中，電子標簽附著在被識別物體上，當帶有射頻標簽的被識別物品進入讀寫器的可識讀范圍內，讀寫器自動以無接觸方式將射頻標簽中約定的信息讀取出來，從而實現自動識別物品和收集物品標志信息的功能。

    RFID技術在生產、零售、物流和交通等行業有著廣闊的應用前景 。為解決后勤物資在請領、運輸、分發等環節中的可視化動態監控問題，在軍事物流領域廣泛使用RFID技術，其基本用法是在倉庫、碼頭、車站、重要交通路口安裝布設射頻讀寫器網絡節點，當裝有射頻標簽的軍事物資通過時，相關的物資信息、運輸信息和安全信息被自動采集并上傳，實現了后勤物資保障供應鏈的可視化監控。

    1 射頻讀寫器功能要求

    射頻讀寫器用于遠距離讀寫射頻標簽內部存儲的各類信息．考慮在運輸途中的物資監控能力．要求射頻讀寫器適應于野外工作環境．設計可靠的抗干擾和保護措施 射頻讀寫器主要性能要求如下：
    (1)全向的射頻標簽識別、讀寫功能；
    (2)高速的數據處理能力：
    (3)多樣化的數據通信接口設計：
    (4)能夠適應高速運動狀態下的射頻標簽快速識讀：
    (5)使用于交／直流供電場合，考慮車載化設計；
    (6)完善地抗干擾，防雷擊、浪涌措施；
    (7)軟件中間件開發、配置、運行方便、快捷。

    2 讀寫器結構組成

    根據功能需求，射頻讀寫器的設計主要由控制模塊、射頻收發模塊、天線單元、通訊接口模塊和電源模塊五部分組成．如圖1所示。控制模塊以NXP公司LPC23系列高性能ARM7嵌入式微控制器(MCU)為核心。內置μC／OS—II多任務操作系統．構成實時多任務高速數據處理平臺，通過外圍電路實現了射頻控制、空中協議、數據存儲、以太網協議和串口通訊等功能。

     射頻讀寫器介于射頻標簽和軟件中間件之間，是數據鏈路層和媒體接入層協議棧的主要承載者．要求有高速、大容量數據處理能力和實時多任務控制能力。為此，讀寫器設計了32位高速MCU+FP—GA+IxC／OS—II多任務操作系統構成的嵌入式實時多任務處理平臺。該平臺可靠、穩定，且具有外圍接口豐富和可擴展性好等特點。有效保證了信息的快速采集、處理和交換射頻收發模塊完成載波產生、空中信令調制／解調功能，天線單元的兩個天線相互垂直交叉布置。通過小型射頻電纜與射頻收發電路相連．實現讀寫田器全向收發射頻信號的功能。通信接口模塊提供RS232、RS485和以太網3種通信接口。電源模塊為軟硬件系統運行提供了可靠的交直流供電保障。

    3 硬件系統設計

    3．1 基于PowerPC體系的MCP860T嵌入式處理器

    在射頻讀寫器的硬件系統設計中，嵌入式微處理器的性能無疑是影響整個設備性能的一個關鍵因素。根據系統的功能和性能需求，經過論證比較，MCU采用了NXP公司的32位LPC2387 ARM7微控制器，最好工作頻率達到了72MHz，可實現數據的高速吞吐傳輸，系統具備較強的快速響應能力。LPC2387是一款外圍資源豐富的控制器．集成512KB Flash Rom．98KB SRAM．硬件可加密程序代碼空間，最大限度地保護開發者的知識產權，保證了軍事應用的安全性 該控制器共集成8類15個串行通信接口。包括1路10／100Mb／s Ethernet．工業級PHY．1路USB2．0全速(12Mb／s)數據接口，2路CAN接口，4個UART控制器(UART1符合16C550工業標準,UART3支持IrDA模式)，3路高速I2C總線，最高數據傳輸速度為400kb／s．1路PS。1路SPI和2路帶緩沖的SSP總線 豐富的接VI滿足了數據通信和外圍擴展的需要：LPC2387支持SD／MMC接口，為大量配置信息和臨時物資信息的存儲提供了保障 該控制器的工作溫度為-40~C～+85~C，LQFP100封裝，滿足了軍事應用的寬工作溫度、小體積尺寸的要求。另外，LPC2387提供了看門狗定時器、4個32位定時器／計數器和豐富的GPIO資源。

     3．2 采用FPGA實現復雜的邏輯控制FPGA采用Lattice公司的LFXP3C邏輯器件，主要完成了6項功能：實現與CPU的接口、進行系統中斷處理、實現多通道數據編解碼、完成對射頻板開關的控制、ADC控制部分和LED控制部分 由于采用了FPGA實現數字電路編解碼功能，對比軟件編解碼，系統的可靠性大大提高。

    3．3 通信接口和保護措施

    射頻讀寫器通信接口有以太網、RS-485和RS-232三類．為保證數據可靠傳輸,設備適應野戰環境,各類接口均設計了保護電路。

    以太網接口的保護電路分二級保護：放電管和TVS陣列芯片,可防護雷擊和浪涌對網絡隔離變壓器的沖擊在該電路中使用TVS陣列芯片主要是因為該芯片內部設計的TVS二極管結電容較小．可大大降低對高速網絡數據的影響

    RS一232和RS一485的保護電路分為3級保護：自恢復保險絲、放電管和TVS二極管，可以防護過流、雷擊和浪涌的沖擊。

    3．4 可靠的供電電路設計

    電源模塊為讀寫器內部的各部分電路提供電源保障讀寫器具備交直流兩種供電方式,交流電源電路設計為寬電壓(90～260V)輸入，直流電壓輸入范圍：12～24V。適應范圍較寬。為提高系統的可靠性。電源模塊選用成熟的AC／DC和DC／DC。

    電源模塊將外部接人的交直流電源進行濾波、降壓和穩壓處理 交流電源和直流電源都加有壓敏電阻、陶瓷氣體放電管和電源濾波器。壓敏電阻和陶瓷氣體放電管主要起到過壓保護的作用，電源濾波器則可過濾供電電源的高頻干擾信號，以保證系統在較為惡劣的供電環境下仍然能夠正常工作 電源處理電路還設計了瞬變電壓保護電路，可有效保護讀寫器的單元電路。

    3．5 天線分集技術設計

    射頻讀寫器中低頻接收機的設計，采用了在兩個相互垂直的方向上進行天線分集接收的技術，使得射頻標簽從任一方向進入激勵磁場時都能被可靠激活 讀寫器采用的雙通道分集接收與發射技術，保證了識讀區域無方向性、無盲區。這兩項天線分集技術成功解決了標簽高速移動狀態下數據收發的多徑效應問題，有效提高了識別的準確率，實現了在運物資信息的高速動態采集。

    4 軟件系統功能

    軟件系統采用了源代碼開放的μC／OS—II嵌入式操作系統作為管理平臺．具有較強的穩定性和安全性，結構緊湊。軟件系統還采取了許多安全技術措施，包括對讀、寫進行權限控制、帶保護的子系統、審計跟蹤、核心授權等．為用戶提供了必要的安全保障 射頻讀寫器對外提供的功能和接13控制函數體系如圖2所示

    5 結語

    本文提出了一種基于MCU+FPGA的射頻讀寫器設計方案。該方案具有數據處理速度高效、通信和控制接口豐富、軟件開發配置簡便的特點。由此研制的軍用射頻識別讀寫器,已經通過了相關部門的鑒定．并且通過應用實踐證明，該產品的運行穩定、可靠。