基于物流管理的超高頻（UHF）讀寫器設計
文章出處：http://5052h112.com 作者：吳紹光，陳吉，徐斌富 人氣： 發表時間：2011年10月17日
引言
射頻識別(RFID)是一種非接觸的自動識別技術，它利用天線來傳輸射頻信號，利用空間耦合實現非接觸供電，并進行非接觸雙向數據通信，而達到自動識別目標并交換數據的目的。與傳統的條形碼識別方式相比，射頻識別技術能對移動的多個目標進行識別，而且還具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、數據加密等優點。因而RHD技術廣泛應用于交通運輸、物流管理、門禁系統等眾多領域。相對而言，UHF頻段的發展遠沒有低頻和高頻段成熟，而UHF頻段的讀寫距離遠和更快的讀取速度讓其在國際物流、公路自動收費等領域有著獨特的優勢，目前已成為RFID技術應用的一個主流發展方向。
1 讀寫器的整體結構
讀寫器的整體結構
本文提出的基于物流管理的讀寫器工作在UHF91 5MHz頻率下。FPGA是大規模可編程器件中的另一大類PLD(programmable logic device)器件，既繼承了ASIC的大規模、高集成度、高可靠性等優點，又克服了普通ASIC設計周期長、投資大、靈活性差的缺點，逐步成為復雜數字硬件電路設計的首選。奧地利微電子公司的AS3990射頻收發器產品適用于UHF頻段，針對便攜、固定、近距或遠距應用進行了個性優化，多種產品可采用同一種軟件接口。它是一款高度集成的UHF讀寫器芯片，包括AFE、數據幀、編碼/解碼，支持MCU和電源管理，支持密集讀寫模式，天線驅動用OOK、ASIC或PR-ASK調制，創新化的雙輸入接收器可以消除通信盲區。該芯片是64引腳QFN封裝，并支持目前業界最低功耗BOM(Bill of Material，物料清單)的解決方案，所以是講究功耗成本的應用首選。AS3990繼承了EPC Classl Gen2(ISO 18000-6C)協議引擎，其高速的數據處理能力可以完成發送和接收數據幀的處理，而且在Direct Data Mode模式下還可以實現ISO 18000-6A和ISO 18000-6B協議。為了減輕處理器的工作負擔并保證穩定的數據流以及正確的協議處理，AS3990采用了一個12字節的FIFO寄存器來管理數據幀。內置的可編程選項可以使它適合于UHF頻段里的所有應用，還可以直接進入其內置控制寄存器對各種讀寫器參數進行微調。
讀寫器RF前端采用零中頻接收結構。由頻率合成器產生所需要的RF信號，然后經過功率分配器得到兩路載波信號，分別用于發送通路和接收通路。發送通路采用OOK調制，基帶信號通過開關通斷控制載波是否經過功放，并用天線發送；接收通路中接收信號先經過功率分配、放大等操作，然后分別送到混頻器和兩路正交的載波信號進行混頻，對混頻之后的信號經過濾波、放大等操作恢復出數字基帶信號。該系統之所以采用兩路正交混頻結構，主要是為了避免射頻場中存在接收盲點。如果只采用一路接收信號，當接收信號的相位和本振信號的相位相差90°，混頻后的信號始終為0，即有用信號沒有解調出來。但采用正交I和Q兩路接收信號，無論相位延時多少，I和Q中總有一路能解調出有用信號。
AS3990芯片與控制器之間的接口可以采用串行數據接口，為了采用較高的傳輸速率時也可以采用并行接口。本設計采用FPGA與AS3990芯片的并行連接通信，AS3990的IO0-I07、IRQ、CLK、VCC，CLSYS接口與FPGA相連接，如圖1所示，其中IRQ為中斷，IO0-I07為數據的雙向并行口。芯片內部有32個寄存器用來實現其傳輸協議和監測工作狀態，通過對內部寄存器的設置，來控制芯片的傳輸模式、調制方式、傳輸速率等。在常規工作模式下，即支持ISO 18000-6C標準，傳輸數據的編碼與解碼，CRC校驗碼的生成和校驗都是在芯片內部完成的，還有自動產生幀同步、引導碼，將從MCU傳遞的數據轉換成數據幀格式后再發送，且發送和接收都是通過FIFO寄存器傳輸的。而在直接數據模式下，數據的編解碼和CRC校驗碼的生成與校驗都在芯片外部實現，而且發送和接收只能直接地、無緩沖地從FIFO中輸出碼流，可以用該模式來實現ISO 18 000-6B、6A協議等。
2 讀寫器數字基帶部分設計
數字部分由控制器、存儲器組成，主要完成命令信號的發送和數字邏輯的控制，并且實現與PC機的通信和對RF模塊的控制。
2．1 RF部分初始化
部分主要是完成對AS3990芯片內部寄存器的配置。
芯片上電復位以后，配置寄存器初始化為其默認值，使芯片可以在EPC Class1 Gen2協議下工作，但為了使芯片的工作性能達到最優化或者實現ISO/IEC18000-6A、6B協議等，則必須重新配置寄存器的值。主要實現以下內容的配置：
(1)AS3990有兩種工作模式，分別支持和實現不同的協議，為常規數據模式(Normal Data Mode)和直接數據模式(Direct Data Mode)。在常規數據模式中，發送和接收的數據是通過內部FIFO寄存器傳輸的，所有數據的處理過程都是在芯片內部完成的。在直接數據模式中，數據處理是在芯片外部實現的，由控制部分完成，可以利用該模式來實現ISO 18000-6A、6B協議等。
(2)選擇系統工作頻率。AS3990芯片規定的UHF讀寫器工作頻率是860～960MHz，我們可以根據具體情況和實際應用來設定其工作頻率。
(3)設定傳輸速率，包括讀寫器到標簽的數據速率和標簽到讀寫器的數據速率。其中讀寫器到標簽的比特率范圍為26．7～128kbps，標簽到讀寫器的傳輸速率在40～640kHz之間。
