基于arm9的超高頻rfid讀寫器設(shè)計(jì)

基于arm9的超高頻rfid讀寫器設(shè)計(jì)

0種超高頻rfid讀寫器軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)rfid信號(hào)識(shí)別技術(shù)是利用高頻信號(hào)通過(guò)空間通信（交換磁體或磁體）原理，實(shí)現(xiàn)非接觸信息的傳輸，并通過(guò)傳輸信息來(lái)識(shí)別目標(biāo)信息的技術(shù)。通常RFID系統(tǒng)包括RFID讀寫器、RFID標(biāo)簽和系統(tǒng)軟件三大組成部分。RFID系統(tǒng)按工作頻段的不同,可分為低頻、高頻、超高頻(UltraHighFrequency,UHF)和微波系統(tǒng)。與低頻和高頻RFID技術(shù)相比,UHF頻段RFID技術(shù)具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、高速讀取等優(yōu)勢(shì)。隨著UHF標(biāo)簽的價(jià)格不斷下降,大大降低了RFID技術(shù)的應(yīng)用門檻,UHF頻段遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已逐步由車輛應(yīng)用,轉(zhuǎn)為現(xiàn)代物流、電子商務(wù)、交通管理及軍事管理等各個(gè)領(lǐng)域,成為目前RFID技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。本文給出了一種支持ISO/IEC18000-6C協(xié)議的超高頻RFID讀寫器軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件采用三星ARM9微處理器(S3C2440A)為主控器,射頻處理采用奧地利微電子公司超高頻讀寫器芯片AS3992為核心。為了提高發(fā)射機(jī)輸出功率水平和接收信噪比,使標(biāo)簽穩(wěn)定識(shí)別距離達(dá)到10m,設(shè)計(jì)了外接功率放大電路、射頻功率檢測(cè)電路和天線阻抗匹配數(shù)字調(diào)諧等電路。軟件采用Linux2.6操作系統(tǒng)并開發(fā)設(shè)計(jì)了超高頻RFID讀寫器Web固件控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽盤存和讀寫器網(wǎng)絡(luò)配置等操作。讀寫器穩(wěn)定高速讀取ISO/IEC18000-6C協(xié)議標(biāo)簽的距離達(dá)到10m。1系統(tǒng)的硬件構(gòu)成超高頻RFID讀寫器系統(tǒng)架構(gòu)劃分為四層:應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層、硬件控制層和射頻前端,如圖1所示。應(yīng)用層由讀寫器固件系統(tǒng)和嵌入式Web通信系統(tǒng)構(gòu)成,前者負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)射頻芯片AS3992的初始化、ISO/IEC18000-6C協(xié)議和標(biāo)簽盤存防碰撞算法等;后者主要功能是為讀寫器配置和標(biāo)簽盤存等操作提供瀏覽器界面,接收并處理用戶操作命令請(qǐng)求。操作系統(tǒng)層是整個(gè)系統(tǒng)的核心層,通過(guò)搭建運(yùn)行Linux2.6操作系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)LinuxSPI設(shè)備等驅(qū)動(dòng)程序,為應(yīng)用層操作網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和AS3992等設(shè)備提供設(shè)備I/O接口。硬件控制層以ARM9微處理器S3C2440A為主控單元,構(gòu)建最小硬件系統(tǒng)。硬件控制層通過(guò)SPI接口,實(shí)現(xiàn)與RFID射頻模塊的數(shù)據(jù)通信。射頻前端以AS3992為核心,主要功能包括接收來(lái)自硬件控制層的數(shù)據(jù),并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議編碼、調(diào)制載波等;此外對(duì)接收的標(biāo)簽反散射射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼、生成數(shù)據(jù)幀,以供主制模塊讀取。在硬件上主要由讀寫器射頻芯片AS3992電路、900MHzBalun電路、外置功率放大器電路SKY65111-348LF、20dB定向耦合器RCP890A10以及天線阻抗匹配電路組成,電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。2閱讀系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)超高頻讀寫器硬件電路主要由S3C2440A及其外圍接口電路組成的主控電路模塊和射頻電路模塊兩大部分組成。2.1讀寫器控制模塊硬件設(shè)計(jì)S3C2440A是Samsung公司基于ARM920TRISC指令集推出的高度集成16/32位微處理器芯片,其CPU主頻可穩(wěn)定運(yùn)行在400MHz。S3C2440A內(nèi)置集成多種外圍設(shè)備控制器接口,包括NANDFlash控制器、TFT/STNLCD控制器、DM9000以太網(wǎng)控制器以及SPI控制器等,為UHF讀寫器硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)降低難度和門檻。本文設(shè)計(jì)的讀寫器控制模塊硬件部分由S3C2440A控制器、DM9000以太網(wǎng)接口、SPI、JTAG、UART、SDRAM和NANDFlash等外圍設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)上電后,從NANDFlash開始自動(dòng)引導(dǎo)加載嵌入式Linux操作系統(tǒng)的啟動(dòng),完成硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化;限于篇幅的原因,引導(dǎo)加載程序BootLoader和Linux操作系統(tǒng)的移植方法可參考文獻(xiàn)。2.2設(shè)計(jì)高頻設(shè)備2.2.1接收設(shè)備及配置射頻電路模塊以讀寫器射頻芯片AS3992為核心,以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別(~10m)應(yīng)用目標(biāo)。AS3992是具有射頻信號(hào)前端處理和ISO/IEC18000-6C/B900MHzRFID協(xié)議處理的超高頻讀寫器專用芯片,接收靈敏度高達(dá)-86dB。片內(nèi)發(fā)射機(jī)支持底層數(shù)據(jù)處理功能,包括協(xié)議編碼、自動(dòng)生成和添加幀同步碼、前同步碼和CRC校驗(yàn)碼,支持ASK和PR-ASK載波調(diào)制;支持低功率高線性輸出(~0dBm)和高功率輸出(內(nèi)部功放~20dBm)兩種方式,前者用于驅(qū)動(dòng)外部功率放大電路,實(shí)現(xiàn)大功率輸出和遠(yuǎn)距離通信,后者用于短距離射頻通信。片內(nèi)接收機(jī)采用零中頻方案,由2路接收混頻電路、增益控制電路、可編程濾波電路、數(shù)字基帶電路部分(包括判決電路、比特譯碼器和數(shù)據(jù)幀組裝)組成;支持調(diào)幅和調(diào)相解調(diào)。經(jīng)數(shù)字基帶電路處理后的結(jié)果按字節(jié)的方式存放在片內(nèi)24ByteFIFO寄存器中,供主控模塊訪問(wèn)。AS3992與主機(jī)(MCU)通信方式可采用并行或SPI串行方式通信。S3C2440A提供2路8bitSPI控制器,因此本設(shè)計(jì)采用SPI串行通信方式,并采用外部中斷方式,實(shí)現(xiàn)S3C2440A與AS3992寄存器配置和數(shù)據(jù)讀寫。在SPI串行通信模式下,AS3992通信數(shù)據(jù)速率最高為2Mbps。2.2.2功率放大器芯片為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離(~10m)標(biāo)簽射頻識(shí)別,UHFRFID讀寫器的發(fā)射機(jī)通常在50Ω負(fù)載下,需輸出28~33dBm輸出功率。因此在本設(shè)計(jì)中,AS3992發(fā)射機(jī)選擇低功率高線性差分輸出方式,用于驅(qū)動(dòng)外接的功率放大器電路。外接功率放大器采用SkyworksincSKY65111-348LF,其主要特點(diǎn)是高增益、高效率,輸出功率在915MHz高于33dBm,芯片內(nèi)部集成了3級(jí)模擬電壓功放增益控制電路,用于控制功放功率輸出水平。表1列舉了在給出的條件下:VCC=5V,VREF=3.5,VAPC=2.7V,PIN=-30dBm,TMP=25℃,SKY65111-348LF功率放大器芯片主要參數(shù)指標(biāo)。在射頻線性放大器中,1dB壓縮點(diǎn)定義為使增益比線性放大器增益下降1dB所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)幅度值。若輸入輸出均用dB表示,則根據(jù)1dB壓縮點(diǎn)的定義可給出式(1):其中:Vim-1dB、Vom-1dB分別為1dB壓縮點(diǎn)輸入、輸出信號(hào)功率大小,Gain為放大器的功率線性增益大小。由式(1)可知,在增益大小為40dB,輸出1dB壓縮點(diǎn)Vom-1dB為29.5dBm情況下,理論輸入1dB壓縮點(diǎn)Vim-1dB是-9.5dBm。因此在本設(shè)計(jì)中AS3992選擇低功率高線性輸出(~0dBm)方式驅(qū)動(dòng)外部功率放大器SKY65111-348LF,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離(~10m)標(biāo)簽識(shí)別對(duì)發(fā)射機(jī)功率輸出要求,設(shè)計(jì)的外接功率放大器電路如圖3所示。2射頻功率檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中,發(fā)射機(jī)功率輸出水平要求在0~33dBm之間動(dòng)態(tài)可調(diào)。為了保證實(shí)際輸出功率和設(shè)置功率一致,系統(tǒng)中增加放置了MaximMAX2206EBS+射頻功率檢測(cè)模塊,用于測(cè)量調(diào)整發(fā)射機(jī)實(shí)際輸出功率水平。設(shè)計(jì)采用的MaximMAX2206EBS+功率檢測(cè)芯片的工作頻率范圍在800MHz~2GHz,最大測(cè)量RF輸入信號(hào)功率大小為~20dBm,芯片測(cè)量結(jié)果以模擬電壓方式輸出,且輸出電壓大小與RF輸入信號(hào)功率強(qiáng)弱成正比。射頻功率檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)原理為:將功率檢測(cè)模塊RF輸入引腳RFIN連接至定向耦合器的耦合端P3上,如圖3所示,測(cè)量定向耦合器耦合端RF輸出功率大小,并將功率檢測(cè)模塊的測(cè)量結(jié)果輸出引腳OUT連接至AS3992的ADC輸入引腳上,同時(shí)將AS3992DAC輸出引腳連接至外接功率放大器SKY65111-348LF的模擬電壓增益控制引腳Vapc2上,用于動(dòng)態(tài)調(diào)整放大器的功率增益大小。測(cè)量時(shí)測(cè)量結(jié)果經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后保存在AS3992ADC只讀寄存器中,供主控模塊讀取。主控模塊S3C2440A通過(guò)SPI接口讀取AS3992ADC寄存器值,并根據(jù)ADC寄存器值的大小,控制調(diào)整AS3992DAC輸出引腳電壓大小(0~3.2V),以實(shí)現(xiàn)控制調(diào)整功率放大器的增益控制引腳Vapc2的輸入電壓大小和增益大小,進(jìn)而調(diào)整控制發(fā)射機(jī)輸出功率大小,直至達(dá)到預(yù)期設(shè)置的輸出功率大小。圖3為讀寫器射頻芯片AS3992的輸出匹配電路、外部功率放大器電路、射頻功率檢測(cè)模塊及定向耦合器電路設(shè)計(jì)原理圖。3讀寫器天線阻抗匹配調(diào)諧電路UHF射頻電路中各個(gè)射頻模塊一般都是與特性阻抗為Z0(一般是50Ω)的微帶傳輸線相連,因此在各射頻模塊與傳輸線之間就要進(jìn)行阻抗匹配。進(jìn)行阻抗匹配的必要性在于:一方面可向負(fù)載輸出最大的功率輸出,在天線、低噪聲放大器或混頻器等接收機(jī)前端可以改善噪聲系數(shù)等;另一方面,UHFRFID讀寫器使用外接天線與無(wú)源標(biāo)簽進(jìn)行通信,但天線的夾具形狀和尺寸的易變性,使天線的負(fù)載阻抗和駐波比容易隨外部環(huán)境的變化發(fā)生變化,造成讀寫器傳輸功率的損耗和接收靈敏度下降。此外,根據(jù)自由空間UHF射頻最大傳輸距離(R)Friis計(jì)算公式如式(2)所示:其中:Pt為讀寫器的發(fā)射功率;Gt為讀寫器的外接天線的增益大小;Gr、τ、Pth分別為無(wú)源標(biāo)簽的天線增益、傳輸系數(shù)、啟動(dòng)標(biāo)簽芯片工作的門限功率。由式(2)可知,提高讀寫器天線端發(fā)射功率Pt,可有效地增加RFID系統(tǒng)的最大傳輸距離。因此,為了使讀寫器發(fā)射機(jī)向天線負(fù)載端輸出最大功率、改善接收機(jī)鏈路信噪比,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了微帶傳輸線(Z0=50Ω)和讀寫器天線之間的阻抗匹配數(shù)字調(diào)諧電路,如圖4所示。在本設(shè)計(jì)中,采用電感、電容和數(shù)字可調(diào)電容(DigitallyTunableCapacitor,DTC)PE64904構(gòu)成讀寫器天線阻抗匹配調(diào)諧電路。電感選用Coilcraft公司的高Q值系列,貼片電容則選用Murata公司的GRM系列和GJM系列,分別用于信號(hào)隔直旁路和高頻電容。PE64904是集成3線SPI數(shù)字接口的5bit數(shù)字可調(diào)電容,支持RF大功率信號(hào)處理,并支持串聯(lián)(C=0.7~4.6pF)和并聯(lián)(C=1.12~5.18pF)方式使用。設(shè)計(jì)的讀寫器天線阻抗匹配數(shù)字調(diào)諧電路的工作原理為:讀寫器射頻芯片AS3992的接收機(jī)包含RF反射信號(hào)輸入水平指示器模塊,可用來(lái)電路或天線環(huán)境問(wèn)題診斷,包括天線的反射功率過(guò)大、天線環(huán)境易反射和定向耦合器泄露等問(wèn)題。測(cè)量發(fā)射載波反射功率大小時(shí),RF反射信號(hào)輸入水平指示器通過(guò)AS3992內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器測(cè)量接收機(jī)混頻器RF輸出DC信號(hào)水平,測(cè)量結(jié)果與RF輸入信號(hào)強(qiáng)弱成正比,供主控模塊讀取。主控模塊S3C2440A通過(guò)SPI接口與PE64904進(jìn)行通信,并動(dòng)態(tài)調(diào)整PE64904容值C大小,直至RF反射指示器測(cè)量結(jié)果最小,也即發(fā)射載波反射功率最小,從而達(dá)到向天線負(fù)載端輸出最大發(fā)射功率,同時(shí)改善接收機(jī)信噪比。PE64904功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。3web系統(tǒng)模塊在超高頻RFID讀寫器系統(tǒng)中,讀寫器射頻芯片AS3992提供射頻模擬信號(hào)前端處理和ISO/IEC18000-6C協(xié)議處理功能,而主機(jī)系統(tǒng)與AS3992的SPI通信控制、ISO/IEC18000-6C協(xié)議實(shí)現(xiàn)、標(biāo)簽防碰撞算法以及Web通信系統(tǒng)等均由基于嵌入式Linux的讀寫器Web固件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。3.1主機(jī)主機(jī)as2998系統(tǒng)中,AS3992作為從機(jī)采用SPI接口與主控模塊S3C2440A主機(jī)進(jìn)行通信,并由主控模塊發(fā)起所有通信過(guò)程。AS3992通信協(xié)議由開始條件(StartCondition)引導(dǎo),其后為一字節(jié)的地址或命令字。AS3992與主機(jī)數(shù)據(jù)通信協(xié)議存在三種模式:連續(xù)地址模式、非連續(xù)地址模式和命令模式。在地址模式中,地址字節(jié)之后均為有效數(shù)據(jù)。在連續(xù)地址模式中,給出通信首地址,AS3992將自動(dòng)按字節(jié)依次增加讀寫地址,完成多字節(jié)的數(shù)據(jù)交換;在非連續(xù)地址模式下,一字節(jié)地址只能讀寫一字節(jié)數(shù)據(jù);命令模式用于向AS3992發(fā)送操作命令,如命令開始發(fā)送、跳頻等。三種通信模式均由正確的結(jié)束條件終止,連續(xù)地址模式由連續(xù)地址結(jié)束信號(hào)(StopCont)終止、其他兩種模式由非連續(xù)地址結(jié)束符來(lái)結(jié)束(StopSgl)。三種模式的典型數(shù)據(jù)通信格式如圖6所示。圖7為S3C2440A與讀寫器芯片AS3992射頻通信流程。3.2randomsolte算法防碰撞技術(shù)AS3992支持ISO/IEC18000-6C協(xié)議全部功能,ISO/IEC18000-6C協(xié)議規(guī)定的標(biāo)簽操作流程為選擇(Select)→盤存(Query)→訪問(wèn)(Access)。ISO/IEC18000包括TypeA、B、C三種類型,三者區(qū)別在于標(biāo)簽的防碰撞算法和編碼方式不同。針對(duì)ISO/IEC18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),采用RandomSlotted算法(也叫Q算法)。Q算法的防碰撞原理是:在一個(gè)新的盤存周期,起始Q值(0~15)在讀寫器的Query命令中參數(shù)指定,標(biāo)簽接收到讀寫器Query命令后,通過(guò)生成存儲(chǔ)在標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器(Slotcounter)的隨機(jī)時(shí)隙值slot(0~2Q-1)。如果生成的slot值為0,標(biāo)簽將立即響應(yīng),否則標(biāo)簽進(jìn)入仲裁(Arbitrate)狀態(tài)等待接收到讀寫器QueryRep或QueryAdjust命令后,slot值將減1,直至slot值為0標(biāo)簽將進(jìn)入回答(Reply)狀態(tài)并立即響應(yīng)。Q值取值范圍在(0~15),對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽響應(yīng)概率范圍在(2-15~20)。如果多個(gè)標(biāo)簽在一個(gè)時(shí)隙時(shí)間的slot值等于0時(shí),多個(gè)標(biāo)簽將同時(shí)響應(yīng),此時(shí)讀寫器將檢測(cè)到碰撞發(fā)生。此外,在系統(tǒng)盤存標(biāo)簽過(guò)程中,采取合適的Q值調(diào)整算法,使2Q大小和未讀取標(biāo)簽數(shù)量約相等時(shí),可使系統(tǒng)標(biāo)簽盤存效率最高,提高單位時(shí)間內(nèi)成功識(shí)別的標(biāo)簽量。因此設(shè)計(jì)中,讀寫器根據(jù)檢測(cè)到碰撞發(fā)生的次數(shù)與當(dāng)前Q值之間的關(guān)系,動(dòng)態(tài)調(diào)整Q值,對(duì)符合ISO/IEC18000-6C標(biāo)簽進(jìn)行盤存流程如圖8所示。3.3應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的Web通信系統(tǒng)由嵌入式BoaWeb服務(wù)器和CGIC程序設(shè)計(jì)構(gòu)成。Boa是基于GNU/Linux平臺(tái)的Web服務(wù)器,其特點(diǎn)包括速度快和安全。Boa源碼開放、支持CGI編程,可執(zhí)行文件大小約60KB,特別適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中,所以本文選擇Boa作為系統(tǒng)Web服務(wù)器。Boa的移植和配置方法可參考文獻(xiàn)[14-15]。CGI(CommonGatewayInterface)是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與Web服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。CGI規(guī)范定義了Web服務(wù)器如何向擴(kuò)展應(yīng)用程序發(fā)送消息,又如何對(duì)接收來(lái)自外部擴(kuò)展應(yīng)用程序的消息進(jìn)行處理等。CGI程序就是遵循這種接口標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行在Web服務(wù)器上的應(yīng)用程序。CGI應(yīng)用程序與Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信是根據(jù)環(huán)境變量、命令行參數(shù)設(shè)置和標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出來(lái)進(jìn)行的。CGI應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入是Web服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)輸出,而其標(biāo)準(zhǔn)輸出是Web服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)輸入。客戶端的請(qǐng)求通過(guò)Web服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)輸出傳送至CGI應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入,CGI應(yīng)用程序?qū)邮盏南⑦M(jìn)行處理后,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸出方式將處理結(jié)果發(fā)送至Web服務(wù)器,最后由服務(wù)器返回至客戶端。CGI應(yīng)用程序支持多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫。由于C語(yǔ)言的平臺(tái)無(wú)關(guān)性和優(yōu)秀的靈活性,本文采用C語(yǔ)言開發(fā)CGI應(yīng)用程序。基于嵌入式BoaWeb服務(wù)器和CGIC編程的Web通信系統(tǒng)流程如圖9所示。本設(shè)計(jì)中,CGIC應(yīng)用程序模塊接收來(lái)自Web服務(wù)器接收的用戶命令請(qǐng)求,并將接收的命令請(qǐng)求通過(guò)進(jìn)程間通信方式———消息隊(duì)列發(fā)送至讀寫器固件程序,最終由固件程序通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)完成命令處理并反向返回結(jié)果。圖10為讀寫器固件程序接收處理Web命令流程。4性能分析對(duì)UHF頻段的RFID讀寫器設(shè)備射頻指標(biāo)測(cè)試,我國(guó)目前參考的標(biāo)準(zhǔn)是《800/900MHz頻段射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)應(yīng)用規(guī)定(試行)》。在標(biāo)準(zhǔn)中,該頻段的RFID無(wú)線電發(fā)射設(shè)備規(guī)定測(cè)試的射頻指標(biāo)包括載波頻率容限為0.00002;信道帶寬及信道占用帶寬(99%能量)為250kHz;發(fā)射功率限制為33dBm;鄰道功率泄漏比(Adjace