基于MCU+FPGA模式的RFID讀寫(xiě)器設計
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：高兵權，肖學(xué)福，張揚奇，劉金彪 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月16日
射頻識別技術(shù)RFID是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，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(shí)現對被識別物體的自動(dòng)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(xiě)器(Reader)。在RFID應用中，電子標簽附著(zhù)在被識別物體上，當帶有射頻標簽的被識別物品進(jìn)入讀寫(xiě)器的可識讀范圍內，讀寫(xiě)器自動(dòng)以無(wú)接觸方式將射頻標簽中約定的信息讀取出來(lái)，從而實(shí)現自動(dòng)識別物品和收集物品標志信息的功能。
RFID技術(shù)在生產(chǎn)、零售、物流和交通等行業(yè)有著(zhù)廣闊的應用前景 。為解決后勤物資在請領(lǐng)、運輸、分發(fā)等環(huán)節中的可視化動(dòng)態(tài)監控問(wèn)題，在軍事物流領(lǐng)域廣泛使用RFID技術(shù)，其基本用法是在倉庫、碼頭、車(chē)站、重要交通路口安裝布設射頻讀寫(xiě)器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，當裝有射頻標簽的軍事物資通過(guò)時(shí)，相關(guān)的物資信息、運輸信息和安全信息被自動(dòng)采集并上傳，實(shí)現了后勤物資保障供應鏈的可視化監控。
1 射頻讀寫(xiě)器功能要求
射頻讀寫(xiě)器用于遠距離讀寫(xiě)射頻標簽內部存儲的各類(lèi)信息．考慮在運輸途中的物資監控能力．要求射頻讀寫(xiě)器適應于野外工作環(huán)境．設計可靠的抗干擾和保護措施 射頻讀寫(xiě)器主要性能要求如下：
(1)全向的射頻標簽識別、讀寫(xiě)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(dòng)狀態(tài)下的射頻標簽快速識讀：
(5)使用于交／直流供電場(chǎng)合，考慮車(chē)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(kāi)發(fā)、配置、運行方便、快捷。
2 讀寫(xiě)器結構組成
根據功能需求，射頻讀寫(xiě)器的設計主要由控制模塊、射頻收發(fā)模塊、天線(xiàn)單元、通訊接口模塊和電源模塊五部分組成．如圖1所示?？刂颇K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(wù)操作系統．構成實(shí)時(shí)多任務(wù)高速數據處理平臺，通過(guò)外圍電路實(shí)現了射頻控制、空中協(xié)議、數據存儲、以太網(wǎng)協(xié)議和串口通訊等功能。
射頻讀寫(xiě)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(xié)議棧的主要承載者．要求有高速、大容量數據處理能力和實(shí)時(shí)多任務(wù)控制能力。為此，讀寫(xiě)器設計了32位高速MCU+FP—GA+IxC／OS—II多任務(wù)操作系統構成的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)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(diǎn)。有效保證了信息的快速采集、處理和交換射頻收發(fā)模塊完成載波產(chǎn)生、空中信令調制／解調功能，天線(xiàn)單元的兩個(gè)天線(xiàn)相互垂直交叉布置。通過(guò)小型射頻電纜與射頻收發(fā)電路相連．實(shí)現讀寫(xiě)田器全向收發(fā)射頻信號的功能。通信接口模塊提供RS232、RS485和以太網(wǎng)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(xiě)器的硬件系統設計中，嵌入式微處理器的性能無(wú)疑是影響整個(gè)設備性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。根據系統的功能和性能需求，經(jīng)過(guò)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(shí)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(kāi)發(fā)者的知識產(chǎn)權，保證了軍事應用的安全性 該控制器共集成8類(lèi)15個(gè)串行通信接口。包括1路10／100Mb／s Ethernet．工業(yè)級PHY．1路USB2．0全速(12Mb／s)數據接口，2路CAN接口，4個(gè)UART控制器(UART1符合16C550工業(yè)標準,UART3支持IrDA模式)，3路高速I(mǎi)2C總線(xiàn)，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(xiàn) 豐富的接VI滿(mǎn)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(shí)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(mǎn)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(mén)狗定時(shí)器、4個(gè)32位定時(shí)器／計數器和豐富的GPIO資源。
3．2 采用FPGA實(shí)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(shí)現與CPU的接口、進(jìn)行系統中斷處理、實(shí)現多通道數據編解碼、完成對射頻板開(kāi)關(guān)的控制、ADC控制部分和LED控制部分 由于采用了FPGA實(shí)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(xiě)器通信接口有以太網(wǎng)、RS-485和RS-232三類(lèi)．為保證數據可靠傳輸,設備適應野戰環(huán)境,各類(lèi)接口均設計了保護電路。
以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )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?。纱蟠蠼档蛯Ω咚倬W(wǎng)絡(luò )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(guò)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(xiě)器內部的各部分電路提供電源保障讀寫(xiě)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(jìn)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(guò)壓保護的作用，電源濾波器則可過(guò)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(huán)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(xiě)器的單元電路。
3．5 天線(xiàn)分集技術(shù)設計
射頻讀寫(xiě)器中低頻接收機的設計，采用了在兩個(gè)相互垂直的方向上進(jìn)行天線(xiàn)分集接收的技術(shù)，使得射頻標簽從任一方向進(jìn)入激勵磁場(chǎng)時(shí)都能被可靠激活 讀寫(xiě)器采用的雙通道分集接收與發(fā)射技術(shù)，保證了識讀區域無(wú)方向性、無(wú)盲區。這兩項天線(xiàn)分集技術(shù)成功解決了標簽高速移動(dòng)狀態(tài)下數據收發(fā)的多徑效應問(wèn)題，有效提高了識別的準確率，實(shí)現了在運物資信息的高速動(dòng)態(tài)采集。
4 軟件系統功能
軟件系統采用了源代碼開(kāi)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(shù)措施，包括對讀、寫(xiě)進(jìn)行權限控制、帶保護的子系統、審計跟蹤、核心授權等．為用戶(hù)提供了必要的安全保障 射頻讀寫(xiě)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(yǔ)
本文提出了一種基于MCU+FPGA的射頻讀寫(xiě)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(kāi)發(fā)配置簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。由此研制的軍用射頻識別讀寫(xiě)器,已經(jīng)通過(guò)了相關(guān)部門(mén)的鑒定．并且通過(guò)應用實(shí)踐證明，該產(chǎn)品的運行穩定、可靠。
