摘要：實(shí)現了一套基于DSP芯片、工作頻率為915MHz、輸出功率可調的RFID讀寫(xiě)器。介紹了射頻識別系統的功能與組成以及無(wú)源反射調制技術(shù)的基本原理?；谀K化設計技術(shù)，提出了讀寫(xiě)器的硬件設計方案，以及系統實(shí)現中的關(guān)鍵技術(shù)，包括頻率合成電路中采用的數字鎖相環(huán)技術(shù)和接收通路信號幅度穩定措施。

    關(guān)鍵詞：射頻識別 時(shí)分雙工 DSP 讀寫(xiě)器

射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)。RFID技術(shù)興起于20世紀80年代，由于超大集成電路技術(shù)的發(fā)展，90年代才進(jìn)入實(shí)用化階段。RFID系統采用了無(wú)線(xiàn)電與雷達技術(shù)，數據交換不是通過(guò)電流的觸點(diǎn)接通而是通過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)，即通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式通信。與其他的識別方式相比，射頻識別技術(shù)能對移動(dòng)的多個(gè)項目進(jìn)行識別，因而應用更廣泛。

讀寫(xiě)器的硬件設計是RFID系統設計中的關(guān)鍵部分，當前國內關(guān)于RFID的研究都集中在頻率為125kHz、134kHz的低頻和13.56MHz的高頻系統。在更高頻段的微波波段，則少有人研究。本文基于無(wú)源反射調制技術(shù)和模塊化設計原理，設計并實(shí)現了一套工作頻率為915MHz、工作距離長(cháng)達10m的RFID讀寫(xiě)器。

1 射頻識別系統

一個(gè)典型的RFID系統由讀寫(xiě)器（Read/Write Device）、應答器（Transponder）和數據管理、處理單元組成，如圖1所示。RFID系統分為源和無(wú)源兩類(lèi)，有源RFID系統的應答器由電源提供能量，無(wú)源RFID系統的應答器則沒(méi)有電池。無(wú)源RFID系統讀寫(xiě)距離比有源RFID系統要近，但由于其應答器具有結構簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展較快。

在無(wú)源RFID系統中，應答器工作的能量由讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻信號提供。應答器由電子數據處理、存儲設備（通常是單個(gè)的微小芯片）和天線(xiàn)組成。當應答器進(jìn)入讀寫(xiě)器的能量場(chǎng)，應答器的能量檢測電路將射頻信號轉化為直流信號，供其工作。同時(shí)，芯片內部的數據解調部分從接收到的射頻信號中解調出數據并送到控制邏輯?？刂七壿嬝撠煼治鰯祿绦邢鄳僮?，包括從EPPROM讀數據或寫(xiě)入數據，將數據（如應答器ID和其他用戶(hù)數據等）調制發(fā)送出去。

2 反射調制技術(shù)原理

工作頻率為915MHz的RFID系統采用無(wú)源反射調制技術(shù)，應答器以一定的調制方式將自身的數據調制到射頻信號上，并反射回去。圖2是場(chǎng)效應管調制解調電路，電感L1和L2作為低通濾波器。在A(yíng)SK解調過(guò)程中，MES場(chǎng)效應管利用晶體管溝道的非線(xiàn)性阻抗對ASK信號進(jìn)行整流，電阻R1兩端的電壓變化即反映了ASK信號中的調制信息。

在調制狀態(tài)下，MES場(chǎng)效應管可視為一個(gè)調制器。調制器的原理是以金屬半導體場(chǎng)效應管輸出阻抗的轉換為基礎的。柵極電壓Vgs0=Vd和Vgs0=0可以分別實(shí)現“開(kāi)啟”和“關(guān)斷”的功能。這兩種情況下，漏極電壓設置為Vds=0。

    圖3是場(chǎng)效應管的調制原理圖。裝置在“關(guān)”和“開(kāi)”兩種狀態(tài)下的阻抗分別為Z1和Z2。加上轉換網(wǎng)絡(luò )Q來(lái)得到所需要的反射調制，在面Pi的反射系數為Г1和Г2；相應地，在面Pi'的（輸入點(diǎn)）就變?yōu)?FONT face="Arial CYR">Г1’和Г2’。反射系數Г1’和Г2’滿(mǎn)足下面的等式：

3 讀寫(xiě)器的硬件結構設計

射頻識別系統中，讀寫(xiě)器的主要功能就是發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號，選擇能量場(chǎng)內的應答器，建立數據通信鏈路并對應答器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。在本設計中，UHF頻段的讀寫(xiě)器主要由天線(xiàn)、射頻模塊和主控模塊三部分組成，如圖1所示。射頻模塊發(fā)送部分產(chǎn)生射頻信號及射頻能量產(chǎn)給無(wú)源應答器提供能量；接收部分 對由天線(xiàn)接收的反射調制信號進(jìn)行解調、放大及濾波；主控模塊控制與應答器的通信過(guò)程；與主機應用軟件進(jìn)行通信，并執行應用軟件發(fā)來(lái)的命令。

本設計中的射頻識別系統采用時(shí)分復用的工作方式，讀寫(xiě)器輸出命令信號與接收應答器反射調制信號是在不同的時(shí)間段進(jìn)行的。通信鏈路中讀寫(xiě)器輻射信號調制方式是OOK，無(wú)源標識卡信息返回時(shí)采用反射調制技術(shù)，也是一種ASK調制方式。

    3．1 數字鎖相環(huán)技術(shù)

在射頻部分，本系統采用16MHz的晶體振蕩器和926MHz的壓控振蕩器以全數字鎖相環(huán)（DPLL）的形式產(chǎn)生915MHz射頻信號，如圖4所示。傳統的鎖相環(huán)由模擬電路實(shí)現，而全數字相環(huán)與傳統的模擬電路實(shí)現的PLL相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調、易于構建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，并且應用在數字系統中時(shí)，不需A/D及D/A轉換。

VCO頻率fvco經(jīng)過(guò)18比特計數器進(jìn)行吞脈沖分頻，通才晶體振蕩器頻率fosc經(jīng)過(guò)15比特計數器分頻，二者經(jīng)過(guò)鑒相器進(jìn)行相位比較后輸出VCO控制電壓。Fosc與fvco的關(guān)系如下：

fvco=[(P×B)+A] ×fosc/R (3)

其中，參考頻率分頻系數R=3～32767，程序分頻范圍B=3～2047，吞脈沖計數范圍A=0～127，預置分頻比P=74。在本系統中，為了兼顧頻率間隔和頻率捕捉帶的要求，選取R=1600，A=108，B=1428。使用IFR頻譜儀Spectrum Analyzer 2398對射頻信號進(jìn)行測試，輸出頻率為915.00MHz。

參考頻率和VCO頻率的分頻計數器均由主控模塊通過(guò)軟件進(jìn)行設置，圖5是主控模塊與頻率合成器通信的時(shí)序圖。主控模塊向頻率合成器傳輸數據時(shí)，按照先高位后低位的原則。

    在末級功率放大部分，調節其增益控制電壓，即可相應調整讀寫(xiě)器的輻射功率；為了提高讀寫(xiě)器輸出功率的穩定程度，采用了AGC電路來(lái)穩定功率放大器的輸出。

3．2 信號接收

接收部分功能框圖如圖6所示。天線(xiàn)接收的反射調制信號經(jīng)過(guò)定向耦合器到接收通路，檢波后的信號通過(guò)差動(dòng)放大、低通濾波器、運算放大后，進(jìn)行A/D轉換送至主控模塊進(jìn)行解碼。

讀寫(xiě)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，讀寫(xiě)器與應答器的距離不是固定不變的。如果讀寫(xiě)器與應答器距離近，讀寫(xiě)器接收到的反射調制信號較強；如果讀寫(xiě)器與應答器距離遠，讀寫(xiě)器接收到的反射調制信號就較弱。為了在讀寫(xiě)器的工作距離內得到穩定可靠的接收數據，需要對A/D轉換之前的運算放大器進(jìn)行放大倍數控制，較弱的接收信號需要較大的放大倍數。

在本系統中，為了保持接收信號的穩定，采用一種類(lèi)似移動(dòng)通信系統中移動(dòng)終端功率控制方案：反射信號變強，降低接收通路的放大倍數；反之，反射信號變弱，提高其放大倍數。本設計采用對數放大器對反射調制信號進(jìn)行電平檢測，然后輸入到主控模塊進(jìn)行算法分析，輸出控制信號改變末級運算放大器的反饋電阻大小，即可實(shí)現運算放大器的放大倍數的自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現A/D轉換前信號幅度的穩定。當然，這需要反復試驗，確定一組放大倍數以及它們與反射信號強度之間的對應關(guān)系，本文不再詳述。

圖6

    3．3 主控模塊

主控模塊的核心處理器為一款DSP，該芯片運算速度達50MIPS，片內有10K字節雙向訪(fǎng)問(wèn)RAM，支持64K字的數據空間和64K字的程序空間，能夠滿(mǎn)足射頻識別系統的要求。主控模塊的硬件框圖如圖7所示，本系統采用CPLD完成整個(gè)系統的邏輯電路設計。

實(shí)際系統中，擴展了64K字的SRAM，但因DSP最多支持外部擴展64K字的數據空間，因此模擬CE控制信號由DSP通過(guò)CPLD中的邏輯電路來(lái)控制，從而決定選擇SARM的高地址段64K字的存儲空間還是低地址字段的存儲空間。這樣，在符號DSP的外擴數據空間要求的基礎上又增加了寶貴的存儲資源。除了SRAM，還配置了64K字的FLASH ROM以滿(mǎn)足DSP引導裝入程序的需要。

    按照本文所述的硬件結構設計方法，實(shí)現了一個(gè)供實(shí)驗用的工作頻率為915MHz的RFID讀寫(xiě)器。根據射頻識別系統的要求，本系統采用四單元同相微帶天線(xiàn)陣列得到尖銳的方向圖與較高的方向性系數。在讀寫(xiě)器最大輸出功率條件下，無(wú)源應答器的響應距離可以達到10m。該讀寫(xiě)器結構緊湊，工作性能穩定，已應用到會(huì )議自動(dòng)簽到系統中，取得了良好的工作效果。