基于MCU+FPGA模式的RFID讀寫器設(shè)計(jì)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：高兵權(quán)，肖學(xué)福，張揚(yáng)奇，劉金彪   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月16日

     射頻識(shí)別技術(shù)RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感和電磁耦合）傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別，射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由兩部分組成，射頻標(biāo)簽(Tag)和射頻讀寫器(Reader)。在RFID應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在被識(shí)別物體上，當(dāng)帶有射頻標(biāo)簽的被識(shí)別物品進(jìn)入讀寫器的可識(shí)讀范圍內(nèi)，讀寫器自動(dòng)以無(wú)接觸方式將射頻標(biāo)簽中約定的信息讀取出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品和收集物品標(biāo)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)有著廣闊的應(yīng)用前景 。為解決后勤物資在請(qǐng)領(lǐng)、運(yùn)輸、分發(fā)等環(huán)節(jié)中的可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)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(cāng)庫(kù)、碼頭、車站、重要交通路口安裝布設(shè)射頻讀寫器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)裝有射頻標(biāo)簽的軍事物資通過(guò)時(shí)，相關(guān)的物資信息、運(yùn)輸信息和安全信息被自動(dòng)采集并上傳，實(shí)現(xiàn)了后勤物資保障供應(yīng)鏈的可視化監(jiān)控。

    1 射頻讀寫器功能要求

    射頻讀寫器用于遠(yuǎn)距離讀寫射頻標(biāo)簽內(nèi)部存儲(chǔ)的各類信息．考慮在運(yùn)輸途中的物資監(jiān)控能力．要求射頻讀寫器適應(yīng)于野外工作環(huán)境．設(shè)計(jì)可靠的抗干擾和保護(hù)措施 射頻讀寫器主要性能要求如下：
    (1)全向的射頻標(biāo)簽識(shí)別、讀寫功能；
    (2)高速的數(shù)據(jù)處理能力：
    (3)多樣化的數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)：
    (4)能夠適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的射頻標(biāo)簽快速識(shí)讀：
    (5)使用于交／直流供電場(chǎng)合，考慮車載化設(shè)計(jì)；
    (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(yùn)行方便、快捷。

    2 讀寫器結(jié)構(gòu)組成

    根據(jù)功能需求，射頻讀寫器的設(shè)計(jì)主要由控制模塊、射頻收發(fā)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?？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(nèi)置μC／OS—II多任務(wù)操作系統(tǒng)．構(gòu)成實(shí)時(shí)多任務(wù)高速數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，通過(guò)外圍電路實(shí)現(xiàn)了射頻控制、空中協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、以太網(wǎng)協(xié)議和串口通訊等功能。

     射頻讀寫器介于射頻標(biāo)簽和軟件中間件之間，是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理能力和實(shí)時(shí)多任務(wù)控制能力。為此，讀寫器設(shè)計(jì)了32位高速M(fèi)CU+FP—GA+IxC／OS—II多任務(wù)操作系統(tǒng)構(gòu)成的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)處理平臺(tái)。該平臺(tái)可靠、穩(wěn)定，且具有外圍接口豐富和可擴(kuò)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(diào)制／解調(diào)功能，天線單元的兩個(gè)天線相互垂直交叉布置。通過(guò)小型射頻電纜與射頻收發(fā)電路相連．實(shí)現(xiàn)讀寫田器全向收發(fā)射頻信號(hào)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(tǒng)運(yùn)行提供了可靠的交直流供電保障。

    3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    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(tǒng)設(shè)計(jì)中，嵌入式微處理器的性能無(wú)疑是影響整個(gè)設(shè)備性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。根據(jù)系統(tǒng)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(dá)到了72MHz，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速吞吐傳輸，系統(tǒng)具備較強(qiáng)的快速響應(yīng)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(hù)開(kāi)發(fā)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，保證了軍事應(yīng)用的安全性 該控制器共集成8類15個(gè)串行通信接口。包括1路10／100Mb／s Ethernet．工業(yè)級(jí)PHY．1路USB2．0全速(12Mb／s)數(shù)據(jù)接口，2路CAN接口，4個(gè)UART控制器(UART1符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),UART3支持IrDA模式)，3路高速I2C總線，最高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信和外圍擴(kuò)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(chǔ)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(yīng)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(shí)器、4個(gè)32位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和豐富的GPIO資源。

     3．2 采用FPGA實(shí)現(xiàn)復(fù)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(xiàng)功能：實(shí)現(xiàn)與CPU的接口、進(jìn)行系統(tǒng)中斷處理、實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)編解碼、完成對(duì)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(xiàn)數(shù)字電路編解碼功能，對(duì)比軟件編解碼，系統(tǒng)的可靠性大大提高。

    3．3 通信接口和保護(hù)措施

    射頻讀寫器通信接口有以太網(wǎng)、RS-485和RS-232三類．為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸,設(shè)備適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境,各類接口均設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。

    以太網(wǎng)接口的保護(hù)電路分二級(jí)保護(hù)：放電管和TVS陣列芯片,可防護(hù)雷擊和浪涌對(duì)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?yàn)樵撔酒瑑?nèi)部設(shè)計(jì)的TVS二極管結(jié)電容較?。纱蟠蠼档蛯?duì)高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的影響

    RS一232和RS一485的保護(hù)電路分為3級(jí)保護(hù)：自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、放電管和TVS二極管，可以防護(hù)過(guò)流、雷擊和浪涌的沖擊。

    3．4 可靠的供電電路設(shè)計(jì)

    電源模塊為讀寫器內(nèi)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(shè)計(jì)為寬電壓(90～260V)輸入，直流電壓輸入范圍：12～24V。適應(yīng)范圍較寬。為提高系統(tǒng)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(wěn)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(hù)的作用，電源濾波器則可過(guò)濾供電電源的高頻干擾信號(hào)，以保證系統(tǒng)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(shè)計(jì)了瞬變電壓保護(hù)電路，可有效保護(hù)讀寫器的單元電路。

    3．5 天線分集技術(shù)設(shè)計(jì)

    射頻讀寫器中低頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)，采用了在兩個(gè)相互垂直的方向上進(jìn)行天線分集接收的技術(shù)，使得射頻標(biāo)簽從任一方向進(jìn)入激勵(lì)磁場(chǎng)時(shí)都能被可靠激活 讀寫器采用的雙通道分集接收與發(fā)射技術(shù)，保證了識(shí)讀區(qū)域無(wú)方向性、無(wú)盲區(qū)。這兩項(xiàng)天線分集技術(shù)成功解決了標(biāo)簽高速移動(dòng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)收發(fā)的多徑效應(yīng)問(wèn)題，有效提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)物資信息的高速動(dòng)態(tài)采集。

    4 軟件系統(tǒng)功能

    軟件系統(tǒng)采用了源代碼開(kāi)放的μC／OS—II嵌入式操作系統(tǒng)作為管理平臺(tái)．具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和安全性，結(jié)構(gòu)緊湊。軟件系統(tǒng)還采取了許多安全技術(shù)措施，包括對(duì)讀、寫進(jìn)行權(quán)限控制、帶保護(hù)的子系統(tǒng)、審計(jì)跟蹤、核心授權(quán)等．為用戶提供了必要的安全保障 射頻讀寫器對(duì)外提供的功能和接13控制函數(shù)體系如圖2所示

    5 結(jié)語(yǔ)

    本文提出了一種基于MCU+FPGA的射頻讀寫器設(shè)計(jì)方案。該方案具有數(shù)據(jù)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(shí)別讀寫器,已經(jīng)通過(guò)了相關(guān)部門的鑒定．并且通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐證明，該產(chǎn)品的運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。