2022年现场可编程门阵列技术射频读卡器方案 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用基于现场可编程门阵列技术的射频读卡器设计与其他常用的自动识别技术如条形码和磁条一样，无线射频识别RFID ）技术也是一种自动识别技术。每一个目标对象在射频读卡器中对应唯一的电子识别码UID ），或者 “ 电子标签 ” 。标签附着在物体上标识目标对象，如纸箱、货盘或包装箱等。射频读卡器应答器）从电子标签上读取识别码。基本的 RFID 系统由三部分组成：天线或线圈、带RFID 解码器的收发器和RFID 电子标签 每个标签具有唯一的电子识别码）。表1 显示了常用的四个RFID 频率及其潜在的应用领域。其中，目前商业上应用最广 的 是超高 频UHF）， 它在 供应 链管理 中有

2、 可能得 到广 泛的应 用。EPC电子标签EPC 表示电子产品代码，是RFID 电子标签的标准，它包括电子标签的数据内容和无线通信协议。EPC 标准将条形码规范中的数据信息标准与ANSI 或其他标准化组织802.11b）制定的无线数据通信标准结合在一 起 。 目 前 应 用 在 供 应 链 管 理 中 的EPC标 准 ， 属 于 第 二 代EPC Class-1标 准 。Class-1 标签在出厂时已经被写入，但也是可以现场下载。通常情况下，一旦标签已被写入，内存即被锁定不可再次写入信息。Class-1 标签采用常规的分组传输协议读卡器发送包含相关命令和数据的数据包，标签随后做出响应。恶劣的读

3、卡器应用环境RFID 的应用环境可能非常恶劣。信道的工作频率是免许可的工业、科技与医药ISM ）频带。此频带中的RFID 读卡器受到来自无绳电话、无线耳麦、无线数据网络以及其他临近读卡器的干扰。必须将每一读卡器的 RF 接收器前端设计为能够抵御强干扰信号，避免产生可导致询问错误的失真。接收器的噪声必须保持 在 较 低 的 水 平 ， 以 便 具 备 足 够 的 动 态 范 围 ， 从 而 以 无 错 方 式 检 测 出 低 电 平 标 签 响 应 信 号 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用图

4、 1 中所示的读卡器RF 射频收发器，是一个成熟的设计，能够在存在大量干扰源的恶劣环境中稳定地工作。发射器和接收器都带有一个高动态范围直接转换调制器和解调器，因此最大限度地提高了稳定性并降低了成本。实用和可靠的射频接收器设计接收器的核心是Linear 公司的LT5516，这是一种高度集成化的直接转换正交解调器，芯片上提供了一个精确正交移相器 0 度至 90 度）。来自天线的信号在通过射频滤波器之后，通过一个不平衡变压器直接输入到解调器输入端口。由于LT5516 的噪声系数很低，在不需要低噪放大器LNA ）的情况下，仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。在接收数据时，读

5、卡器发射连续载波未调制），以便为标签提供电源。在收到请求后，电子标签通过对载波进行调幅，响应一个码流。所采用的调制方式为幅移键控ASK ）或者反相-幅移键控键控PR-ASK ）。解调器带有两个正交移相检出式输出端口，因此具备天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消导致某个通道无法接收信号，另一条通道移相 90 度）就可接收较强的信号，反之亦然。这样，整体接收可靠性就得以提高。一旦解调完成，即可将I相内）和 Q正交相位）差分输出信号以AC 方式耦合至一个运算放大器被配置为一个差分放大器），随后被转换为单端输出信号。这个时候应将高通角频率设置为5KHz ，低于接收数据流的最小信号频率，高于最大多

6、普勒频率可能被运动标签采用），同时保持高于电力线频率60Hz）。这样，输出信号就能利用被配置为四阶低通的LT1568 顺利穿过低通滤波器。低通角频率应被设置为5MHz，以便最大码流信号穿过滤波器，达到基带。基带信号然后被一个双路低功耗模数转换器LTC2291，分辨率为12 位）进行数字化处理。由于标签码流的带宽为5KHz 至 5MHz ，LTC2291 能够以 25MSps 的速率进行充分的采样，从而精确地捕获解调信号。在需要的时候，还可在基带DSP 中实现额外的数字滤波。这样，接收器就能具备最大的逻辑阈值设置灵活性，该设置可由基带处理器以数字化方式执行。精选学习资料 - - - - - -

7、- - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用基带任务和数字化射频信道化处理，可提高用全FPGA 解决方案实现的吸引力和集成度。高动态范围射频发射器设计发射器集成了一个镜像抑制直接转换式调制器。LT5568 具备很高的线性度和较低的背景噪声，因此能够为所发射的信号提供出色的动态范围性能。调制器能够从数模转换器DAC ）接收正交式基带I 和 Q 信号，然后直接调制至900MHz发射频率。在内部， LO本地振荡器）被精确正交移相器分割。经调制的射频信号被合并为一个单端、单边带射频输出信号 镜像被抑制了46dBc）。此外，调制器还带有匹配的I 和

8、Q 混合器，从而最大限度地抑制了LO载波信号至-43dBm）。复合调制电路具备出色的邻道功率比ACPR ），有助于满足发射频率屏蔽要求。例如，当调制器射频输出电平为 -8dBm 时， ACPR 指标优于 -60dBc。由于具备更出色的ACPR 性能，信号可被放大至许可的1w功率 在美国为 +30dBm），或者放大至2w，以符合欧盟规范。在上述两种情况下，重要的是保持电平固定，因为该电平用于向电子标签提供电源，并最大化读卡距离。LTC5505 型射频功率检测器的内部温度补偿 功 能 ， 可 准 确 地 测 定 功 率 ， 提 供 稳 定 的 反 馈 信 号 ， 以 调 节 射 频 功 率 放 大

9、 器 的 输 出 功 率 。基带处理和网络接口在基带频率上， FPGA 执行发送至DAC 和来自模数转换器ADC ）的波形的信道化任务。这一过程也被称为数字中频处理，涉及滤波、增益控制、频率转换和采样率变化等。FPGA 甚至可以并行处理多个信道。图2显示了一个射频读卡器的架构。其他基带处理任务包括：先导字段检测排序估计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用调制和解调ASK、频移键控和相移键控）信号产生相关器处理峰值检测和阈值设定 CRC纠错和校验和 编码和解码NRZ、Manchester、单极性、

10、差分双极性和Miller）帧检测 ID去扰安全加密引擎所 收 到 的RFID标 签 数 据 可 通 过 串 口 或 网 络 接 口 被 传 送 至 企 业 系 统 服 务 器 。这种传统的架构正逐步演变为一个高级分布式 TCP/IP 网络的一个部分。在该网络中，射频读卡器将负责管理临近的标签。在这种情况下，射频读卡器就象是电子标签和连接至企业软件系统的智化分布式数据库之间的网关。取决于硬件 /软件功能分区情况，这些基带任务即可在FPGA 上完成，也可在DSP 上完成，或者由二者联合执行。 Xilinx 公司推出了一个IP 内核套件，其中包括FIR、CIC、DDS、DUC 、DDC 、比特相关器

11、、正弦/余弦LUT 等。这些逻辑电路非常适合执行加密引擎任务加密引擎采用移位寄存器和XOR ）。针对Xilinx? VirtexTM-4系 列的DSP48引 擎十分 适合 执行其 他信号 处理 任务。一个基带处理器负责控制各种基带处理任务的功能性和调度，还负责链路层协议。这些基带处理任务包括跳 频 、 发 送 前 侦 听 、 防 冲 突 算 法 处 理 等 。 基 带 处 理 器 还 提 供 了 以 太 网 、 USB 、 固 件 等 接 口 。基带任务和数字化射频信道化处理，可提高全FPGA 解决方案的吸引力和集成度。FGPA 功能、 DSP 功能 ， 以 及 基 带 处 理 功 能 ， 都

12、 可 被 整 合 于 一 个 带 有 嵌 入 式 处 理 器 的FPGA 。图 3 显示了一个基于 FPGA 的 RFID 处理器的架构。嵌入式处理器可以是一个硬核譬如， Virtex-4 FX产品家族采用的PowerPCTM ），还可以是一个软核 譬如 SpartanTM 设备中采用的MicroBlazeTM ），甚至是 PowerPC 和 MicroBlaze的结合体。用户可以将内置硬以太网MACEMAC ）连接至外部以太网物理精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用层 ， 进 而 连 接 至

13、以 太 网 。 另 外 ， 用 户 还 可 使 用 面 向10/100-BaseT 的Lite Ethernet MAC IP。PowerPC/MicroBlaze 嵌入式处理器执行以下任务： EPC数据处理协议处理询问调度 TCP/IP 网络接口控制和监视调制解调器控制升级代理 HTTP服务器 SNMP/MIB 处理Xilinx 千兆以太网系统参考设计GSRD）是一个基于 EDK 的参考系统，能够在基于TCP/IP 的协议接口和用户数据接口之间搭起一座高性能的桥梁。GSRD 的组件具备满足TCP/IP 系统每比特和每包开销要求的功能。Xilinx还针对Monta Vista Linux 和

14、Treck 堆栈提供了发射性能基准。采用 Xilinx Platform Studio XPS）微处理器库定义的Nucleus PLUS RTOS，为采用MicroBlaze 和 PowerPC 处理器的系统带来了新的优势。Nucleus PLUS RTOS 尺寸很小，这意味着它能够利用片上现有的存储器，从而最大限度降低功耗，提高性能 。 此 外 ， 广 泛 的 中 间 件 使 得Nucleus PLUS RTOS成 为RFID后 端 网 络 的 理 想 选 择 。利用 XilinxCoolRunnerTM-II型 CPLD ，手持式射频读卡器可连接至硬盘驱动器、QWERTY 键盘、可移动硬盘

15、接口、各种显示设备和其他计算机外设如图 4 所示）。这些CPLD 还能帮助应用处理器，并且满足低功耗、高性能和更小芯片封装等要求。结论将来，射频读卡器很可能具备前端 DSP 功能，譬如射频协议处理等。如今，这些功能在独立式DSP 中进行处理，将来，它们很有可能被集成于FPGA。嵌入式软处理内核已可显著提升DMIPS/MHz性能，不久以后，高版本的处理内核将取代控制读卡器应用程序的后端外部处理器，从而借助可编程逻辑最大限度地提高射频读卡器设备的灵活性，同时最大限度降低其成本。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页个人资料整理仅限学习使用Xilinx 决心不断改进其XtremeDSPTM 和 MicroBlaze 可配置软处理内核，从而不断增强FPGA 的 DSP及嵌入式处理功能。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页