2022年现场可编程门阵列技术射频读卡器方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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独的电子识别码 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 每个标签具有唯独的电子识别码）；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

2、上应用最广 的 是 超 高 频 UHF）, 它 在 供 应 链 管 理 中 有 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；通常情形下,一旦标签已被写入,内存即被锁定不行再次写入信

3、息；Class-1 标签采纳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 卡 器 应 用 环 境RFID 的应用环境可能特别恶劣；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接近读卡器的干扰；必需将每一读卡器的 RF 接收器前端设计为能够抵挡强干扰信号,防止产生可导致询问错误的失真；接收器的噪声必需保持 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

4、 号 ；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 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固地工作；发射器和接收器都带有一个高动态范畴直接转换调制器和解调器,因此最大限度地提高了稳固性并降低了成本；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,芯片上供应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,通过一个不平稳变压器直接输入到解调器输入端口；由

5、于 LT5516 的噪声系数很低,在不需要低噪放大器 LNA ）的情形下,仍能保持其 21.5dBm IIP3 和 9.7dB P1dB 的 性 能；在接收数据时,读卡器发射连续载波 未调制）,以便为标签供应电源；在收到恳求后,电子标签通过对载波进行调幅,响应一个码流；所采纳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,因此具备自然的分集接收功能；假如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

6、）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,高于最大多普勒频率 可能被运动标签采纳）,同时保持高于电力线频率名师归纳总结 60Hz ）；这样,输出信号就能利用被配置为四阶低通的LT1568 顺当穿过低通滤波器；低通角频率应被；第 2 页,共 6 页设置为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,辨论率为12 位）进行数字化处理；由于标签码流；的带宽为5KHz 至 5MHz ,LTC2291 能

7、够以 25MSps 的速率进行充分的采样,从而精确地捕捉解调信号；在需要的时候,仍可在基带DSP 中实现额外的数字滤波；这样,接收器就能具备最大的规律阈值设置灵活性,该设置可由基带处理器以数字化方式执行- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 基带任务和数字化射频信道化处理,可提高用全个人资料整理仅限学习使用高动态范畴射频FPGA 解决方案实现的吸引力和集成度；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供应杰出的动态范畴性能；调制器能够从数模转换器 DAC ）接收正交式基带

8、 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,调制器仍带有匹配的 I 和 Q 混合器,从而最大限度地抑制了 LO载 波 信 号 至-43dBm）；复合调制电路具备杰出的邻道功率比 ACPR ）,有助于满意发射频率屏蔽要求；例如,当调制器射频输出电平为 -8dBm 时, ACPR 指标优于 -60dBc；由于具备更杰出的 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；

9、在上述两种情形下,重要的是保持电平固定,由于该电平用于向电子标签供应电源,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 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、增益掌握、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

10、带 处 理 任 务 包 括：名师归纳总结 先排导字段估检测第 3 页,共 6 页序计- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 调制和解调ASK、个人资料整理仅限学习使用键控）频移键控和相移信 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、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

11、统的架构正逐步演化为一个高级分布式 TCP/IP 网络的一个部分；在该网络中,射频读卡器将负责治理接近的标签；在这种情形下,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 /软件功能分区情形,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、正弦/余弦 LUT 等；这些规律电路特别适合执行加密引擎任务 加密引擎采纳移位寄存器和 XOR ）；针对Xilinx. VirtexTM-4 系 列 的 DSP4

12、8 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掌握各种基带处理任务的功能性和调度,仍负责链路层协议；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 仍 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 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

13、器的架构；嵌入式处理器可以是一个硬核 譬如, Virtex-4 FX 产名师归纳总结 品家族采纳的PowerPCTM ）,仍可以是一个软核 譬如 SpartanTM 设备中采纳的MicroBlazeTM ）,甚至第 4 页,共 6 页是 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 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用层 , 进 而 连 接 至 以 太 网 ； 另 外 , 用 户 仍 可 使 用 面 向 10/100-BaseT 的 Lite Ethernet MA

14、C 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 的组件具备满意 TCP/IP 系统每比特和每包开销要求的功 能；Xilinx 仍针对 Monta Vista Linux 和 Treck 堆栈供应了发射

15、性能基准；采纳 Xilinx Platform Studio XPS）微处理器库定义的Nucleus PLUS RTOS,为采纳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储备器,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、可移动硬盘接口、各种显示设

16、备和其他运算机外设 如图 4 所示）；这些 CPLD 仍能帮忙应用处理器,并且满意低 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掌握读卡器应用程序的后端外部处理器,从而借助可编程规律最大限度地名师归纳总结 提高射频读卡器设备的灵活性,同时最大限度降低其成本；第 5 页,共 6 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - Xilinx 决心不断改进其个人资料整理仅限学习使用FPGA 的 DSP 及嵌XtremeDSPTM 和 MicroBlaze 可配置软处理内核,从而不断增强名师归纳总结 入式处理功能；第 6 页,共 6 页- - - - - - -