RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)由于優(yōu)秀的識別性能而被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最有應(yīng)用潛力的十大技術(shù)之一,，它可以應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn),、國防軍事,、日常生活等社會的各個(gè)方面。在我國,，倡導(dǎo)科技奧運(yùn)的北京奧運(yùn)會在門票,、地鐵、食品安全管理中已被試用,?；赟AW(Surface Acoustic Wave)標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)采用了先進(jìn)微電子加工技術(shù)制造的SAW器件，具有體積小,、重量輕,、批量成本低、可靠性高,、識別距離遠(yuǎn),、多功能等優(yōu)點(diǎn)，與基于IC標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)有很好的互補(bǔ)性,，尤其在基于IC標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)應(yīng)用于帶有金屬物體,、高溫、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境無能為力時(shí),，基于SAW標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)就顯示了它的優(yōu)越性，同時(shí)SAW標(biāo)簽也適甩干壓力,、加速度,、溫度等參數(shù)的測量,，此技術(shù)在歐美已得到一定的應(yīng)用。在我國,，此方面的研究近幾年才開始展開,，技術(shù)還不夠成熟。本文將介紹一種SAW RFID閱讀器的信號處理電路設(shè)計(jì)及其軟件設(shè)計(jì),。
1 閱讀器的系統(tǒng)分析
閱讀器采用模塊化設(shè)計(jì),，最基本單元的為射頻電路與信號處理電路。如圖1所示,，射頻系統(tǒng)包括發(fā)射電路與接收電路,，信號處理電路包括信號處理單元與外圍電路。根據(jù)功能需求,， 增加相應(yīng)的電路,，包括有通信電路、顯示電路,、存儲電路,、時(shí)鐘電路等外圍電路。
根據(jù)項(xiàng)目指標(biāo)要求,，設(shè)計(jì)的SAW標(biāo)簽可接收40ns的脈沖詢問信號,，由SAW標(biāo)簽發(fā)射極的間距確定每個(gè)脈沖回波延遲時(shí)間約為115ns。
閱讀器工作開始后信號處理電路產(chǎn)生一段脈寬為40ns脈沖控制信號,，送給發(fā)射電路,，經(jīng)過發(fā)射電路一系列調(diào)制處理，轉(zhuǎn)換成脈寬是40ns,，載頻是915MHz的射頻詢問信號,，通過天線發(fā)射出去。遇到SAW標(biāo)簽后,，標(biāo)簽反射回帶有標(biāo)簽信息的射頻回波信號,，閱讀器接收時(shí)經(jīng)過接收電路一系列處理,解調(diào)出代表標(biāo)簽信息的回波包絡(luò)信號，回波包絡(luò)信號是具有24位,，脈寬40ns的脈沖回波,，每個(gè)回波的延遲時(shí)間約為115ns。之后送給信號處理電路進(jìn)行進(jìn)一步的識別和處理,，完成識別標(biāo)簽的信息,。
2 信號處理電路設(shè)計(jì)
信號處理電路主要負(fù)責(zé)閱讀器的系統(tǒng)控制與信號處理任務(wù)。包括：發(fā)射時(shí),，控制射頻開關(guān)截取40ns脈沖信號,；接收時(shí)，數(shù)字采集經(jīng)過射頻接收電路解調(diào)的回波信號，將回波信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)簽編碼數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理,。其中回波信號的每個(gè)脈沖的脈寬為40ns,，每個(gè)脈沖信號延遲時(shí)間為115ns，帶寬則為
接收處理過程就是高速數(shù)據(jù)采集過程,。分析指標(biāo)要求,，信號處理電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)如下：
(1)產(chǎn)生高速控制信號控制發(fā)射端的射頻開關(guān)在40ns開與斷。
(2)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換速度,。
(3)經(jīng)過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換后,，采樣速率很快，信號處理器接收數(shù)據(jù)的速度必須匹配ADC(Analog To DigitalConverter)的轉(zhuǎn)換速度,。
對于關(guān)鍵點(diǎn)(1),，選擇高速處理器，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)40ns響應(yīng)時(shí)間的高速控制信號,。
對于關(guān)鍵點(diǎn)(2),，模擬信號的最高頻率達(dá)到
根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率要在64MHz以上,，本系統(tǒng)采用采樣頻率為80MHz的高速ADC,。
對于關(guān)鍵點(diǎn)(3)，ADC采樣速率很高,，達(dá)到80MHz,，處理器無法直接接收處理如此龐大的采樣數(shù)據(jù)。所以需要數(shù)據(jù)緩沖,，這里選用FIFO(First Input First Output)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存功能,。
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與器件選擇
為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，我們選用一種高性能的MCU(Micro Controller Unit)作為系統(tǒng)的信號處理核心,。如圖2所示,，信號處理電路由MCU、ADC,、FIFO,、以及其他外圍電路組成。
ADC的選擇：接收脈沖的寬度為40ns,，帶寬為25MHz,，根據(jù)采樣定理，這里選用ADI公司的AD9057,，8bit 80MHz,，輸入輸出延遲時(shí)間tPD=9.5ns。
FIFO的選擇：FIFO接收存儲來自ADC高速輸出的數(shù)字信號,，還要將數(shù)據(jù)輸出給MCU,，這對FIFO的存取速度由很高的要求,，這里選用IDT公司的SUPERSYNC II系列FIFOIDT72V223，最高166MHz操作時(shí)鐘,，容量1024x9 bit,，具有可編程性，選用異步模式,。
MCU的選擇：通過軟件編程實(shí)現(xiàn)40ns的脈沖控制信號，接收時(shí)實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集,，RFID系統(tǒng)要求高速工作速度,，這里選用性能優(yōu)秀C8051F131。C8051F是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片,，它的CIP-51內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu),，在同頻率下是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍，C8051F131最高支持100MHz的時(shí)鐘頻率,，處理速度也可達(dá)到100MIPS,，32個(gè)I/0，128K Flash,，8448字節(jié)內(nèi)部RAM,，可尋址64KB的片上外部RAM。
時(shí)鐘的選擇：ADC與FIFO的工作狀態(tài)由MCU控制,。鐘振提供ADC采樣時(shí)鐘與FIFO寫時(shí)鐘,，ADC采樣時(shí)鐘與FIFO寫時(shí)鐘只有同步數(shù)據(jù)才能不丟失，通過查詢器件的數(shù)據(jù)資料,，ADC轉(zhuǎn)換速度與FIFO的存取速度可以實(shí)現(xiàn)銜接,，可共用鐘振。FIFO的讀時(shí)鐘與控制由MCU產(chǎn)生,。
2.2 硬件電路設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與器件的數(shù)據(jù)資料,，部分電路設(shè)計(jì)如下：
(1)AD9057的電路設(shè)計(jì)：將射頻接收電路輸出端接入AD9057輸入端：AD9057的8位數(shù)字信號輸出端與IDT72V223的低8位輸入端連接；使用C8051F13l控制AD9057的PWRDN端,，控制AD9057的工作狀態(tài),。
(2)IDT72V223的電路設(shè)計(jì)：在IDT72V223主復(fù)位過程中，對相應(yīng)引腳置位可確定其工作模式,。選用異步,、標(biāo)準(zhǔn)IDT工作模式；數(shù)據(jù)輸入由WCLK和WEN控制,，輸入時(shí)鐘與輸出時(shí)鐘完全獨(dú)立,；只要REN和WEN使能，就可以讀寫數(shù)據(jù),；OE為低,，表示允許輸出端輸出,；此外，IDT72V223也提供了豐富的狀態(tài)信號,，將IDT72V223低8位輸出端連接C8051F131的I/O口,。
(3)通信電路、顯示電路,、時(shí)鐘電路,、電源電路等其它電路的設(shè)計(jì)，按照器件數(shù)據(jù)資料的要求完成電路連接,。
利用Protel DXP繪制電路圖與PCB版圖,，部分電路如圖3和圖4所示。完善器件布局,，仿真電路與電氣檢查,，完成加工制作。
3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試
系統(tǒng)軟件流程如圖5所示,，系統(tǒng)開始工作,，通過MCU初始化ADC與FIFO的工作狀態(tài)，產(chǎn)生40ns脈沖詢問信號控制射頻開關(guān),，經(jīng)過1us識別標(biāo)簽的傳播延遲,，MCU控制ADC采樣與FIFO的寫操作，待模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后,，將FIFO數(shù)據(jù)寫入MCU,，并與參考閾值比較，從而確定回波信號的編碼信息,，最后通過串口上傳至上位機(jī)及顯示,，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理。
程序設(shè)計(jì)采用Keil uVision3環(huán)境編寫,，uVision3是集成的可視化Windows操作界面,，它支持絕大部分MCU，包括C8051F131,，提供豐富的庫函數(shù)和各種編譯工具,。按照系統(tǒng)工作流程，采用C語言編寫程序,，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試,，燒錄系統(tǒng)。通過測試,，信號處理電路可按照規(guī)定流程順利工作,，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。
4 結(jié)論
本文介紹了SAW RFID閱讀器的信號處理電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)過程,，通過實(shí)驗(yàn)表明,，采用FIFO作為ADC與MCU之間的橋梁,，起到很好的數(shù)據(jù)緩沖作用，降低了對MCU性能的要求,，基于C8051F131設(shè)計(jì)的RFID閱讀器的信號處理電路,，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低,，容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),。