一種SAW RFID閱讀器的信號處理電路設(shè)計(jì)

0 引言
    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?；?strong>SAW(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，基于SAW標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)就顯示了它的優(yōu)越性，同時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脈沖回波延遲時間約為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，每個回波的延遲時間約為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，控制射頻開關(guān)截取40ns脈沖信號；接收時，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脈沖的脈寬為40ns，每個脈沖信號延遲時間為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的時鐘頻率，處理速度也可達(dá)到100MIPS，32個I／0，128K Flash，8448字節(jié)內(nèi)部RAM，可尋址64KB的片上外部RAM。
    時鐘的選擇：ADC與FIFO的工作狀態(tài)由MCU控制。鐘振提供ADC采樣時鐘與FIFO寫時鐘，ADC采樣時鐘與FIFO寫時鐘只有同步數(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，輸入時鐘與輸出時鐘完全獨(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)。