【文章內(nèi)容簡介】 性能指標基本要求 工作頻率： 902~930MHz； 工作方式：跳頻可配置不同頻率； 空中接口協(xié)議： ISO/IEC 180006B； 調(diào)制方式： ASK； 輸出功率：最大 ， 20dB可調(diào)； 讀標簽距離： 6米； 寫標簽距離： 3米； 讀寫器防碰撞：支持多讀寫器模式； 防碰撞識別速率：每 秒 30 讀寫器總體方案設計 讀寫器是整個 RFID 系統(tǒng)核心部分，它是連接電子標簽與上位機之間通信的紐帶，讀寫器的功能主要包括 3個方面：（ 1）發(fā)送和接收的功能，主要是完成讀寫器與電子標簽之間的通信過程；（ 2）對從標簽接收到的信息進行相應地處理；（ 3）通過讀寫器上的接口實現(xiàn)與上位機的連接，將信息傳送到主機的數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)。這些年，讀寫器不斷地向小型化、便攜化、低功耗的方向發(fā)展，所以讀寫器的設計中應該選取功能比較全面、集成度比較高的芯片。 RFID 讀寫器的組成結構 讀寫器電路組成框圖如圖 12所示。各部分的作用簡述如下。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學畢業(yè)設計說明書 9 與 主 機 的 通 信 接 口M C U與 其 他 外 設 的 接 口信 號 燈 和 蜂 鳴 器電 源 管 理時 鐘電 路發(fā) 送 通 道載 波 形 成振 蕩 器接 受 通 道天 線 圖 21 讀寫器組成結構框圖 ：振蕩器電路根據(jù) RFID 讀寫器系統(tǒng)的需要產(chǎn)生射頻振蕩頻率，一路經(jīng)過時鐘電路產(chǎn)生處理器 MCU所需要的時鐘頻率的信號，另外一路經(jīng)過載波形成電路產(chǎn)生讀寫器工作所需要頻率的載波信號。 ：發(fā)送通道包括編碼器、調(diào)制器和功率放大電路，用于向電子標簽發(fā)送命令和寫入數(shù)據(jù)。 ：接收通道包括解調(diào)器、解碼電路，用于接收電子標簽返回的應答信息和數(shù)據(jù)。同時還考慮了防碰撞電路的設 計。 (MCU)： MCU是讀寫器工作的核心部件，主要完成收發(fā)控制、向標簽發(fā)送命令和寫數(shù)據(jù)、標簽數(shù)據(jù)讀取和處理與應用系統(tǒng)的高層進行數(shù)據(jù)交換和通信等任務。 ：通過對射頻讀寫部分的獨立電源控制，系統(tǒng)可以在 MCU中根據(jù)需要的模式選擇開啟或者關閉射頻讀寫功能。當應用系統(tǒng)有低功耗要求時，不需要射頻模塊芯片一直工作的時候，這種控制方式是必不可少的。 ：天線的作用就是產(chǎn)生磁通量，為有源標簽提供能量，激活標簽，在讀寫設備和標簽之間傳送信息。天線的有效電磁場范圍就是系統(tǒng)的工作區(qū)域。 主 控器的選擇方案 微控制器的功能主要有：與后臺應用管理軟件進行通信，執(zhí)行應用軟件發(fā)送來的動作指令，控制讀寫器與標簽的通信過程和身份驗證并對其中的數(shù)據(jù)進行加密和解內(nèi)蒙古工業(yè)大學畢業(yè)設計說明書 10 密，對鍵盤或者顯示設備等其他外部設備的控制。讀寫器中微處理器可以有三種選擇：單片機、 ARM和 DSP。本課題需要核心控制器需要體積小、功耗低，要有比較強的處理能力，能夠同時完成讀寫 器系統(tǒng)中對讀寫器的控制、對數(shù)據(jù)的處理和與后臺應用軟件的通信，需要有豐富的接口資源，可以方便快速的置于不同環(huán)境的應用中。 C8051F系列單片機是 SOC的典型代表，單芯片集成度十 分高，片上集成豐富的模擬和數(shù)字資源。具有與 8051兼容的高速 CIP． 51內(nèi)核，單片機處理速度和性能都有很大的提升，而且開發(fā)簡單，容易移植，成本也十分低，是目前應用晟廣泛的單片機種類。 CIP51采用 流水線結構 ，與標準的 8051結構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標準的 8051中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12或 24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為 1224MHz。而對于 CIP51內(nèi)核， 70%的指令的執(zhí)行時間為 1或 2個系統(tǒng)時鐘周期，只有 4條指令的執(zhí)行時間大于 4個系統(tǒng)時鐘周期。 大大提高了系統(tǒng)的運行速度，得以適應超高頻 RFID讀寫器要主控器運行速度的要求以及對防碰撞吞吐率的要求。 C8051F340 單片機主要特性 C8051F340 單片機 主要 有一下特性： （ 1）高速流水線結構的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核，最高 48MIPS 執(zhí)行速度 ； （ 2）全速非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)， C2 接口）；（ 3）真正 10 位 200ksps 的多通道單端 /差分 ADC， 帶模擬多路器；（ 4）高精度可編程的 12MHz 內(nèi)部震蕩器；（ 5） 64KB 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器；（ 6） 4352（ 4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM；（ 7） USB 通信接口，支持全速 12Mbps 通信和低速 通信（ 8）硬件實現(xiàn)的 SPI， SMBus/IIC 和 2 個 UART 串行接口；（ 9） 4 個通用的 16 位定時器；（ 10）具有 5 個捕捉 /比較模塊的可編程計數(shù)器 /定時器陣列 ；（ 11）片內(nèi)上電復位，看門狗定時器， 2 個電壓比較器， VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器；（ 12） 40 個 I/O 端口；（ 13） 40~85 度工業(yè)級溫度范圍；（ 14） ~ 工作電壓， TQFP48（ thin quad flat package,即薄塑封四角扁平封裝 ） 封 裝。 C8051F340 單片機 的內(nèi)部結構圖 如圖 22為 C8051F340 的內(nèi)部結構圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學畢業(yè)設計說明書 11 圖 22 C8051F340 主控器的內(nèi)部結構 射頻收發(fā)芯片選型 方案 AS3991 是一款高集成度的射頻芯片。在發(fā)射電路端，集成了功率放大器 (PA)、鎖相環(huán) (PLL)、壓控振蕩器 (VCO)、頻率合成器、調(diào)制器等模塊；在接收電路端，集成了低噪聲放大器 (LNA)、混頻器 (Mixer)、中頻放大器、解調(diào)器等模塊。同時還集成了電源電壓管理、協(xié)議控制等工作模塊，從而使芯片外圍電路大大簡化。芯片控制通過32 個寄存器的設置來實現(xiàn)全部 RF、濾波及協(xié)議控制功能。收發(fā)模塊支持自動生成幀頭和 CRC 校驗碼，組裝成幀的數(shù)據(jù)塊通過片上的 24字節(jié) FIFO 寄存器傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)中。電源管理模塊可以對片外 MCU 以及其他芯片供 1． 5～ 3． 3 伏電壓以及提供時鐘輸出。片上 PA 具有高達 20dBm 的輸出功率，片上 VCO 和 PLL 可產(chǎn)生 840MHz960MHz的振蕩頻率。 AS3991 則完全集成了 ISO/IEC 180006C協(xié)議?？傮w來說 AS3991 具有以下優(yōu)點：集成度更高，源代碼公開，加載協(xié)議方便，開發(fā)難度低，外圍電路設計簡單，總體成本低，設計時要注意的事項少。因此本課題設計選擇 AS3991 作為射頻收發(fā)芯片。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學畢業(yè)設計說明書 12 AS3991 射頻芯片的特性 :（ 1） 支持多通信協(xié)議； （ 2） 高集成度，外圍電路簡單；(3） 低工作電流； (4)輸出功 率可達 20dBm； (5)可選擇時鐘輸出提供給 MCU； (6)支持和 MCU 之間的 8 位并行或者 4 線串行通信； (7)采用 ASK 或者 PR． ASK（ 反向相位幅度 鍵控 ） 信號調(diào)制； (8)可選擇接收增益控制； (9)支持三種工作模式間切換，大大降低功耗。 表 21 為 AS3991 芯片的基本參數(shù)表 表 21 ASS3991的基本參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 單位 供電電壓 V 監(jiān)聽模式輸出電流 3 mA 休眠模式輸出電流 20 uA 收發(fā)模式輸出電 150 mA 內(nèi)置 PA功 20 dBm 待機模式工作頻率 63 KHz 正常工作模式頻率 10 MHz 溫度范圍 55 — +125 攝氏度 RFID 的通信標準方案 EPC Gen2 標準 無線射頻識別（ RFID）系統(tǒng)存在眾多的通信協(xié)議。其中一個最流行的協(xié)議就是EPC Gen2 協(xié)議。這個協(xié)議在零售業(yè)中得到了廣泛的使用，近年， Gen2 系統(tǒng)被批準為 ISO 標準。 Gen2 使用特性的概述 Gen2協(xié)議使用最普遍的特性是清單命令。庫存命令有一下四種命令組成：選擇、查詢、查詢重復和查詢調(diào)節(jié)。這些命令用來讀取在閱讀器范圍內(nèi)所有標簽的 EPC序號。EPC序號可 以用來訪問中心數(shù)據(jù)庫，獲得例如標簽附著在哪一個物品上的更多信息。 物理層通信特性 Gen2的物理通信接口與七層開放系統(tǒng)互聯(lián)模型的物理層概念相似。閱讀器控制Gen2協(xié)議物理層的所有部分，并編碼發(fā)給標簽的所有命令的前端部分。在 Gen2 協(xié)內(nèi)蒙古工業(yè)大學畢業(yè)設計說明書 13 議中，存在兩個通信鏈路：閱讀器向標簽的鏈路和標簽向閱讀器的鏈路。這兩個鏈路是相互獨立的，存在不同的數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)調(diào)制方案。這兩個通信鏈路的具體特性都是由閱讀器控制。在 Gen2中，標簽與閱讀器通信使用反向散色的形式。Gen2支持兩種類型的調(diào)控：振幅 調(diào)控（ ASK）和移像鍵控（ PSK）調(diào)制。 標簽的狀態(tài)機 ：準備狀態(tài)是標簽在上電的情況下能夠進入的兩個狀態(tài)之一。另一個標上電時可以進入的狀態(tài)是死亡狀態(tài)。當標簽在上電復位以前是死亡狀態(tài)時，標簽會在上電復位時進入死亡狀態(tài)。如果標簽先前沒有死亡，那它會在上電后進入準備狀態(tài)。處于準備狀態(tài)的標簽，不會參與查詢回合。當閱讀器發(fā)布一個查詢命令，將打開查詢回合，直到下一個查詢命令中止。因此，查詢命令指示結束當前的查詢和下一個查詢的開始。閱讀器使用查詢回合來獲得大量標簽的 EPC 號碼。當接受到一個查詢命令 時，標簽將會結束準備狀態(tài)。查詢命令包含了標簽選擇一個隨機數(shù)載入到時隙計數(shù)器的參數(shù)。如果隨機數(shù)是 0，隨后標簽將會發(fā)送它的回復狀態(tài)。當隨機數(shù)不為 0是，標簽會發(fā)送仲裁狀態(tài)。 ：仲裁狀態(tài)下的標簽將參與當前的查詢回合，他們的時隙計數(shù)器包含一個非 0 值。在此狀態(tài)下的標簽等待他們的時隙計時器達到 0 為止。當標簽的時隙計數(shù)器到達 0時，標簽變到回復狀態(tài)。 ：回復狀態(tài)是當標簽發(fā)送它的 EPC 好嗎給閱讀器的兩個狀態(tài)之一?；貜蜖顟B(tài)中的標簽有一個時隙計數(shù)器為 0，并反向散射 RN16（ RN16 是一個十六位的隨機數(shù)）給閱 讀器。反向散射 RN16 是標簽發(fā)送 EPC 好嗎給閱讀器的兩個階段中的第一個階段。 如果閱讀器正確的接收到了標簽的 RN16 數(shù)，閱讀器將會發(fā)送一個帶有 RN16 的確認（ ACK）命令給標簽。閱讀器接收不到 RN16 的可能原因有： 兩個以上的標簽在發(fā)送 RN16 時發(fā)生碰撞； 射頻信號干擾了 RN16； 閱讀器錯過了 RN16 信號。標簽隨后將會反向散射它的 EPC 號碼，還有發(fā)送一個 PC（描述了標簽的物理特性）和用來進行錯誤檢查的 CRC。接收到帶有正確的 RN16 的 ACK 是標簽從回復狀態(tài)轉入到確認狀態(tài)。標簽只有在接收不到來自閱讀器的任何 命令時，才會在一個限定的時間內(nèi)保持在回復狀態(tài)。在這個時間之后，標簽將會自動的回到仲裁狀態(tài)。 ：當標簽發(fā)送它的 EPC 號給閱讀器之后，將會進入到確認狀態(tài)。確認內(nèi)蒙古工業(yè)大學畢業(yè)設計說明書 14 狀態(tài)是訪問命令（讀和寫命令）的網(wǎng)關狀態(tài)。但是標簽在我、確認狀態(tài)不會死亡。確認狀態(tài)與回復狀態(tài)類似，有一個定時器，可以在每次從閱讀器接收到一個命令后復位。如果在特定的時間內(nèi)，沒有從閱讀器接收命令（即定時器超時），標簽則會自動的回到仲裁狀態(tài)。 ：開放狀態(tài)是訪問命令專門使用的兩個狀態(tài)之一。在開放狀態(tài)中沒有定時器。因此，如果沒有閱讀器命令時， 只要標簽有供電，它將保持開放狀態(tài)。標簽可以從開放狀態(tài)進入到安全狀態(tài)。 ：標簽可以使用一個可選的密碼設定，它需要閱讀器提供正確的密碼，以便于執(zhí)行任何的訪問命令。密碼的默認值為零。這意味著密碼保護沒有實現(xiàn)，或者是沒有被激活。設置一個非 0 值的密碼，可以使密碼具有保護的特性。如果標簽的密碼特性被實現(xiàn)和激活，那么所有的訪問命令必須從安全狀態(tài)執(zhí)行。在標簽進入到安全狀態(tài)之前必須提供正確的密碼。 ： RFID 標簽包含識別一個特定物體的信息。 ID 號是唯一的，并且與某一特定的物品相關。因此，使用 RFID 時，對安全和隱私的關注開始上升。死亡即是關閉標簽的命令，死亡操作不能被撤銷，并且永久性的破 壞標簽。在標簽死亡以后標簽將不會響應任何命令。因此標簽死亡以后， 沒有任何設被能夠讀取標簽的 EPC號。 本章小結 ： 本章主要從系統(tǒng)整個方案的設計出發(fā)，主要從系統(tǒng)的總體方案和主要芯片的選型方案、主要通信標準以及標簽的狀態(tài)機進行了描述。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學畢業(yè)設計說明書 15 第三章 硬件電路的設計 本章主要介紹讀寫器硬件系統(tǒng)的設計，基帶模塊設計包括主控芯片、射頻發(fā)射模塊及外圍時鐘、復位和外部存儲器。射頻模塊設計中選用 AS3991，外圍電路設計環(huán)路濾 波器，放大隔離電路中功率放大器選用 SPA2118，收發(fā)隔離使用環(huán)形器 HYH504A來實現(xiàn)。 信 號 燈 蜂 鳴器R S 2 3 2 / U S B發(fā) 射 機接 收 機E E P R O MS R A MC 8 0 5 1 F 3 4 0 圖 31硬件電路整體結構框圖 C8051F340 SOC系列 MCU在 CIP51內(nèi)核和外設方面有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。 擴展的中斷系統(tǒng)向 CIP51提供 16個中斷源（標準 8051只有 7個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器。一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預，因而有更高的執(zhí)行效率。 在設計一個多任務實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。 C8051F340有多達 9個復位