【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性能指標(biāo)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(biāo)簽距離： 6米； 寫標(biāo)簽距離： 3米； 讀寫器防碰撞：支持多讀寫器模式； 防碰撞識(shí)別速率：每 秒 30 讀寫器總體方案設(shè)計(jì) 讀寫器是整個(gè) RFID 系統(tǒng)核心部分，它是連接電子標(biāo)簽與上位機(jī)之間通信的紐帶，讀寫器的功能主要包括 3個(gè)方面：（ 1）發(fā)送和接收的功能，主要是完成讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信過(guò)程；（ 2）對(duì)從標(biāo)簽接收到的信息進(jìn)行相應(yīng)地處理；（ 3）通過(guò)讀寫器上的接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接，將信息傳送到主機(jī)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(shè)計(jì)中應(yīng)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(jié)構(gòu) 讀寫器電路組成框圖如圖 12所示。各部分的作用簡(jiǎn)述如下。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 與 主 機(jī) 的 通 信 接 口M C U與 其 他 外 設(shè) 的 接 口信 號(hào) 燈 和 蜂 鳴 器電 源 管 理時(shí) 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(jié)構(gòu)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(guò)時(shí)鐘電路產(chǎn)生處理器 MCU所需要的時(shí)鐘頻率的信號(hào)，另外一路經(jīng)過(guò)載波形成電路產(chǎn)生讀寫器工作所需要頻率的載波信號(hào)。 ：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(biāo)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(biāo)簽返回的應(yīng)答信息和數(shù)據(jù)。同時(shí)還考慮了防碰撞電路的設(shè) 計(jì)。 (MCU)： MCU是讀寫器工作的核心部件，主要完成收發(fā)控制、向標(biāo)簽發(fā)送命令和寫數(shù)據(jù)、標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取和處理與應(yīng)用系統(tǒng)的高層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信等任務(wù)。 ：通過(guò)對(duì)射頻讀寫部分的獨(dú)立電源控制，系統(tǒng)可以在 MCU中根據(jù)需要的模式選擇開(kāi)啟或者關(guān)閉射頻讀寫功能。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)有低功耗要求時(shí)，不需要射頻模塊芯片一直工作的時(shí)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(biāo)簽提供能量，激活標(biāo)簽，在讀寫設(shè)備和標(biāo)簽之間傳送信息。天線的有效電磁場(chǎng)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(tái)應(yīng)用管理軟件進(jìn)行通信，執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)送來(lái)的動(dòng)作指令，控制讀寫器與標(biāo)簽的通信過(guò)程和身份驗(yàn)證并對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 密，對(duì)鍵盤或者顯示設(shè)備等其他外部設(shè)備的控制。讀寫器中微處理器可以有三種選擇：?jiǎn)纹瑱C(jī)、 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(qiáng)的處理能力，能夠同時(shí)完成讀寫 器系統(tǒng)中對(duì)讀寫器的控制、對(duì)數(shù)據(jù)的處理和與后臺(tái)應(yīng)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(yīng)用中。 C8051F系列單片機(jī)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(jī)處理速度和性能都有很大的提升，而且開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，容易移植，成本也十分低，是目前應(yīng)用晟廣泛的單片機(jī)種類。 CIP51采用 流水線結(jié)構(gòu) ，與標(biāo)準(zhǔn)的 8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 8051中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12或 24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 1224MHz。而對(duì)于 CIP51內(nèi)核， 70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為 1或 2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有 4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于 4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。 大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，得以適應(yīng)超高頻 RFID讀寫器要主控器運(yùn)行速度的要求以及對(duì)防碰撞吞吐率的要求。 C8051F340 單片機(jī)主要特性 C8051F340 單片機(jī) 主要 有一下特性： （ 1）高速流水線結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)的 SPI， SMBus/IIC 和 2 個(gè) UART 串行接口；（ 9） 4 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器；（ 10）具有 5 個(gè)捕捉 /比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列 ；（ 11）片內(nèi)上電復(fù)位，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)電壓比較器， VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器；（ 12） 40 個(gè) I/O 端口；（ 13） 40~85 度工業(yè)級(jí)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(jī) 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖 22為 C8051F340 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 圖 22 C8051F340 主控器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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(shí)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(jiǎn)化。芯片控制通過(guò)32 個(gè)寄存器的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)全部 RF、濾波及協(xié)議控制功能。收發(fā)模塊支持自動(dòng)生成幀頭和 CRC 校驗(yàn)碼，組裝成幀的數(shù)據(jù)塊通過(guò)片上的 24字節(jié) FIFO 寄存器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)中。電源管理模塊可以對(duì)片外 MCU 以及其他芯片供 1． 5～ 3． 3 伏電壓以及提供時(shí)鐘輸出。片上 PA 具有高達(dá) 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。總體來(lái)說(shuō) AS3991 具有以下優(yōu)點(diǎn)：集成度更高，源代碼公開(kāi)，加載協(xié)議方便，開(kāi)發(fā)難度低，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，總體成本低，設(shè)計(jì)時(shí)要注意的事項(xiàng)少。因此本課題設(shè)計(jì)選擇 AS3991 作為射頻收發(fā)芯片。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(jiǎn)單；(3） 低工作電流； (4)輸出功 率可達(dá) 20dBm； (5)可選擇時(shí)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(hào)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(tīng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)方案 EPC Gen2 標(biāo)準(zhǔn) 無(wú)線射頻識(shí)別（ RFID）系統(tǒng)存在眾多的通信協(xié)議。其中一個(gè)最流行的協(xié)議就是EPC Gen2 協(xié)議。這個(gè)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(zhǔn)為 ISO 標(biāo)準(zhǔn)。 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(kù)存命令有一下四種命令組成：選擇、查詢、查詢重復(fù)和查詢調(diào)節(jié)。這些命令用來(lái)讀取在閱讀器范圍內(nèi)所有標(biāo)簽的 EPC序號(hào)。EPC序號(hào)可 以用來(lái)訪問(wèn)中心數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得例如標(biāo)簽附著在哪一個(gè)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(kāi)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(biāo)簽的所有命令的前端部分。在 Gen2 協(xié)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 議中，存在兩個(gè)通信鏈路：閱讀器向標(biāo)簽的鏈路和標(biāo)簽向閱讀器的鏈路。這兩個(gè)鏈路是相互獨(dú)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(gè)通信鏈路的具體特性都是由閱讀器控制。在 Gen2中，標(biāo)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(biāo)簽的狀態(tài)機(jī) ：準(zhǔn)備狀態(tài)是標(biāo)簽在上電的情況下能夠進(jìn)入的兩個(gè)狀態(tài)之一。另一個(gè)標(biāo)上電時(shí)可以進(jìn)入的狀態(tài)是死亡狀態(tài)。當(dāng)標(biāo)簽在上電復(fù)位以前是死亡狀態(tài)時(shí)，標(biāo)簽會(huì)在上電復(fù)位時(shí)進(jìn)入死亡狀態(tài)。如果標(biāo)簽先前沒(méi)有死亡，那它會(huì)在上電后進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。處于準(zhǔn)備狀態(tài)的標(biāo)簽，不會(huì)參與查詢回合。當(dāng)閱讀器發(fā)布一個(gè)查詢命令，將打開(kāi)查詢回合，直到下一個(gè)查詢命令中止。因此，查詢命令指示結(jié)束當(dāng)前的查詢和下一個(gè)查詢的開(kāi)始。閱讀器使用查詢回合來(lái)獲得大量標(biāo)簽的 EPC 號(hào)碼。當(dāng)接受到一個(gè)查詢命令 時(shí)，標(biāo)簽將會(huì)結(jié)束準(zhǔn)備狀態(tài)。查詢命令包含了標(biāo)簽選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)載入到時(shí)隙計(jì)數(shù)器的參數(shù)。如果隨機(jī)數(shù)是 0，隨后標(biāo)簽將會(huì)發(fā)送它的回復(fù)狀態(tài)。當(dāng)隨機(jī)數(shù)不為 0是，標(biāo)簽會(huì)發(fā)送仲裁狀態(tài)。 ：仲裁狀態(tài)下的標(biāo)簽將參與當(dāng)前的查詢回合，他們的時(shí)隙計(jì)數(shù)器包含一個(gè)非 0 值。在此狀態(tài)下的標(biāo)簽等待他們的時(shí)隙計(jì)時(shí)器達(dá)到 0 為止。當(dāng)標(biāo)簽的時(shí)隙計(jì)數(shù)器到達(dá) 0時(shí)，標(biāo)簽變到回復(fù)狀態(tài)。 ：回復(fù)狀態(tài)是當(dāng)標(biāo)簽發(fā)送它的 EPC 好嗎給閱讀器的兩個(gè)狀態(tài)之一?；貜?fù)狀態(tài)中的標(biāo)簽有一個(gè)時(shí)隙計(jì)數(shù)器為 0，并反向散射 RN16（ RN16 是一個(gè)十六位的隨機(jī)數(shù)）給閱 讀器。反向散射 RN16 是標(biāo)簽發(fā)送 EPC 好嗎給閱讀器的兩個(gè)階段中的第一個(gè)階段。 如果閱讀器正確的接收到了標(biāo)簽的 RN16 數(shù)，閱讀器將會(huì)發(fā)送一個(gè)帶有 RN16 的確認(rèn)（ ACK）命令給標(biāo)簽。閱讀器接收不到 RN16 的可能原因有： 兩個(gè)以上的標(biāo)簽在發(fā)送 RN16 時(shí)發(fā)生碰撞； 射頻信號(hào)干擾了 RN16； 閱讀器錯(cuò)過(guò)了 RN16 信號(hào)。標(biāo)簽隨后將會(huì)反向散射它的 EPC 號(hào)碼，還有發(fā)送一個(gè) PC（描述了標(biāo)簽的物理特性）和用來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢查的 CRC。接收到帶有正確的 RN16 的 ACK 是標(biāo)簽從回復(fù)狀態(tài)轉(zhuǎn)入到確認(rèn)狀態(tài)。標(biāo)簽只有在接收不到來(lái)自閱讀器的任何 命令時(shí)，才會(huì)在一個(gè)限定的時(shí)間內(nèi)保持在回復(fù)狀態(tài)。在這個(gè)時(shí)間之后，標(biāo)簽將會(huì)自動(dòng)的回到仲裁狀態(tài)。 ：當(dāng)標(biāo)簽發(fā)送它的 EPC 號(hào)給閱讀器之后，將會(huì)進(jìn)入到確認(rèn)狀態(tài)。確認(rèn)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 狀態(tài)是訪問(wèn)命令（讀和寫命令）的網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。但是標(biāo)簽在我、確認(rèn)狀態(tài)不會(huì)死亡。確認(rèn)狀態(tài)與回復(fù)狀態(tài)類似，有一個(gè)定時(shí)器，可以在每次從閱讀器接收到一個(gè)命令后復(fù)位。如果在特定的時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有從閱讀器接收命令（即定時(shí)器超時(shí)），標(biāo)簽則會(huì)自動(dòng)的回到仲裁狀態(tài)。 ：開(kāi)放狀態(tài)是訪問(wèn)命令專門使用的兩個(gè)狀態(tài)之一。在開(kāi)放狀態(tài)中沒(méi)有定時(shí)器。因此，如果沒(méi)有閱讀器命令時(shí)， 只要標(biāo)簽有供電，它將保持開(kāi)放狀態(tài)。標(biāo)簽可以從開(kāi)放狀態(tài)進(jìn)入到安全狀態(tài)。 ：標(biāo)簽可以使用一個(gè)可選的密碼設(shè)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(wèn)命令。密碼的默認(rèn)值為零。這意味著密碼保護(hù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，或者是沒(méi)有被激活。設(shè)置一個(gè)非 0 值的密碼，可以使密碼具有保護(hù)的特性。如果標(biāo)簽的密碼特性被實(shí)現(xiàn)和激活，那么所有的訪問(wèn)命令必須從安全狀態(tài)執(zhí)行。在標(biāo)簽進(jìn)入到安全狀態(tài)之前必須提供正確的密碼。 ： RFID 標(biāo)簽包含識(shí)別一個(gè)特定物體的信息。 ID 號(hào)是唯一的，并且與某一特定的物品相關(guān)。因此，使用 RFID 時(shí)，對(duì)安全和隱私的關(guān)注開(kāi)始上升。死亡即是關(guān)閉標(biāo)簽的命令，死亡操作不能被撤銷，并且永久性的破 壞標(biāo)簽。在標(biāo)簽死亡以后標(biāo)簽將不會(huì)響應(yīng)任何命令。因此標(biāo)簽死亡以后， 沒(méi)有任何設(shè)被能夠讀取標(biāo)簽的 EPC號(hào)。 本章小結(jié) ： 本章主要從系統(tǒng)整個(gè)方案的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)簽的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了描述。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 本章主要介紹讀寫器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基帶模塊設(shè)計(jì)包括主控芯片、射頻發(fā)射模塊及外圍時(shí)鐘、復(fù)位和外部存儲(chǔ)器。射頻模塊設(shè)計(jì)中選用 AS3991，外圍電路設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 信 號(hào) 燈 蜂 鳴器R S 2 3 2 / U S B發(fā) 射 機(jī)接 收 機(jī)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(jié)構(gòu)框圖 C8051F340 SOC系列 MCU在 CIP51內(nèi)核和外設(shè)方面有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向 CIP51提供 16個(gè)中斷源（標(biāo)準(zhǔn) 8051只有 7個(gè)中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。 在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。 C8051F340有多達(dá) 9個(gè)復(fù)位