基于MCU+FPGA模式的RFID讀寫器設計

文章出處：http://www.fang1.net 作者：高兵權，肖學福，張揚奇，劉金彪   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月16日

     射頻識別技術RFID是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感和電磁耦合）傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別，射頻識別系統(tǒng)一般由兩部分組成，射頻標簽(Tag)和射頻讀寫器(Reader)。在RFID應用中，電子標簽附著在被識別物體上，當帶有射頻標簽的被識別物品進入讀寫器的可識讀范圍內(nèi)，讀寫器自動以無接觸方式將射頻標簽中約定的信息讀取出來，從而實現(xiàn)自動識別物品和收集物品標志信息的功能。

    RFID技術在生產(chǎn)、零售、物流和交通等行業(yè)有著廣闊的應用前景 。為解決后勤物資在請領、運輸、分發(fā)等環(huán)節(jié)中的可視化動態(tài)監(jiān)控問題，在軍事物流領域廣泛使用RFID技術，其基本用法是在倉庫、碼頭、車站、重要交通路口安裝布設射頻讀寫器網(wǎng)絡節(jié)點，當裝有射頻標簽的軍事物資通過時，相關的物資信息、運輸信息和安全信息被自動采集并上傳，實現(xiàn)了后勤物資保障供應鏈的可視化監(jiān)控。

    1 射頻讀寫器功能要求

    射頻讀寫器用于遠距離讀寫射頻標簽內(nèi)部存儲的各類信息．考慮在運輸途中的物資監(jiān)控能力．要求射頻讀寫器適應于野外工作環(huán)境．設計可靠的抗干擾和保護措施 射頻讀寫器主要性能要求如下：
    (1)全向的射頻標簽識別、讀寫功能；
    (2)高速的數(shù)據(jù)處理能力：
    (3)多樣化的數(shù)據(jù)通信接口設計：
    (4)能夠適應高速運動狀態(tài)下的射頻標簽快速識讀：
    (5)使用于交／直流供電場合，考慮車載化設計；
    (6)完善地抗干擾，防雷擊、浪涌措施；
    (7)軟件中間件開發(fā)、配置、運行方便、快捷。

    2 讀寫器結構組成

    根據(jù)功能需求，射頻讀寫器的設計主要由控制模塊、射頻收發(fā)模塊、天線單元、通訊接口模塊和電源模塊五部分組成．如圖1所示?？刂颇K以NXP公司LPC23系列高性能ARM7嵌入式微控制器(MCU)為核心。內(nèi)置μC／OS—II多任務操作系統(tǒng)．構成實時多任務高速數(shù)據(jù)處理平臺，通過外圍電路實現(xiàn)了射頻控制、空中協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲、以太網(wǎng)協(xié)議和串口通訊等功能。

     射頻讀寫器介于射頻標簽和軟件中間件之間，是數(shù)據(jù)鏈路層和媒體接入層協(xié)議棧的主要承載者．要求有高速、大容量數(shù)據(jù)處理能力和實時多任務控制能力。為此，讀寫器設計了32位高速MCU+FP—GA+IxC／OS—II多任務操作系統(tǒng)構成的嵌入式實時多任務處理平臺。該平臺可靠、穩(wěn)定，且具有外圍接口豐富和可擴展性好等特點。有效保證了信息的快速采集、處理和交換射頻收發(fā)模塊完成載波產(chǎn)生、空中信令調(diào)制／解調(diào)功能，天線單元的兩個天線相互垂直交叉布置。通過小型射頻電纜與射頻收發(fā)電路相連．實現(xiàn)讀寫田器全向收發(fā)射頻信號的功能。通信接口模塊提供RS232、RS485和以太網(wǎng)3種通信接口。電源模塊為軟硬件系統(tǒng)運行提供了可靠的交直流供電保障。

    3 硬件系統(tǒng)設計

    3．1 基于PowerPC體系的MCP860T嵌入式處理器

    在射頻讀寫器的硬件系統(tǒng)設計中，嵌入式微處理器的性能無疑是影響整個設備性能的一個關鍵因素。根據(jù)系統(tǒng)的功能和性能需求，經(jīng)過論證比較，MCU采用了NXP公司的32位LPC2387 ARM7微控制器，最好工作頻率達到了72MHz，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速吞吐傳輸，系統(tǒng)具備較強的快速響應能力。LPC2387是一款外圍資源豐富的控制器．集成512KB Flash Rom．98KB SRAM．硬件可加密程序代碼空間，最大限度地保護開發(fā)者的知識產(chǎn)權，保證了軍事應用的安全性 該控制器共集成8類15個串行通信接口。包括1路10／100Mb／s Ethernet．工業(yè)級PHY．1路USB2．0全速(12Mb／s)數(shù)據(jù)接口，2路CAN接口，4個UART控制器(UART1符合16C550工業(yè)標準,UART3支持IrDA模式)，3路高速I2C總線，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為400kb／s．1路PS。1路SPI和2路帶緩沖的SSP總線 豐富的接VI滿足了數(shù)據(jù)通信和外圍擴展的需要：LPC2387支持SD／MMC接口，為大量配置信息和臨時物資信息的存儲提供了保障 該控制器的工作溫度為-40~C～+85~C，LQFP100封裝，滿足了軍事應用的寬工作溫度、小體積尺寸的要求。另外，LPC2387提供了看門狗定時器、4個32位定時器／計數(shù)器和豐富的GPIO資源。

     3．2 采用FPGA實現(xiàn)復雜的邏輯控制FPGA采用Lattice公司的LFXP3C邏輯器件，主要完成了6項功能：實現(xiàn)與CPU的接口、進行系統(tǒng)中斷處理、實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)編解碼、完成對射頻板開關的控制、ADC控制部分和LED控制部分 由于采用了FPGA實現(xiàn)數(shù)字電路編解碼功能，對比軟件編解碼，系統(tǒng)的可靠性大大提高。

    3．3 通信接口和保護措施

    射頻讀寫器通信接口有以太網(wǎng)、RS-485和RS-232三類．為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸,設備適應野戰(zhàn)環(huán)境,各類接口均設計了保護電路。

    以太網(wǎng)接口的保護電路分二級保護：放電管和TVS陣列芯片,可防護雷擊和浪涌對網(wǎng)絡隔離變壓器的沖擊在該電路中使用TVS陣列芯片主要是因為該芯片內(nèi)部設計的TVS二極管結電容較?。纱蟠蠼档蛯Ω咚倬W(wǎng)絡數(shù)據(jù)的影響

    RS一232和RS一485的保護電路分為3級保護：自恢復保險絲、放電管和TVS二極管，可以防護過流、雷擊和浪涌的沖擊。

    3．4 可靠的供電電路設計

    電源模塊為讀寫器內(nèi)部的各部分電路提供電源保障讀寫器具備交直流兩種供電方式,交流電源電路設計為寬電壓(90～260V)輸入，直流電壓輸入范圍：12～24V。適應范圍較寬。為提高系統(tǒng)的可靠性。電源模塊選用成熟的AC／DC和DC／DC。

    電源模塊將外部接人的交直流電源進行濾波、降壓和穩(wěn)壓處理 交流電源和直流電源都加有壓敏電阻、陶瓷氣體放電管和電源濾波器。壓敏電阻和陶瓷氣體放電管主要起到過壓保護的作用，電源濾波器則可過濾供電電源的高頻干擾信號，以保證系統(tǒng)在較為惡劣的供電環(huán)境下仍然能夠正常工作 電源處理電路還設計了瞬變電壓保護電路，可有效保護讀寫器的單元電路。

    3．5 天線分集技術設計

    射頻讀寫器中低頻接收機的設計，采用了在兩個相互垂直的方向上進行天線分集接收的技術，使得射頻標簽從任一方向進入激勵磁場時都能被可靠激活 讀寫器采用的雙通道分集接收與發(fā)射技術，保證了識讀區(qū)域無方向性、無盲區(qū)。這兩項天線分集技術成功解決了標簽高速移動狀態(tài)下數(shù)據(jù)收發(fā)的多徑效應問題，有效提高了識別的準確率，實現(xiàn)了在運物資信息的高速動態(tài)采集。

    4 軟件系統(tǒng)功能

    軟件系統(tǒng)采用了源代碼開放的μC／OS—II嵌入式操作系統(tǒng)作為管理平臺．具有較強的穩(wěn)定性和安全性，結構緊湊。軟件系統(tǒng)還采取了許多安全技術措施，包括對讀、寫進行權限控制、帶保護的子系統(tǒng)、審計跟蹤、核心授權等．為用戶提供了必要的安全保障 射頻讀寫器對外提供的功能和接13控制函數(shù)體系如圖2所示

    5 結語

    本文提出了一種基于MCU+FPGA的射頻讀寫器設計方案。該方案具有數(shù)據(jù)處理速度高效、通信和控制接口豐富、軟件開發(fā)配置簡便的特點。由此研制的軍用射頻識別讀寫器,已經(jīng)通過了相關部門的鑒定．并且通過應用實踐證明，該產(chǎn)品的運行穩(wěn)定、可靠。