基于MCU+FPGA的RFID讀寫器設(shè)計(jì)

　　射頻識(shí)別技術(shù)RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感和電磁耦合）傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別，射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由兩部分組成，射頻標(biāo)簽（Tag）和射頻讀寫器（Reader）。在RFID應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在被識(shí)別物體上，當(dāng)帶有射頻標(biāo)簽的被識(shí)別物品進(jìn)入讀寫器的可識(shí)讀范圍內(nèi)，讀寫器自動(dòng)以無接觸方式將射頻標(biāo)簽中約定的信息讀取出來，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品和收集物品標(biāo)志信息的功能。

　　RFID技術(shù)在生產(chǎn)、零售、物流和交通等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。為解決后勤物資在請(qǐng)領(lǐng)、運(yùn)輸、分發(fā)等環(huán)節(jié)中的可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控問題，在軍事物流領(lǐng)域廣泛使用RFID技術(shù)，其基本用法是在倉庫、碼頭、車站、重要交通路口安裝布設(shè)射頻讀寫器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)裝有射頻標(biāo)簽的軍事物資通過時(shí)，相關(guān)的物資信息、運(yùn)輸信息和安全信息被自動(dòng)采集并上傳，實(shí)現(xiàn)了后勤物資保障供應(yīng)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(yuǎn)距離讀寫射頻標(biāo)簽內(nèi)部存儲(chǔ)的各類信息?？紤]在運(yùn)輸途中的物資監(jiān)控能力。要求射頻讀寫器適應(yīng)于野外工作環(huán)境。設(shè)計(jì)可靠的抗干擾和保護(hù)措施

　　射頻讀寫器主要性能要求如下：

　?。?）全向的射頻標(biāo)簽識(shí)別、讀寫功能;

　?。?）高速的數(shù)據(jù)處理能力：

　?。?）多樣化的數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)：

　?。?）能夠適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的射頻標(biāo)簽快速識(shí)讀：

　?。?）使用于交/直流供電場(chǎng)合，考慮車載化設(shè)計(jì);

　　（6）完善地抗干擾，防雷擊、浪涌措施;

　?。?）軟件中間件開發(fā)、配置、運(yùn)行方便、快捷。

　　2 讀寫器結(jié)構(gòu)組成

　　根據(jù)功能需求，射頻讀寫器的設(shè)計(jì)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(wù)操作系統(tǒng)。構(gòu)成實(shí)時(shí)多任務(wù)高速數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，通過外圍電路實(shí)現(xiàn)了射頻控制、空中協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(biāo)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(shí)時(shí)多任務(wù)控制能力。為此，讀寫器設(shè)計(jì)了32位高速M(fèi)CU+FP—GA+IxC/OS—II多任務(wù)操作系統(tǒng)構(gòu)成的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)處理平臺(tái)。該平臺(tái)可靠、穩(wěn)定，且具有外圍接口豐富和可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。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(gè)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(shí)現(xiàn)讀寫田器全向收發(fā)射頻信號(hào)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(yùn)行提供了可靠的交直流供電保障。

　　3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(shè)計(jì)中，嵌入式微處理器的性能無疑是影響整個(gè)設(shè)備性能的一個(gè)關(guān)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(dá)到了72MHz，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速吞吐傳輸，系統(tǒng)具備較強(qiáng)的快速響應(yīng)能力。LPC2387是一款外圍資源豐富的控制器。 集成512KBFlash Rom.98KB SRAM.硬件可加密程序代碼空間，最大限度地保護(hù)開發(fā)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，保證了軍事應(yīng)用的安全性該控制器共集成8類15個(gè)串行通信接口。包括1路 10/100Mb/sEthernet.工業(yè)級(jí)PHY.1路USB2.0全速（12Mb/s）數(shù)據(jù)接口，2路CAN接口，4個(gè)UART控制器（UART1 符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)展的需要：LPC2387支持SD/MMC接口，為大量配置信息和臨時(shí)物資信息的存儲(chǔ)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(yīng)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(shí)器、4個(gè) 32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和豐富的GPIO資源。

　　3.2

　　采用FPGA實(shí)現(xiàn)復(fù)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(xiàng)功能：實(shí)現(xiàn)與CPU的接口、進(jìn)行系統(tǒng)中斷處理、實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)編解碼、完成對(duì)射頻板開關(guān)的控制、ADC控制部分和LED控制部分。

　　由于采用了FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路編解碼功能，對(duì)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(hù)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(shè)備適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境，各類接口均設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。

　　以太網(wǎng)接口的保護(hù)電路分二級(jí)保護(hù)：放電管和TVS陣列芯片，可防護(hù)雷擊和浪涌對(duì)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的沖擊在該電路中使用TVS陣列芯片主要是因?yàn)樵撔酒瑑?nèi)部設(shè)計(jì)的TVS二極管結(jié)電容較小。可大大降低對(duì)高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的影響

　　RS一232和RS一485的保護(hù)電路分為3級(jí)保護(hù)：自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、放電管和TVS二極管，可以防護(hù)過流、雷擊和浪涌的沖擊。

　　3.4 可靠的供電電路設(shè)計(jì)

　　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(shè)計(jì)為寬電壓（90～260V）輸入，直流電壓輸入范圍：12～24V。適應(yīng)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(jìn)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(hù)的作用，電源濾波器則可過濾供電電源的高頻干擾信號(hào)，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(shè)計(jì)了瞬變電壓保護(hù)電路，可有效保護(hù)讀寫器的單元電路。

　　3.5 天線分集技術(shù)設(shè)計(jì)

　　射頻讀寫器中低頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)，采用了在兩個(gè)相互垂直的方向上進(jìn)行天線分集接收的技術(shù)，使得射頻標(biāo)簽從任一方向進(jìn)入激勵(lì)磁場(chǎng)時(shí)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(shù)，保證了識(shí)讀區(qū)域無方向性、無盲區(qū)。這兩項(xiàng)天線分集技術(shù)成功解決了標(biāo)簽高速移動(dòng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)收發(fā)的多徑效應(yīng)問題，有效提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)物資信息的高速動(dòng)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(tái)。具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和安全性，結(jié)構(gòu)緊湊。軟件系統(tǒng)還采取了許多安全技術(shù)措施，包括對(duì)讀、寫進(jìn)行權(quán)限控制、帶保護(hù)的子系統(tǒng)、審計(jì)跟蹤、核心授權(quán)等。為用戶提供了必要的安全保障。

　　射頻讀寫器對(duì)外提供的功能和接口控制函數(shù)體系如圖2所示。

　　5 結(jié)語

　　本文提出了一種基于MCU+FPGA的射頻讀寫器設(shè)計(jì)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(diǎn)。由此研制的軍用射頻識(shí)別讀寫器，已經(jīng)通過了相關(guān)部門的鑒定。并且通過應(yīng)用實(shí)踐證明，該產(chǎn)品的運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。