讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)-在職工程碩士研究生學(xué)位論文中期報(bào)告

PAGEPAGE8在職工程碩士研究生學(xué)位論文中期報(bào)告研究課題便攜式甚高頻RFI讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)研究生姓名李林海學(xué)號(hào)2011331100103工程領(lǐng)域集成電路工程校內(nèi)導(dǎo)師姓名郭書(shū)軍企業(yè)導(dǎo)師姓名張文東論文工作的起止時(shí)間2012-092013-122013年6月19日填寫(xiě)中期報(bào)告由研究生填寫(xiě)，一式二份（學(xué)院，研究生部）課題目前進(jìn)展情況（已完成的研究工作與研究成果）。自2012年8月份開(kāi)題以來(lái)，通過(guò)查閱檢索相關(guān)文獻(xiàn)，借鑒同類產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)完成如下工作：1．資料查詢部分查閱資料部分共計(jì)約73篇，其中期刊文獻(xiàn)資料50篇，產(chǎn)品介紹10篇，RFID政策法規(guī)合計(jì)13篇。期刊文獻(xiàn)是超高頻RFID讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)相關(guān)的一些論文資料，主要以設(shè)計(jì)方法思路為主，借鑒其對(duì)讀寫(xiě)器整體框架設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，為本課題作基礎(chǔ)知識(shí)積累。產(chǎn)品介紹主要包括幾類RFID讀寫(xiě)器的介紹，包括Skytek公司產(chǎn)品M8、M9；ThingMagic公司RF4；遠(yuǎn)望谷公司XC2903；北京維深公司RM810、RM820；南京先施公司S18XX系列模塊及手持讀寫(xiě)器產(chǎn)品等。RFID法規(guī)方面查詢了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)、韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)；三個(gè)技術(shù)體系：ISO標(biāo)準(zhǔn)體系、EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)體系、UbiquitousID標(biāo)準(zhǔn)體系。2．原理圖設(shè)計(jì)部分本課題原理圖設(shè)計(jì)采用MCU+RF模塊的思想，MCU采用Silabs公司的增強(qiáng)型單片機(jī)C8051F340，該芯片是一種數(shù)模混合性MCU，采用LPFP48小型封裝，具有執(zhí)行速度快、集成接口多、低功耗設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。MCU電路部分主要功能是與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信；執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的動(dòng)作命令；控制射頻模塊與標(biāo)簽的通信過(guò)程；基帶信號(hào)的編碼和解碼；執(zhí)行防沖突算法；讀讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；進(jìn)行讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的身份認(rèn)證等等。電路部分包括晶振電路、USB和RS232接口電路、復(fù)位電路以及JTAG接口電路。2.1晶振電路經(jīng)電路產(chǎn)生符合RFID系統(tǒng)要求的震蕩頻率、經(jīng)過(guò)時(shí)鐘電路產(chǎn)生MCU所需要的時(shí)鐘信號(hào)。采用有源晶體振蕩電路，振蕩頻率20MHz，頻率誤差±10ppm；穩(wěn)定度±9ppm；電路如圖所示。其中震蕩器的相位噪聲可以通過(guò)一個(gè)外部基準(zhǔn)振蕩器TCXO來(lái)改進(jìn)。這個(gè)外部振蕩器輸出引腳通過(guò)一個(gè)10k電阻連接到AS3992的Osco引腳端。圖1晶振電路2.2RS232和USB接口電路采用RS232接口或者USB接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信嵌入式系統(tǒng)一般采用TTL/CMOS電平，而PC機(jī)的RS232接口一般采用負(fù)邏輯方式，因此需要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。采用MAXIM公司MAX232雙通道串口芯片實(shí)行UART和PC間的互連。原理圖如下：圖2RS232電路該電路可通過(guò)USB接口上電以及和外部設(shè)備進(jìn)行通信。因C8051F340內(nèi)部集成USB管理模塊，因此不需要外圍匹配電路和下拉電阻，原理圖如下圖3USB電路2.3復(fù)位電路復(fù)位電路通常有三種類型：上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和軟件復(fù)位本電路設(shè)計(jì)中，復(fù)位電路通過(guò)兩個(gè)去耦電容、一個(gè)上拉電阻和一個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。電阻R7連接P4.7和RESET引腳，程序只需要把P4.7置零，即可實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位圖4復(fù)位電路2.4JTAG接口電路JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和測(cè)試。在本系統(tǒng)中，JTAG接口用于FLASH燒錄程序和程序仿真。本系統(tǒng)中，JTAG的TMS和MCU的C2D連接，TCK和單片機(jī)的C2CK連接，TDI和TDO懸空，還需要連接電源和地線即可。2.5顯示部分顯示模塊采用1602單色液晶顯示屏，可顯示采集到的數(shù)據(jù)以及各種功能。采用SPI總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交互，減少I(mǎi)O的使用，利用圖形提示變量值的變化情況，調(diào)試程序，輔助完成軟件編寫(xiě)圖5LCD顯示電路2.6鍵盤(pán)部分采用4x4標(biāo)準(zhǔn)小鍵盤(pán)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的讀取、修改等功能2.7射頻部分射頻部分是實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器讀寫(xiě)功能的核心部分，擬采用AMS公司的RFID讀寫(xiě)器芯片AS3992，該芯片包含了完整的模擬前端電路以及ISO-IEC18000-6C協(xié)議處理器，同時(shí)，還繼承了內(nèi)部高性能VCO、密集閱讀器模式（DRM）濾波器、發(fā)射鏈路預(yù)失真功能，其接收靈敏度也提高了-78dBm。內(nèi)部可配置VCO覆蓋了從840-960MHz的頻率范圍，可用于世界范圍內(nèi)的超高頻RFID標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)含高度可配置的模擬前端，可工作與DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK調(diào)制模式會(huì)話條件的標(biāo)簽；通過(guò)外部接口與外部控制電路進(jìn)行通信圖6AS3992功能框圖AS3992的發(fā)射和接收鏈路需要外部提供一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘，用于發(fā)射鏈路產(chǎn)生載波、接收鏈路I/Q解調(diào)以及解調(diào)后的信號(hào)濾波，要求其精度高于10ppm，本系統(tǒng)采用精度為2.5ppm的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器；為減少片內(nèi)電路產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)而帶來(lái)的相位噪聲，AS3992片內(nèi)VCO工作在1.8G左右，再將其二分頻至900MHz頻段，預(yù)估載波頻率915MHz，系統(tǒng)相位噪聲1kHz時(shí)可達(dá)-80dBc/Hz，這樣可使靈敏度提高很多，微弱信號(hào)仍可解調(diào)出正確信號(hào)。接收鏈路估算如下：假設(shè)讀寫(xiě)器工作在900MHz，根據(jù)Friss公式，當(dāng)天線與標(biāo)簽距離在1-3米范圍內(nèi)無(wú)線信道損耗LIdBm將在[-31.5，-41.2]，標(biāo)簽天線所接受到的能量Ptag為PIdBm=PEIRPIdBm+LIdBm+GtagIdBi式中PEIRP為讀寫(xiě)器天線的等效全向輻射功率，最大36dBm，Gtag為標(biāo)簽天線的增益設(shè)為0dBi。則標(biāo)簽天線接收到的能量PIdBm∈[4.5，-5.2]，經(jīng)標(biāo)簽反射回讀寫(xiě)器前端的能量為：PreaderIdBm=10lgαPtag+LIdBm+Greader其中α為標(biāo)簽反射能量與入射能量的比值，典型值為0.2。Greader為讀寫(xiě)器的天線增益，典型值為6dBi，則PreaderIdBm范圍在[-28，-55.1]，為補(bǔ)償讀寫(xiě)器天線和標(biāo)簽天線之間的極化誤差，多徑衰落等影響，增加6dB左右路徑損耗裕量，則PreaderIdBm范圍在[-34，-61.1]。AS3992的接收靈敏度最高達(dá)-78dBm，由于估算結(jié)果對(duì)讀寫(xiě)器的要求，為了適應(yīng)標(biāo)簽反向散射的不同信號(hào)輕度，可通過(guò)調(diào)整其內(nèi)部的接收調(diào)整寄存器（地址為0x0A）中的ir<1,0>位來(lái)獲得23dB的動(dòng)態(tài)范圍。為提高射頻模塊性能，還可以選擇使用外部VCO、PA、Balun、Circulator、Switch等器件，其中VCO可以改善發(fā)射信號(hào)的頻譜特性；PA可以提高發(fā)射功率；Balun實(shí)現(xiàn)不平衡至平衡轉(zhuǎn)化；Circulator用于收發(fā)信號(hào)隔離；Switch用于多天線口轉(zhuǎn)換。3．PCB版圖設(shè)計(jì)部分在硬件設(shè)計(jì)完成后最關(guān)鍵的部分是PCB版圖的設(shè)計(jì)，PCB版圖的設(shè)計(jì)是理論到實(shí)際的升華過(guò)程。PCB版圖設(shè)計(jì)主要分為控制部分和射頻部部分。3.1控制部分注意事項(xiàng)：在PCB版圖設(shè)計(jì)之前需要檢查元件的封裝是否正確，是否符合要求。對(duì)于不符合要求的元件要重新繪制，直到滿足要求為止。在本電路設(shè)計(jì)中，既有模擬電路又有數(shù)字電路，這兩部分電路地線分開(kāi)，最后在電源處再接到一齊，防止出現(xiàn)共地干擾；對(duì)數(shù)字電路部分，時(shí)鐘晶體應(yīng)該盡量靠近MCU時(shí)鐘脈沖輸入端，防止引入干擾；要注意各個(gè)模塊電路元件盡量集中，在放置元件時(shí)應(yīng)該放置單元電路中的主要元件，然后根據(jù)小單元電路放置外圍元件，以保證對(duì)其他電路影響盡量小，引線盡量短的原則。3.2射頻部分設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：元件布局：盡可能縮短高頻元件之間的引線，設(shè)法減少他們的分布參數(shù)和互相的電磁干擾。一般情況盡量使元件平行排列，容易受干擾的元件不能相互挨的太近，輸入和輸出元件盡量遠(yuǎn)離。抗干擾措施：對(duì)于電源線的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量加粗其寬度，減少環(huán)路電路。同時(shí)使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有利于增強(qiáng)抗噪聲能力。地線、數(shù)字地、模擬地分開(kāi)。采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)該短而粗，以達(dá)到可通過(guò)三倍印制板允許電流。高頻元件周?chē)M量采用珊格狀大面積覆銅。旁路電容和去耦電容的配置：旁路電容的主要功能是產(chǎn)生分流電路，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的干擾能量。去耦電容用來(lái)提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在PCB版上的傳播并把噪聲進(jìn)入地面。線片的引腳使用一個(gè)大貼片電容和小容值電容進(jìn)行并聯(lián)，且應(yīng)該盡可能靠近電壓引腳，達(dá)到去耦和濾波的目的。本系統(tǒng)在高頻芯片引腳都接上了10nF和2uF的并聯(lián)去藕電容。本系統(tǒng)讀寫(xiě)器工作在915MHz超高頻頻段，射頻模塊PCB版圖采用兩層設(shè)計(jì)，頂層作為電源層，底層作為地網(wǎng)層。圖7頂層PCB圖8底層PCB4．軟件設(shè)計(jì)部分：射頻識(shí)別系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在軟件結(jié)構(gòu)上，可以分成兩部分：主程序和中斷程序。主程序的主要任務(wù)是不斷進(jìn)行系統(tǒng)自檢，和等待上位機(jī)發(fā)送信息包，若UART收到正確的數(shù)據(jù)包，則發(fā)送中斷標(biāo)志，處理上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，一般為啟動(dòng)RFID操作標(biāo)簽流程。若UART沒(méi)有接收到有效的命令，則繼續(xù)循環(huán)等待。本系統(tǒng)RFID讀寫(xiě)器程序結(jié)構(gòu)如圖9所示。系統(tǒng)應(yīng)用層運(yùn)行相關(guān)應(yīng)用程序，在本設(shè)計(jì)中，集中表現(xiàn)為UART串口通信程序。協(xié)議層初始化讀寫(xiě)器通信協(xié)議，包括IS0180006B和EPCGen2，確定調(diào)制編碼方式和數(shù)據(jù)格式。AS3992驅(qū)動(dòng)包括初始化32個(gè)芯片寄存器和包括內(nèi)部VCO和PLL、內(nèi)部PA等在內(nèi)的所有工作模塊。硬件底層驅(qū)動(dòng)包括初始化串口和USB口，以及相關(guān)底層硬件。底層軟件主要是PC機(jī)通過(guò)USB接口、串口等接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)讀寫(xiě)器進(jìn)行讀標(biāo)簽信息、讀標(biāo)簽或寄存器數(shù)據(jù)、寫(xiě)標(biāo)簽或寄存器數(shù)據(jù)、上鎖／解鎖、滅活標(biāo)簽等操作。MCU作為閱讀器的控制中樞，一方面要協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作，一方面要完成對(duì)通信協(xié)議的控制，它的工作流程如圖10所示。在Main．c主程序中，首先初始化MCU系統(tǒng)時(shí)鐘、USB、UART，之后對(duì)AS3992芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，設(shè)定編碼調(diào)制方式、工作頻率、發(fā)射功率等參數(shù)。在MCU和射頻芯片都初始化成功后，系統(tǒng)進(jìn)行自測(cè)，通過(guò)調(diào)用UartCommands0函數(shù)判斷上位機(jī)是否發(fā)來(lái)命令。如果沒(méi)有，則繼續(xù)自測(cè)；如果有發(fā)來(lái)命令，則判斷是什么命令并執(zhí)行相關(guān)操作。圖9系統(tǒng)程序框圖圖10流程框圖二、課題研究存在的問(wèn)題與難點(diǎn)。本課題的研究?jī)?nèi)容是便攜式超高頻RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)、內(nèi)容涉及數(shù)字電路、模擬電路和射頻電路等內(nèi)容，在本課題的設(shè)計(jì)中，主要存在以下問(wèn)題和難點(diǎn)1．?dāng)?shù)字電路數(shù)字電路部分主要采用Silabs公司C8051F340作為主控芯片，結(jié)合外圍元件實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻模塊的配置、數(shù)據(jù)交換以及對(duì)外的通信等功能，因此其主要問(wèn)題可能存在調(diào)試階段，一方面是PCB電路的焊接可能會(huì)存在虛焊、漏焊等問(wèn)題；另一方面可能是在程序調(diào)試階段會(huì)出現(xiàn)功能性能問(wèn)題。擬采取辦法：PCB版圖焊接組裝問(wèn)題：采用專業(yè)的技術(shù)工人進(jìn)行組裝焊接，焊接完畢后對(duì)PCB進(jìn)行檢測(cè)，盡量減少問(wèn)題發(fā)生。程序調(diào)試階段問(wèn)題：首先將問(wèn)題限定在某一功能區(qū)域，排除硬件問(wèn)題后，修改程序看是否符合功能要求。2．模擬電路模擬電路問(wèn)題主要考慮在于便攜式設(shè)備的整體功耗。便攜式設(shè)備一方面要求設(shè)備工作性能良好，一方面要求對(duì)能源消耗低；因此需要在能源消耗和維持性能中間尋找一個(gè)平衡條件，使得便攜式設(shè)備能夠有良好的效率。擬采取辦法：降低工作電壓。當(dāng)電壓從5V降低到3V時(shí)功耗將降低60%。采用智能電源。在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)闹悄茴A(yù)測(cè)、檢測(cè)，并僅在需要時(shí)才對(duì)系統(tǒng)供電。采用較低的時(shí)鐘速率。對(duì)輸入信號(hào)做出限制對(duì)IO進(jìn)行設(shè)置。使其只在工作時(shí)消耗功率擴(kuò)大輸出范圍改用新型工藝器件采用軟硬件聯(lián)合方式3．射頻電路射頻電路部分是讀寫(xiě)器的核心部分，因?yàn)轶w積小、頻率高等因素造成設(shè)計(jì)和實(shí)際調(diào)試相差較大，針對(duì)該問(wèn)題，擬采取如下解決方法：前期采用ADS進(jìn)行仿真，對(duì)電路單元的特性進(jìn)行預(yù)估，針對(duì)核心分離器件采用趨勢(shì)法量化其對(duì)性能的影響?？紤]阻抗匹配原則，對(duì)射頻通路上的走線進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)仿真軟件進(jìn)行仿真，調(diào)整PCB線條寬度和覆銅厚度。根據(jù)微帶線理論，對(duì)PA、PLL、VCO、BALUN等器件進(jìn)行仿真優(yōu)化。根據(jù)EMC知識(shí)，對(duì)高頻率、高電壓等干擾源進(jìn)行限定和隔離，在電源和地線中采取電源去藕、多點(diǎn)接地等措施，盡量降低EMI的危害4．防碰撞算法：當(dāng)讀寫(xiě)器范圍內(nèi)有多個(gè)未識(shí)別的標(biāo)簽時(shí)，面對(duì)讀寫(xiě)器發(fā)出的查詢指令，每個(gè)標(biāo)簽都會(huì)做出相應(yīng)。標(biāo)簽的響應(yīng)信息在讀寫(xiě)器的接收端會(huì)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，從而使讀寫(xiě)器無(wú)法正確識(shí)別任意一個(gè)標(biāo)簽的信息。RFID系統(tǒng)必須采用一定側(cè)策略或算法來(lái)避免碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，控制標(biāo)簽的響應(yīng)信息逐個(gè)通過(guò)射頻信道與讀寫(xiě)器通信。防碰撞算法主要解決如何快速準(zhǔn)確地從多個(gè)標(biāo)簽中選出一個(gè)與讀寫(xiě)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并在一定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)所有標(biāo)簽的識(shí)別。擬采取方法：采用時(shí)隙ALOHA算法，找出標(biāo)簽在每一個(gè)做出應(yīng)答的最佳概率，使得讀寫(xiě)器