多协议超高频RFID读写器设计

李志善，孙 嘉，张 丹

（中国航天科工集团第二研究院706所，北京100854）

0 引 言

随着射频识别 （radio frequency identification，RFID）技术的飞速发展，超高频 （ultra high frequency，UHF）频段的RFID 设备又具有读写距离远、多标签识别快、适应物体高速运动性能好的特点，推动了UHF频段的RFID 技术以及相关标准的发展［1］。继ISO18000－6C标准推广以来，我国也推出了自主协议标准，随之产生了满足ISO18000－6C标准的读写器不能读取自主协议的电子标签的问题，不但造成了硬件资源的重复使用，也限制了读写器的使用范围，因此，需开发一款同时满足多协议的超高频RFID 读写器。本文采用FPGA＋ARM 的结构实现读写器的基带部分［2］，可以有效解决这个问题。

1 多协议超高频RFID读写器的总体结构

多协议超高频RFID 读写器与满足单一标准的普通读写器的主要区别在基带实现部分。在基带实现部分，本设计采用FPGA＋ARM 结构来实现，可以在FPGA 实现ISO18000－6C标准和自主协议标准物理层编码，在ARM 中实现两种标准的协议层编码，并通过接口输入控制命令来设置读写器满足何种协议［3，4］。

本文设计的多协议超高频RFID 读写器由天线、射频部分、基带部分、接口以及电源等5部分构成，其总体结构如图1 所示。其中射频部分包括发射电路、接收电路、载波泄漏抑制电路［5，6］；基带部分包括FPGA Xilinx Spartan6 XC6SLX16，ARM STM32F407；接口部分有USB、RS232、Ethernet接口。射频部分与基带部分通过AD／DA接口相连。射频部分将接收到的标签信息进行解调，然后经过AD 转换成数字信号经FPGA 进行解码；FPGA 则将读写器命令进行编码经过DA 转换通过射频部分发送出去。FPGA 与ARM 通信通过SPI总线［7］。

2 多协议超高频RFID 读写器的射频部分

图1 多协议超高频RFID 读写器总体结构

虽然ISO18000－6C标准和自主协议标准有很大的差别，但射频前端的基本结构是相同的。射频前端主要由4部分构成：发射电路，接收电路，本振和载波抑制电路。考虑到RFID 系统的发射部分对增益的要求不是很高，且发送接收信号的载波频率相同，为了减少电路的功耗和复杂性，发射电路与接收电路均采用零中频的结构［8］，射频部分的总体结构如图2所示。

图2 射频部分的总体结构

2.1 发射电路设计

参考Linear公司提供的超高频读写器射频前端的设计方案，完成整个发射模块芯片的选型。主要元器件见表1。

表1 发射模块芯片的选型

对于发射电路来说，最重要的是要保证已调信号严格的线性放大。上混频器的输出信号主要受本振的输入功率和基带信号大小的影响，正常工作时上混频器的典型输出功率为－14dBm 左右，而设定的最大输出功率为33dBm，两者相差47dB，该增益需要用两级放大来完成。这样，调制好的信号经过第一级放大器后，信号被放大到6dBm 左右，在SAW 滤波器处衰减3dB，功率放大器只需要放大30dB。但功率放大器的1dB压缩点在30dB左右，为了保证整个系统的线性度，通过一个功分器将信号平均分成两路通过两个功率放大器分别放大后再通过功率合成器将两路信号合成，保证了放大器工作在线性范围内［9］。发射功率通过MCU 的控制能够在8dBm～33dBm 间变化，可以满足读写器在不同条件的应用场景。

2.2 接收电路设计

整体接收电路包括天线、LNA 低噪放、带通滤波器、下变频混频器、运算法大器、低通滤波器、ADC。接受电路的设计如图3所示。

图3 接收电路的结构

通常超高频RFID 读写器由于收发电路之间的隔离度有限，导致载波泄露的功率过大，超过了LNA 以及后级电路的承受上限。因此很多设计都舍弃LNA 低噪放改用滤波器作为接收端第一级电路，但这样会导致接收电路的噪声相应的增加很多，接收灵敏度恶化。在添加载波泄露抑制单元后，在接收电路第一级便可以使用LNA 低噪放，这样可以有效的提高接收器的性能。由于ISO18000－6C 标准和自主协议标准的反向调制使用的FM0或米勒副载波编码在直流附近的频谱分布几乎为0，因此接收电路采用交流耦合可以有效的提取有用信号。通过计算得该接收电路的灵敏度可以达到－100dBm 以上。

3 多协议超高频RFID读写器的基带部分

满足多协议标准的读写器与普通读写器的区别主要在基带实现部分，ISO18000－6C 标准和自主协议标准的主要区别：前向链路的编码方法、占空比、前导码、调制方式、调制深度；反向链路的前导码、标签防碰撞算法以及安全加密认证，见表2。

多协议超高频RFID 读写器数字基带电路包括基带发射部分、基带接收部分、基带控制器［10］，如图4所示。

发射通路的数字基带电路由成型滤波，Hilbert滤波器，CIC插值滤波器组成［11］。根据ISO18000－6C 标准和自主协议标准的规定可知，读写器的前向链路通信的数据速率不仅仅一种，可以采用可变带宽滤波等数字信号处理技术，便可以满足前向链路不同码率数据传输的要求。

接收通路的数字基带电路由CIC 抽取滤波器和可变带宽的带通滤波器的组成［12］，带通滤波器可以实现了零中频接收机中的直流消除并可以对带外噪声进行抑制，采用先判判决然后再进行相关，判决后相关节省资源，因为寄存器只需要1位即可，但是需要的相关器多［13］。并利用并行相关器的方法进行帧头同步和时钟恢复，以及解码等操作。

表2 ISO18000－6C标准和自主协议标准的区别

控制器则负责基带状态的跳转，数据的缓存，分频模块的控制，通过SPI总线与ARM 进行通信。这部分是实现读写器可以实现与两种协议标签通信的关键。

3.1 读写器发射通路数字基带电路设计

为了满足协议中对工作信道外频谱抑制的要求，发射信号需要在数字域通过升余弦滚降滤波器进行成形滤波；为了提高频谱利用率，读写器支持单边带调制，采用Hilbert滤波器产生I，Q 两路相位相差90°的信号［14，15］。信号经过FIR 和Hilbert滤波器要经过24M 的D／A 数模转换芯片发射出去的，因为本文信号通过FIR 的过采样率为信号的30倍，80K 信号数据速率经过FIR 为2.4 M，160K 的信号数据速率则变为4.8 M，需要经过CIC 插值滤波器将信号过采样率增加到24 M。所以读写器的发射部分要包括FIR 滤波器、Hilbert滤波器、CIC插值滤波器［19］。

由于ISO18000－6C标准和自主协议标准规定的前向链路的编码速率不仅仅有一种，在读写器满足多协议的情况下，又要兼顾满足多种通信速率。满足ISO18000－6C 标准读写器应采用6.25μs至25μs的Tari值进行通信。Tari值标志着前向链路的数据码率，因此读写器发送的数据的速率的范围在40Kbps－160Kbps之间；满足自主协议标准读写器应采用6.25μs或12.5μs的Tc，读写器的发送的数据的速率的范围在80Kbps－160Kbps之间；针对每种数据速率设计一组滤波器不现实，对硬件资源浪费严重。由于当阻带截止频率与通带截止频率之比是一个常数且采样频率与通带截止频率之比也是常数时，FIR 低通滤波器的阶数及冲击响应与滤波器的通带截止频率无关，所以相应的发送数据的数字信号处理应该能适应这个范围的码率波动［16］。对于不同码率的数据，滤波器的通带带宽和阻带带宽应该是不一样的，相应地滤波器的采样率，阶数和系数等都会变化。相应的CIC 插值滤波器的插值系数也随着进行着相应的变化。在满足ISO18000－6C 标准和自主协议标准时，滤波器的采样率和其它性能参数设置见表3和表4。

表3 ISO18000－6C发射通路滤波器可变带宽设计

表4 自主协议发射通路滤波器可变带宽设计

3.2 读写器接收通路数字基带电路设计

与读写发射部分相反，经过AD 采样进入数字信号处理的信号的采样率过高，射频信号首先要通过CIC 抽取滤波器降低过采样率，但在使用CIC 抽取容易产生假频，一般采用一种高效的级联滤波器，即积分器梳状 （CIC）滤波器用作窄带低通滤波器，用于抽取前去假频；又因为读写器采用零中频接收机结构，所以存在固有的直流失调的问题，本文采用FIR 和IIR 滤波器组成带通滤波器来滤出直流分量、高频分量及带外噪声；RSSI是接收机测量电路所得到的接收机输入的平均信号强度指示，用来实现增益自动调整；判决模块是解码正确与否的前提，判决模块与RSSI配合使用，根据RSSI的结果，计算各个过采样的阈值，保证在不同过采样情况下的判决正确，本文设计采用先判决再相关，这样可以节约硬件资源，以为判决之后相关寄存器只需要1位，但是相关器多，缺点是没有先相关再判决准确；帧同步与时钟恢复模块是读写器接收部分的关键，反向链路的通信中，一帧数据都是以帧同步码开始的，ISO18000－6C标准中，帧同步码在TRext＝0时，FM0前导码 为1010V1，当TRext＝1 时，12 个前导零加1010V1，自主协议标准中，与ISO18000－6C 标准类似，当TRext＝0时，FM0前导码为1110V00V，当TRext＝1时，12个前导零加1110V00V，时钟同步也是通过前导码实现的，只有正确的识别前导码才能保证数据不丢失，实现正确的解码；FM0解码和帧头同步一样，也是采用并行相关的办法，与前导码同步相比，FM0解码的并行相关器的本地序列，由原来的不同速率的前同步码换成了FM0编码方式的码元 “0”和码元 “1”的码型［18］。

3.3 读写器数字基带控制器设计

数字基带控制器包括主状态机模块、分频模块、协议选择模块、前向链路前导码模块、后向链路的前导码模块、TPP编码模块、PIE 编码模块、SPI接口模块、FIFO 缓存模块［19］。负责协调数字基带的发送与接收部分，表5是关于部分信号管脚的定义。

表5 读写器数字基带IO 设置

通过 SPI 接口与 ARM STM32F407 通信，ARM STM32F407负责读写器协议层的实现，控制器则将ARM 的读写等命令通过发送模块，进行编码、滤波、调制，发送给标签；基带接收部分将标签信息进行解调、滤波、判决、解码通过控制器与ARM 交互，通过接口电路传输给上位机［20］。

数字基带控制器是实现多协议的关键。自主协议标准与ISO／IEC 18000－6C差异主要在于链路层前向数据编码方法和数据速率、防冲突算法、安全认证机制，控制器则根据上位机事先的设置命令，采用不同的前导码模块，编码模块，以保证读写器与两种协议的标签都可以正常通信。

4 多协议超高频RFID读写器的测试

多协议超高频RFID读写器测试平台采用红色飓风E16S开发板与射频板搭建的，如图5所示。图片左边的是红色飓风E16S 开发板，开发板的核心板载有Xilinx Spartan6 XC6SLX16FPGA、STM32F407 ARM；右侧绿色板子射频板，射频前端采用23dbm，天线增益2db；两块板子通过AD／DA线连接，图中的两种类型标签，左侧为满足ISO／IEC 18000－6C标准的标签，右侧是满足自主协议标准的标签。

图5 多协议超高频RFID 读写器测试平台

测试时，首先将读写器设置成满足ISO／IEC 18000－6C标准的模式，对ISO／IEC 18000－6C标准的标签进行测试，对标签进行读、写等基本功能，基本满足协议要求。读写器发送Req＿RN 和Write命令如图6所示。满足协议要求，识别距离1m，当射频前端与天线增益增加，识别距离最远可以达到10m 左右。

然后将读写器设置成满足自主协议标准的模式，对自主协议标准的标签进行测试，对标签进行读、写等基本功能，满足自主协议标准要求。读写器发送Sort和Read命令如图7所示。

图6 满足ISO／IEC 18000－6C标准的读写器的测试

图7 满足自主协议标准的读写器的测试

5 结束语

本文设计的多协议超高频RFID 读写器经过一系列测试，主要功能基本满足要求，实现了同一台读写器既可以读取满足ISO／IEC 18000－6C标准的标签，又可以与满足自主协议标准的标签一起使用，既节约了硬件成本，又方便读写器的应用，解决了实际应用中的现实困难，一种读写器只能读取一种协议的标签。在基带部分，采用可变带宽滤波器，只需调整滤波器的通带和阻带截止频率，就可以满足不同速率信号的滤波，而不需要调整滤波器的阶数和系数，节约了硬件资源。这款读写器的射频部分的载波抑制方面与基带部分频谱传输规范、接收灵敏度等都需要进一步完善，特别是帧头检测与数据解码衔接部分，容易出现丢失数据现象。随着读写器和标签的广泛应用，用FPGA 与ARM 实现集成多种协议的读写器将得到更广泛的应用。

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