读写器设计-在职工程硕士研究生学位论文中期报告

读写器设计-在职工程硕士研究生学位论文中期报告 在职工程硕士研究生学位论文 中 期 报 告 研究课题便携式甚高频RFID读写器设计 研究生姓名 李林海 学 号 2011331100103 工程领域 集成电路工程 校内导师姓名 郭书军 企业导师姓名 张文东 论文工作的 起止时间 2012-09-----2013-12 2013年 6 月 19日 填写 中期报告由研究生填写，一式二份(学院，研究生部) 一、 课题目前进展情况(已完成的研究工作与研究成果)。 自2012年8月份开题以来，通过查阅检索相关文献，借鉴同类产品，现在已经完成如下工作: 1(资料查询部分 查阅资料部分共计约73篇，其中期刊文献资料50篇，产品介绍10篇，RFID政策法规合计13篇。期刊文献是超高频RFID读写器设计相关的一些论文资料，主要以设计方法思路为主，借鉴其对读写器整体框架设计的优点，为本课题作基础知识积累。产品介绍主要包括几类RFID读写器的介绍，包括Skytek公司产品M8、M9;Thing Magic 公司RF4;远望谷公司XC2903;北京维深公司RM810、RM820;南京先施公司S18XX系列模块及手持读写器产品等。RFID法规方面查询了美国标准、欧洲标准、韩国标准、日本标准、中国标准;三个技术体系:ISO标准体系、EPC global标准体系、Ubiquitous ID 标准体系。 2(原理图设计部分 本课题原理图设计采用MCU+RF 模块的思想，MCU采用Silabs公司的增强型单片机C8051F340，该芯片是一种数模混合性MCU，采用LPFP48小型封装，具有执行速度快、集成接口多、低功耗设计等特点。 MCU电路部分主要功能是与应用系统软件进行通信;执行从应用系统软件发来的动作命令;控制射频模块与标签的通信过程;基带信号的编码和解码;执行防冲突算法;读读写器和标签之间传输的数据进行加密和解密;进行读写器和标签之间的身份认证等等。电路部分包括晶振电路、USB和RS232接口电路、复位电路以及JTAG接口电路。 2.1晶振电路 经电路产生符合RFID系统要求的震荡频率、经过时钟电路产生MCU所需要的时钟信号。采用有源晶体振荡电路，振荡频率20MHz，频率误差?10ppm;稳定度?9ppm;电路如图所示。其中震荡器的相位噪声可以通过一个外部基准振荡器TCXO来改进。这个外部振荡器输出引脚通过一个10k电阻连接到AS3992的Osco引脚端。 图1 晶振电路 2.2 RS232和USB接口电路 采用RS232接口或者USB接口与外部设备进行通信 嵌入式系统一般采用TTL/CMOS电平，而PC机的RS232接口一般采用负逻辑方式，因此需要经过电平转换电路进行电平转换。 采用MAXIM公司MAX232双通道串口芯片实行UART和PC间的互连。原理图如下: 1 图2 RS232 电路 该电路可通过USB接口上电以及和外部设备进行通信。因C8051F340内部集成USB管理模块，因此不需要外围匹配电路和下拉电阻，原理图如下 图3 USB 电路 2.3复位电路 复位电路通常有三种类型:上电复位、手动复位和软件复位 本电路设计中，复位电路通过两个去耦电容、一个上拉电阻和一个按钮实现，同时，系统也可实现软件复位。电阻R7连接P4.7和RESET引脚，程序只需要把P4.7 置零，即可实现软件复位 图4 复位电路 2 2.4 JTAG 接口电路 JTAG 是一种国际标准测试 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真和测试。在本系统中，JTAG接口用于FLASH烧录程序和程序仿真。本系统中，JTAG的TMS和MCU的C2D连接，TCK和单片机的C2CK连接，TDI和TDO悬空，还需要连接电源和地线即可。 2.5显示部分 显示模块采用1602单色液晶显示屏，可显示采集到的数据以及各种功能。采用SPI总线方式进行数据传输交互，减少IO的使用，利用图形提示变量值的变化情况，调试程序，辅助完成软件编写 图5 LCD显示电路 2.6键盘部分 采用4x4标准小键盘操作，实现对标签的读取、修改等功能 2.7 射频部分 射频部分是实现读写器读写功能的核心部分，拟采用AMS公司的RFID读写器芯片AS3992，该芯片包含了完整的模拟前端电路以及ISO-IEC 18000-6C协议处理器，同时，还继承了内部高性能VCO、密集阅读器模式(DRM)滤波器、发射链路预失真功能，其接收灵敏度也提高了-78dBm。内部可配置VCO覆盖了从840-960MHz的频率范围，可用于世界范围内的超高频RFID标准，内含高度可配置的模拟前端，可工作与DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK调制模式会话条件的标签;通过外部接口与外部控制电路进行通信 图6 AS3992功能框图 3 AS3992的发射和接收链路需要外部提供一个稳定的时钟，用于发射链路产生载波、接收链路I/Q解调以及解调后的信号滤波，要求其精度高于10ppm，本系统采用精度为2.5ppm的温度补偿晶体振荡器;为减少片内电路产生的负载效应而带来的相位噪声，AS3992片内VCO工作在1.8G左右，再将其二分频至900MHz频段，预估载波频率915MHz，系统相位噪声1kHz时可达-80dBc/Hz，这样可使灵敏度提高很多，微弱信号仍可解调出正确信号。 接收链路估算如下: 假设读写器工作在900MHz，根据Friss公式，当天线与标签距离在1-3米范围内无线信道损耗LI将在[-31.5，-41.2]，标签天线所接受到的能量P为 dBmtag PI=PI+LI+GIdBmEIRPdBmdBmtagdBi 式中P为读写器天线的等效全向辐射功率，最大36dBm，G为标签天线的增益EIRPtag设为0dBi。则标签天线接收到的能量PI?[4.5，-5.2]，经标签反射回读写器前端的dBm 能量为: PI=10lgαP+LI+GreaderdBmtagdBmreader 其中α为标签反射能量与入射能量的比值，典型值为0.2。G为读写器的天线reader增益，典型值为6dBi，则PI范围在[-28，-55.1]，为补偿读写器天线和标签天readerdBm 线之间的极化误差，多径衰落等影响，增加6dB左右路径损耗裕量，则PI范readerdBm围在[-34，-61.1]。AS3992的接收灵敏度最高达-78dBm，由于估算结果对读写器的要求，为了适应标签反向散射的不同信号轻度，可通过调整其内部的接收调整寄存器(地址为0x0A)中的ir<1,0>位来获得23dB的动态范围。 为提高射频模块性能，还可以选择使用外部VCO、PA、Balun、Circulator、Switch等器件，其中VCO可以改善发射信号的频谱特性;PA可以提高发射功率;Balun实现不平衡至平衡转化;Circulator用于收发信号隔离;Switch用于多天线口转换。 3(PCB版图设计部分 在硬件设计完成后最关键的部分是PCB版图的设计，PCB版图的设计是理论到实际的升华过程。PCB版图设计主要分为控制部分和射频部部分。 3.1控制部分注意事项: 在PCB版图设计之前需要检查元件的封装是否正确，是否符合要求。对于不符合要求的元件要重新绘制，直到满足要求为止。 在本电路设计中，既有模拟电路又有数字电路，这两部分电路地线分开，最后在电源处再接到一齐，防止出现共地干扰;对数字电路部分，时钟晶体应该尽量靠近MCU时钟脉冲输入端，防止引入干扰;要注意各个模块电路元件尽量集中，在放置元件时应该放置单元电路中的主要元件，然后根据小单元电路放置外围元件，以保证对其他电路影响尽量小，引线尽量短的原则。 3.2射频部分设计注意事项: 元件布局:尽可能缩短高频元件之间的引线，设法减少他们的分布参数和互相的电磁干扰。一般情况尽量使元件平行排列，容易受干扰的元件不能相互挨的太近，输入和输出元件尽量远离。 抗干扰措施:对于电源线的设计应该尽量加粗其宽度，减少环路电路。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有利于增强抗噪声能力。地线、数字地、模拟地分开。采用多点串联接地，地线应该短而粗，以达到可通过三倍印制板允许电流。高频元件周围尽量采用珊格状大面积覆铜。 旁路电容和去耦电容的配置:旁路电容的主要功能是产生分流电路，从而消去进入易感区的干扰能量。去耦电容用来提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开 4 关噪声在PCB版上的传播并把噪声进入地面。线片的引脚使用一个大贴片电容和小容值电容进行并联，且应该尽可能靠近电压引脚，达到去耦和滤波的目的。本系统在高频芯片引脚都接上了10nF和2uF的并联去藕电容。 本系统读写器工作在915MHz超高频频段，射频模块PCB版图采用两层设计，顶层作为电源层，底层作为地网层。 图7 顶层PCB 图8 底层PCB 4(软件设计部分: 射频识别系统是一种实时系统。在软件结构上，可以分成两部分:主程序和中断程序。主程序的主要任务是不断进行系统自检，和等待上位机发送信息包，若UART收到正确的数据包，则发送中断标志，处理上位机发送过来的指令，一般为启动RFID操作标签流程。若UART没有接收到有效的命令，则继续循环等待。 本系统RFID读写器程序结构如图9所示。系统应用层运行相关应用程序，在本设计中，集中表现为UART串口通信程序。协议层初始化读写器通信协议，包括IS01 8000 6B和EPC Gen2，确定调制编码方式和数据格式。AS3992驱动包括初始化32个芯片寄存器和包括内部VCO和PLL、内部PA等在内的所有工作模块。硬件底层驱动包括初始化串口和USB口，以及相关底层硬件。 底层软件主要是PC机通过USB接口、串口等接口与上位机进行数据交换，对读写器进行读标签信息、读标签或寄存器数据、写标签或寄存器数据、上锁,解锁、灭活标签等操作。MCU作为阅读器的控制中枢，一方面要协调各个模块之间的工作，一方面要完成对通信协议的控制，它的工作流程如图10所示。在Main(c主程序中，首先初始化MCU系统时钟、USB、UART，之后对AS3992芯片内部寄存器进行初始化，设定编码调制方式、工作频率、发射功率等参数。在MCU和射频芯片都初始化成功后，系统进行自测，通过调用UartCommands 0函数判断上位机是否发来命令。如果没有，则继续自测;如果有发来命令，则判断是什么命令并执行相关操作。 5 系统应用层 功放 GEN-2协议层锁相环系统初始化 压控振荡器读写器设置AS3992驱动 数模转换 硬件底层驱动 串口中断USB接口 图9 系统程序框图 串口服务UartCommands()Main.c 是否有效 命令 系统初始化 Y 执行功能函数 (读写寄存器、轮询、自测试N选择标签、读标签、写 标签、锁定解锁、自 毁) 串口服务UartCommands() 结束 图10 流程框图 二、课题研究存在的问题与难点。 本课题的研究内容是便携式超高频RFID读写器的设计、内容涉及数字电路、模拟电路和射频电路等内容，在本课题的设计中，主要存在以下问题和难点 1(数字电路 数字电路部分主要采用Silabs公司C8051F340作为主控芯片，结合外围元件实现对射频模块的配置、数据交换以及对外的通信等功能，因此其主要问题可能存在调试阶段，一方面是PCB电路的焊接可能会存在虚焊、漏焊等问题;另一方面可能是在程序调试阶段会出现功能性能问题。 拟采取办法: , PCB版图焊接组装问题:采用专业的技术工人进行组装焊接，焊接完毕 后对PCB进行检测，尽量减少问题发生。 , 程序调试阶段问题:首先将问题限定在某一功能区域，排除硬件问题后， 修改程序看是否符合功能要求。 2(模拟电路 模拟电路问题主要考虑在于便携式设备的整体功耗。便携式设备一方面要求设备工作性能良好，一方面要求对能源消耗低;因此需要在能源消耗和维持性能中间寻找 6 一个平衡条件，使得便携式设备能够有良好的效率。 拟采取办法: 1( 降低工作电压。当电压从5V降低到3V时功耗将降低60%。 2( 采用智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测，并仅在需要时 才对系统供电。 3( 采用较低的时钟速率。 4( 对输入信号做出限制 5( 对IO进行设置。使其只在工作时消耗功率 6( 扩大输出范围 7( 改用新型工艺器件 8( 采用软硬件联合方式 3(射频电路 射频电路部分是读写器的核心部分，因为体积小、频率高等因素造成设计和实际调试相差较大，针对该问题，拟采取如下解决方法: 前期采用ADS进行仿真，对电路单元的特性进行预估，针对核心分离器 件采用趋势法量化其对性能的影响。 考虑阻抗匹配原则，对射频通路上的走线进行优化，根据仿真软件进行 仿真，调整PCB线条宽度和覆铜厚度。 根据微带线理论，对PA、PLL、VCO、BALUN等器件进行仿真优化。 根据EMC知识，对高频率、高电压等干扰源进行限定和隔离，在电源和 地线中采取电源去藕、多点接地等措施，尽量降低EMI的危害 4(防碰撞算法: 当读写器范围内有多个未识别的标签时，面对读写器发出的查询指令，每个标签都会做出相应。标签的响应信息在读写器的接收端会产生混叠现象，从而使读写器无法正确识别任意一个标签的信息。RFID系统必须采用一定侧策略或算法来避免碰撞现象的发生，控制标签的响应信息逐个通过射频信道与读写器通信。防碰撞算法主要解决如何快速准确地从多个标签中选出一个与读写器进行数据通信，并在一定时间内完成对所有标签的识别。 拟采取方法:采用时隙ALOHA算法，找出标签在每一个做出应答的最佳概率，使得读写器在尽量早的时隙内将标签识别出来。 7 三、课题下一步的计划与安排(科研论文工作是否能达到预期研究成果、是否留有足 够的时间完成全部论文工作)。 根据课题项目计划安排，到本阶段为止，已完成预期计划，实现了原理图、PCB版图、功能软件的大部分工作，接下来就是进行焊接、组装、调试等过程。本项目预留4个月时间进行论文的完成，应该能按时完成任务 下一步计划安排如下: 序号 阶段及内容 工作量估计(小时) 起止日期 阶段成果形 1 PCB版图绘制加工，元器件 800 2013.4-2013.6 PCB版图，软件 购买、软件编写 代码 2 电路组装焊接调试、软件联 800 2013.7-2013.9 初样、软件、调试 调 记录、测试记录 3 形成论文初稿件 400 2013.10-2013.11 论文初稿 4 整理论文与 答辩 答辩ppt下载中国建筑转正答辩ppt下载民事答辩状范文下载毕业答辩毕业答辩模板 准备 400 2013.12 硕士学位论文 四、已正式发表论文的情况。 现在本课题还没有发表论文，但拟在下半年发表一到两篇论文 8