RFID读写器的电路设计的实现及其测试

艾尔肯·艾则孜

（乌鲁木齐职业大学，新疆 乌鲁木齐 830002）

射频识别技术RFID（Radio Frequency identification）是一项正处在快速发展中的技术，其通过射频信号，进行非接触式的双向数据通信，实现物与物之间的自动识别，具有非常广阔的应用前景。

1 系统整体硬件图

图1为整个系统的硬件结构框图。结构中包括W77E58主控芯片，FPGA的编解码芯片以及其他必需的接口。阅读器以W77E58为处理核心，其外部接口主要为LED显示、键盘、PC接口以及和FPGA的控制链接。FPGA的主要任务，是对数据进行编解码以及CRC的计算和校验。FPGA选择的是Xilinx XC2S300E。

图1 读写器系统结构图

XC2S200E芯片拥有20万个逻辑门，4 320个逻辑单元、480个LUT、30 kB分布式RAM、216 kB块状RAM、12个专用乘法器、4个DCM、97个可用I/O引脚数，采用144个引脚的PQG封装，性能级别为4。

通常使用其内部的DCM，系统的工作频率可以达到340MHz。

2 CRC电路设计

2.1 初设计

在高频和超高频射频识别系统中，循环冗余校验（CRC）电路，一般采用线性反馈移位寄存器（LFSR），本文以CRC-5举例说明实现过程，其生成多项式为

g（x）=x5+x3+1，

即控制向量

g（g 0，g 1，g 2，g 3，g 4），

其中，

g 0、g 2和g 4为“1”，其余为“0”。

结合上面的分析，可以得知当gi 为“1”时，对应的与门为打开状态，即相当于短路，对应的异或门将进行正常工作，执行模2除法；当gi 为“0”时，则其对应的与门处于截止状态，相应的异或门相当于处于短路状态。

工作过程如下：

（1）先将移位寄存器置000000H；

（2）将数据流高位的前5位输入寄存器，数据流的高5位移进寄存器不会发生改变，因为寄存器初始值为0；

（3）数据流继续移位寄存器时，第5级移位寄存器移出值若为“0”时，则直接右移一位；若为“1”则进行模2运算后右移一位；

（4）当数据流全部移入寄存器时，还需要另外移进5个连续“0”之后，才会得到CRC的结果。

下面是在Xilinx开发环境中实现CRC-5的VHDL代码。

初设计的最大的缺点，就是效率低，因为数据流移进寄存器后还需要继续输入5个“0”，增加了5个时钟延迟。

2.2 改进后的设计

通过对CRC运算过程做一些递归变换，找到一种消除时钟间隔的电路设计方法。与线性反馈移位寄存器不同，将改进前电路结构上左边的异或门移到了右边，这样就会减少CRC码的计算时间。

改进型的线性反馈移位寄存器CRC电路中，数据流先进行模2除法运算，并且数据流的高5位不必预先送入移位寄存器，和改进前的CRC电路相比，改进后的电路CRC码的计算提前了5个时钟周期，解决了数据结束后另外需要等待的5个时钟周期。

图2（b）是改进后线性反馈移位寄存器实现CRC，下面是在Xilinx开发环境中实现CRC-5的VHDL代码。

3 射频收发模块（RF）电路设计和分析

射频模块的性能直接影响整个RFID系统的性能。由图2可见，本设计的射频模块主要有锁相环电路、功率放大电路设计以及双通道检波接收电路。

图2 RF硬件结构图

3.1 锁相环电路

锁相环电路的主要作用，是产生读写器调制所要的载波信号，读写器的硬件性能，决定了信号的可靠性。本文中采用的锁相环频率合成器为ADF4360-1，是一款完全集成式整数N分频合成器和电压控制振荡器，其设计中心频率2 250 MHz，输出频率范围为2 050～2 450MHz，满足读写器的工作频点多的要求。

3.2 功率放大电路

结合本文要求，这里选择的功放为PF01411B，可以减少整个电路布板面积。同时功放PF01411B转换效率高，通过控制自动增益控制引脚可调节输出功率的大小。因为功放PF01411B的三阶截取点为0 dBm，为了避免输出信号的失真，要求输入信号强度应小于0 dBm。

3.3 双通道检波接收电路

一般远场耦合的RFID接收机，都使用零中频混频结构，见图3（a）。通常环形器的隔离度为–25～30 dB，如果发射电路连续载波信号为30 dBm，则依然有0 dBm左右的波信号泄露，这样会提高接收通道的功率。一般的混频器的输入信号功率上限在-5～-10 dBm范围内，即低于读写器发射泄露的载波功率，所以零中混频结构中需要在混频器前加一个衰减器，来降低读写器的接收灵敏度。

另外，混频器电路结构相对俞零中频检波电路复杂，成本昂贵。

图3 双通道检波接收电路

零中频检波电路见图3（b）。零中频率检波电路的优点，在于其利用肖特基二极管来直接检波调整信号，相比混频电路结构更简单，成本相应降低。另外肖特基二极管，可以承受的射频信号的输入功率很大，同时接收灵敏度由肖特基二极管的检波灵敏度决定。

又因为两路检波电路是正交信号，只跟读写器天线和标签之间的距离有关，所以两路信号不可能同时为0，这就保证了主芯片总能收到有效标签应答信号。

4 系统测试

系统先初始化，然后判断在读写器的范围内是否有标签。如果有标签，阅读器将发送信息给标签，将会得到标签应答，此时如果有标签冲突，则通过新防碰撞算法来处理，冲突解决之后，继续判断标签的信息，最后进行读写器和标签的通信。RFID读写器的测试结果如下：

识别速率：一个标签识别时间为1～5ms，多标签识别时间取决数量多少；

识别效率：单标签接近99%；多标签效率，取决于标签数量多少；

输出功率最大：32 dBm；

识别距离可达：30～60m。

5 结束语

射射频识别技术RFID实现物与物之间的自动识别，具有非常广阔的应用前景。作为一项正处在快速发展中的技术，其电路设计方面还有许多可以提高的方面。本文研究了目前RFID读写器中电路设计中的传统设计思路，重点针对其循环冗余校验（CRC）电路和射频收发模块（RF）电路设计中的不足进行了分析，提出了新的设计思路，并进行了实现，测试结果表明，改进后的RFID读写器的识别效果良好。

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