超高頻rfid讀寫器的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 96+256）字節的片內RAM；（7）USB ，（8）硬件實現的SPI，SMBus/IIC 和2 個UART 串行接口；（9）4 個通用的16 位定時器；（10）具有5 個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列；（11）片內上電復位，看門狗定時器，2 個電壓比較器，VDD 監視器和溫度傳感器；（12）40 個I/O 端口；（13）40~85 度工業級溫度范圍；（14）~ 工作電壓，TQFP48（thin quad flat package,即薄塑封四角扁平封裝）封裝。 C8051F340 單片機的內部結構圖如圖22為C8051F340的內部結構圖圖22 C8051F340主控器的內部結構 射頻收發芯片選型方案AS3991是一款高集成度的射頻芯片。在發射電路端，集成了功率放大器(PA)、鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器、調制器等模塊；在接收電路端，集成了低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、中頻放大器、解調器等模塊。同時還集成了電源電壓管理、協議控制等工作模塊，從而使芯片外圍電路大大簡化。芯片控制通過32個寄存器的設置來實現全部RF、濾波及協議控制功能。收發模塊支持自動生成幀頭和CRC校驗碼，組裝成幀的數據塊通過片上的24字節FIFO寄存器傳輸到上位機系統中。電源管理模塊可以對片外MCU以及其他芯片供1．5～3．3伏電壓以及提供時鐘輸出。片上PA具有高達20dBm的輸出功率，片上VCO和PLL可產生840MHz960MHz的振蕩頻率。 AS3991則完全集成了ISO/IEC 180006C協議。總體來說AS3991具有以下優點：集成度更高，源代碼公開，加載協議方便，開發難度低，外圍電路設計簡單，總體成本低，設計時要注意的事項少。因此本課題設計選擇AS3991作為射頻收發芯片。AS3991射頻芯片的特性:（1）支持多通信協議；（2）高集成度，外圍電路簡單；(3）低工作電流；(4)輸出功率可達20dBm；(5)可選擇時鐘輸出提供給MCU；(6)支持和MCU之間的8位并行或者4線串行通信；(7)采用ASK或者PR．ASK（反向相位幅度鍵控）信號調制；(8)可選擇接收增益控制；(9)支持三種工作模式間切換，大大降低功耗。表21 為AS3991芯片的基本參數表表21 ASS3991的基本參數參數數值單位供電電壓V監聽模式輸出電流3mA休眠模式輸出電流20uA收發模式輸出電150mA內置PA功20dBm待機模式工作頻率63KHz正常工作模式頻率10MHz溫度范圍55 — +125攝氏度 RFID的通信標準方案 EPC Gen2標準無線射頻識別（RFID）系統存在眾多的通信協議。其中一個最流行的協議就是EPC Gen2協議。這個協議在零售業中得到了廣泛的使用，近年，Gen2系統被批準為ISO標準。 Gen2使用特性的概述Gen2協議使用最普遍的特性是清單命令。庫存命令有一下四種命令組成：選擇、查詢、查詢重復和查詢調節。這些命令用來讀取在閱讀器范圍內所有標簽的EPC序號。EPC序號可以用來訪問中心數據庫，獲得例如標簽附著在哪一個物品上的更多信息。 物理層通信特性 Gen2的物理通信接口與七層開放系統互聯模型的物理層概念相似。閱讀器控制Gen2協議物理層的所有部分，并編碼發給標簽的所有命令的前端部分。在Gen2協議中，存在兩個通信鏈路：閱讀器向標簽的鏈路和標簽向閱讀器的鏈路。這兩個鏈路是相互獨立的，存在不同的數據編碼、數據速率和數據調制方案。這兩個通信鏈路的具體特性都是由閱讀器控制。在Gen2中，標簽與閱讀器通信使用反向散色的形式。Gen2支持兩種類型的調控：振幅調控（ASK）和移像鍵控（PSK）調制。 標簽的狀態機：準備狀態是標簽在上電的情況下能夠進入的兩個狀態之一。另一個標上電時可以進入的狀態是死亡狀態。當標簽在上電復位以前是死亡狀態時，標簽會在上電復位時進入死亡狀態。如果標簽先前沒有死亡，那它會在上電后進入準備狀態。處于準備狀態的標簽，不會參與查詢回合。當閱讀器發布一個查詢命令，將打開查詢回合，直到下一個查詢命令中止。因此，查詢命令指示結束當前的查詢和下一個查詢的開始。閱讀器使用查詢回合來獲得大量標簽的EPC號碼。當接受到一個查詢命令時，標簽將會結束準備狀態。查詢命令包含了標簽選擇一個隨機數載入到時隙計數器的參數。如果隨機數是0，隨后標簽將會發送它的回復狀態。當隨機數不為0是，標簽會發送仲裁狀態。：仲裁狀態下的標簽將參與當前的查詢回合，他們的時隙計數器包含一個非0值。在此狀態下的標簽等待他們的時隙計時器達到0為止。當標簽的時隙計數器到達0時，標簽變到回復狀態。：回復狀態是當標簽發送它的EPC好嗎給閱讀器的兩個狀態之一。回復狀態中的標簽有一個時隙計數器為0，并反向散射RN16（RN16是一個十六位的隨機數）給閱讀器。反向散射RN16是標簽發送EPC好嗎給閱讀器的兩個階段中的第一個階段。如果閱讀器正確的接收到了標簽的RN16數，閱讀器將會發送一個帶有RN16的確認（ACK）命令給標簽。閱讀器接收不到RN16的可能原因有：j兩個以上的標簽在發送RN16時發生碰撞；k射頻信號干擾了RN16；l閱讀器錯過了RN16信號。標簽隨后將會反向散射它的EPC號碼，還有發送一個PC（描述了標簽的物理特性）和用來進行錯誤檢查的CRC。接收到帶有正確的RN16的ACK是標簽從回復狀態轉入到確認狀態。標簽只有在接收不到來自閱讀器的任何命令時，才會在一個限定的時間內保持在回復狀態。在這個時間之后，標簽將會自動的回到仲裁狀態。：當標簽發送它的EPC號給閱讀器之后，將會進入到確認狀態。確認狀態是訪問命令（讀和寫命令）的網關狀態。但是標簽在我、確認狀態不會死亡。確認狀態與回復狀態類似，有一個定時器，可以在每次從閱讀器接收到一個命令后復位。如果在特定的時間內，沒有從閱讀器接收命令（即定時器超時），標簽則會自動的回到仲裁狀態。：開放狀態是訪問命令專門使用的兩個狀態之一。在開放狀態中沒有定時器。因此，如果沒有閱讀器命令時，只要標簽有供電，它將保持開放狀態。標簽可以從開放狀態進入到安全狀態。：標簽可以使用一個可選的密碼設定，它需要閱讀器提供正確的密碼，以便于執行任何的訪問命令。密碼的默認值為零。這意味著密碼保護沒有實現，或者是沒有被激活。設置一個非0 值的密碼，可以使密碼具有保護的特性。如果標簽的密碼特性被實現和激活，那么所有的訪問命令必須從安全狀態執行。在標簽進入到安全狀態之前必須提供正確的密碼。：RFID標簽包含識別一個特定物體的信息。ID號是唯一的，并且與某一特定的物品相關。因此，使用RFID時，對安全和隱私的關注開始上升。死亡即是關閉標簽的命令，死亡操作不能被撤銷，并且永久性的破壞標簽。在標簽死亡以后標簽將不會響應任何命令。因此標簽死亡以后，沒有任何設被能夠讀取標簽的EPC號。本章小結：本章主要從系統整個方案的設計出發，主要從系統的總體方案和主要芯片的選型方案、主要通信標準以及標簽的狀態機進行了描述。第三章 硬件電路的設計本章主要介紹讀寫器硬件系統的設計，基帶模塊設計包括主控芯片、射頻發射模塊及外圍時鐘、復位和外部存儲器。射頻模塊設計中選用AS3991，外圍電路設計環路濾波器，放大隔離電路中功率放大器選用SPA2118，收發隔離使用環形器HYH504A來實現。圖31硬件電路整體結構框圖C8051F340 SOC系列MCU在CIP51內核和外設方面有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。 擴展的中斷系統向CIP51提供16個中斷源（標準8051只有7個中斷源），允許大量的模擬和數字外設中斷微控制器。一個中斷驅動的系統需要較少的MCU干預，因而有更高的執行效率。在設計一個多任務實時系統時，這些增加的中斷源是非常有用的。 C8051F340有多達9個復位源：上電復位電路（POR）、片內VDD監視器（當電源電壓低于VRST時強制復位）、USB控制器（USB總線復位或VBUS狀態變化）、看門狗定時器、時鐘丟失檢測器、由比較器0提供的電壓檢測器、軟件強制復位、外部復位輸入引腳和FLASH讀/寫錯誤保護電路復位。除了POR、復位輸入引腳及FLASH操作錯誤這三個復位源之外，其他復位源都可以被軟件禁止。在一次上電復位之后的MCU初始化期間，WDT可以被永久性使能。 高速內部振蕩器在出廠時已經被校準為12MHz 177。%。時鐘恢復電路允許內部振蕩器與4倍時鐘乘法器配合，提供全速方式USB時鐘源。內部振蕩器還被用作低速方式下的USB時鐘源。外部振蕩器也可以與4倍時鐘乘法器配合使用。器件內集成了一個低頻振蕩器，可以在功耗關鍵的應用中使用。器件內還集成了外部振蕩器驅動電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部CMOS時鐘源產生系統時鐘。系統時鐘可以被配置為使用內部振蕩器、外部振蕩器或時鐘乘法器輸出二分頻。如果需要，可以在CPU運行時切換系統時鐘振蕩源。低頻內部振蕩器或外部振蕩器在低功耗系統中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節電）的時鐘源運行,當需要時再周期性地切換到高速時鐘源圖32 主控器C8051F440 射頻模塊硬件電路的設計AS3991是一款高集成度的射頻芯片。在發射電路端，集成了功率放大器(PA)、鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器、調制器等模塊；在接收電路端，集成了低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、中頻放大器、解調器等模塊。同時還集成了電源電壓管理、協議控制等工作模塊，從而使芯片外圍