基于DSP的SAW RFID系統(tǒng)的設計及應用

基于聲表面波的射頻識別[1]是集現(xiàn)代電子學、聲學和雷達信號處理的新興技術成就，是有別于IC芯片識別的另一種新型非接觸識別技術，被認為是二十一世紀最具有應用潛力的十大技術之一。傳統(tǒng)的基于IC標簽的RFID系統(tǒng)應用在高溫、強電磁干擾的環(huán)境中，信息讀取存在困難，導致標簽失效率高，甚至無法正常工作。由于SAW器件工作在射頻波段，無源無線、閱讀距離遠及環(huán)境適應性強，具有ID識別和傳感器的雙重功能，因此在識別ID的同時獲取目標的各種物理指標，如溫度、壓力及氣體濃度等，具有廣闊的市場前景。本文設計并利用了聲表面波射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)被測物體ID識別和溫度測量，創(chuàng)造性地應用到礦井監(jiān)控中。

1 SAW RFID系統(tǒng)原理及組成

一個完整的SAW RFID終端系統(tǒng)[2]由SAW標簽、閱讀器及應用系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。閱讀器是一種具有收發(fā)和處理射頻信號功能的裝置，無源SAW標簽放置在被識別的物體表面，用來測量被測物體的相關信息。閱讀器通過天線發(fā)射一定頻率的射頻信號，當標簽進入閱讀器的作用區(qū)域內(nèi)時，閱讀器發(fā)出的電磁波激活標簽電路，標簽的能量檢測電路將一部分射頻信號轉(zhuǎn)換成直流信號能量供其工作，標簽獲得能量被激活后，將自身的序列號等信息調(diào)制到射頻信號上,之后通過標簽天線發(fā)送出去,閱讀器接收到標簽返回的射頻信號后對該信號進行解調(diào)和解碼，然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制。

2 SAW RFID系統(tǒng)設計

2.1 SAW標簽設計

SAW RFID標簽[3]主要由叉指換能器、壓電基片、反射柵和天線組成。

信號在標簽中是以聲表面波的形式出現(xiàn)，并在基片表面?zhèn)鞑ァ．敱粶y物體的溫度發(fā)生變化時，聲表面波發(fā)生頻偏，同時按照一定編碼規(guī)則將變化了的聲表面波刻在標簽的反射柵上，反射回來形成一系列的聲脈沖串。由于反射柵按某種特定規(guī)律設計，其反射信號表示規(guī)定的編碼信息，閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串則帶有該物品的特定編碼，通過解析和處理，解調(diào)出反射柵的編碼信息，達到自動識別的目的。同時根據(jù)FFT算法提取頻偏值，進一步得到被測物體的溫度信息。

2.2 射頻前端模塊設計

傳統(tǒng)射頻識別收發(fā)機采用超外差接收結(jié)構(gòu)，成本高，電路復雜，不易集成且功耗高。結(jié)合零中頻[4]的特性，本文采用零中頻結(jié)構(gòu)，包括本振器、發(fā)射模塊和接收模塊，克服了鏡像頻率干擾，降低了開發(fā)成本。

2.2.1 發(fā)射電路的設計

915 MHz的發(fā)射電路如圖2所示。采用LT5519芯片作為上變頻混頻器，RF輸出帶寬為0.7 GHz~1.4 GHz。用CASCADE軟件設計了π型衰減器，R1=24 Ω，R2=R3=220 Ω，則衰減4 dB。帶通濾波器采用B4637，中心頻率為915 MHz，帶寬26 MHz，插入衰減2.5 dB。可調(diào)增益放大器(VGA)采用Sky65111,輸入帶寬為600 MHz~1 100 MHz，根據(jù)標簽和閱讀器的距離遠近，自動增益控制(AGC)模塊自適應地調(diào)整VGA的增益，使閱讀器能夠正確接收到標簽返回的信息，最大輸出功率達33 dBm@915 MHz。

2.2.2 接收電路的設計

本系統(tǒng)的閱讀器采用零中頻結(jié)構(gòu)[5]進行設計。主要包括正交解調(diào)器、AD采樣。接收電路如圖3所示。

來自于天線的標簽返回信號經(jīng)過射頻前端處理后，采用帶通濾波器抑制915 MHz~925 MHz頻段外的信號，低噪聲放大器放大信號以便于后端處理。放大后的信號進入LT5575混頻解調(diào)，上、下變頻使用相同頻率的本振信號，下變頻出來的信號即為I/Q正交基帶信號。經(jīng)放大濾波后，進入AD9288進行AD采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號，DSP對接收到的基帶信號進行解碼等處理。

2.2.3 本振器的設計

采用ADI公司的ADF4360-7，外接10 MHz高精度溫補晶振作為參考頻率,通過選擇相應的工作模式，使其輸出信號頻率范圍為350 MHz~1 800 MHz。在本系統(tǒng)的本振器設計中，以數(shù)字鎖相環(huán)的形式產(chǎn)生915 MHz的射頻信號， 分別作為上、下混頻電路的本振信號。用ADIsimPLL軟件設計了環(huán)路濾波器的重要參數(shù),包括鑒相頻率、輸出頻率、帶寬及階數(shù)等，得到本振器的設計圖,如圖4所示。此外,借助軟件ADF4360.exe,設定VOC輸出頻率、相位檢測頻率和分頻模數(shù)等參數(shù)，配置內(nèi)部C、N和R寄存器的值, 降

低了PLL驅(qū)動程序的開發(fā)難度。

2.3 基帶主控模塊設計

DSP基帶主控單元是整個系統(tǒng)的控制核心，詳細的功能框圖如圖5所示。

DSP模塊，采用TI的TMS320VC5509A芯片[6]，上電后通過運行Boatload程序?qū)EPROM中的程序調(diào)到片內(nèi)運行，控制各個模塊進行工作。電源和時鐘模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源和精確的外部參考時鐘。控制PLL產(chǎn)生本振信號，提供給射頻前段模塊使用。由SDRAM和EEPROM組成的外擴存儲模塊分別負責數(shù)據(jù)處理和程序存儲。CPLD主要接收來自DSP的總線信息,并將總線信號進行邏輯再處理，擴展DSP的I/O口，用于輸出控制。自動增益控制(AGC)根據(jù)讀卡距離遠近，自適應調(diào)整信號功率，增加系統(tǒng)的可靠性。液晶模塊直觀地顯示了DSP進行解碼、校驗等處理結(jié)果。此外，串口網(wǎng)口模塊作為與上位機數(shù)據(jù)交換的通信接口。

主控核心DSP的工作流程為:(1)系統(tǒng)上電,將EEPROM中的程序調(diào)入片內(nèi)開始運行;(2)DSP根據(jù)程序設置，初始化GPIO口、中斷、定時器等的控制寄存器;(3)對PLL進行編程，輸出本振信號，實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào);(4)對要輸出的指令進行編碼，并從DSP相應的通用輸出口送出;(5)控制AD模塊進行AD轉(zhuǎn)換，對數(shù)字基帶信號進行解碼和校驗，若校驗正確則進行相應運算，最后將結(jié)果送往液晶或上位機進行其他處理，否則轉(zhuǎn)往第二步再次進行處理。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 SAW 標簽

圖6展示的是本文提到的SAW 標簽，其中圖6(a)是標簽的晶圓，圖6(b)是標簽成品，采用晶圓級封裝，與傳統(tǒng)封裝相比實現(xiàn)了聲表面波標簽IDT 的全封裝，所有的有效圖形都被保護于空腔內(nèi)，避免了后期各種情況引起的短路失效等問題，提高了器件的可靠性，同時實現(xiàn)了整片的一次性封裝，提高了產(chǎn)品的一致性，適合批量生產(chǎn)。圖6(c)說明了該SAW RFID標簽體積小，安裝使用方便。

3.2 RFID閱讀器

本文提到的SAW RFID閱讀器、主要分為4塊電路板：電源板、發(fā)送板、接收板和DSP主控板。C5509處理器發(fā)送標簽讀寫信號，控制發(fā)送器發(fā)送915 MHz詢問脈沖，接收器對標簽返回的射頻信號進行濾波放大、AD轉(zhuǎn)換等相關處理后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號，C5509處理器對接收到的基帶信號進行解碼和頻偏提取，進一步得到被測物體的ID和溫度信息，并上傳給上位機做進一步統(tǒng)計分析。與普通RFID系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以快速精確地讀取被測物體的ID和溫度信息，并且能在高溫差、高濕度、強電磁干擾的環(huán)境下正常工作。

3.3 系統(tǒng)測試

搭建了SAW RFID系統(tǒng)，并對其進行了功能測試。

把硬件系統(tǒng)連接好后，打開測試軟件，如圖7所示，設置通信口、波特率等通信參數(shù)，勾選要測試的SAW標簽和對應的天線，點擊啟動，即可觀察到實時ID和溫度信息。對其中一個SAW標簽進行加溫處理，即可觀察到溫度的動態(tài)變化(47.60℃)。測試結(jié)果表明，采樣間隔最小可達50 ms，有效識別距離約為5 m~10 m，溫度測量范圍是0~125℃，精度可達0.01℃，誤差為1℃。

4 SAW RFID的應用

SAW RFID具有無線無源、識別距離遠且速度快、環(huán)境適應性強的優(yōu)點，可以用來測量壓力、溫度等參數(shù)變化。針對煤礦井下環(huán)境復雜、溫度監(jiān)測和人員定位等要求，將該系統(tǒng)應用在煤礦安全綜合監(jiān)管[7]中，實現(xiàn)井下設備及環(huán)境參數(shù)信息的實時監(jiān)控以及對人員的定位與跟蹤，有效防止了安全事故發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)所構(gòu)成的原材料價格相對低廉、適合批量生產(chǎn)、使用方便，在目前礦難較為頻繁的時期，具有較大的使用價值和市場潛力。

本文從SAW RFID的組成結(jié)構(gòu)上介紹了其工作原理，并詳細闡述SAW RFID閱讀器設計過程中的關鍵技術，重點說明了射頻前端的設計，包括發(fā)送模塊、接收模塊和本振器的硬件設計，同時給出了DSP基帶主控模塊的設計框圖和算法流程。通過分析試驗數(shù)據(jù)，證明所設計的系統(tǒng)工作性能可靠穩(wěn)定，設計思路確實可行。最后，結(jié)合本SAW RFID系統(tǒng)的優(yōu)點，將其應用到礦井監(jiān)控中,在井下定員管理和應急救援中發(fā)揮著巨大的作用。