基于DSP的SAW RFID系統的設計及應用

基于聲表面波的射頻識別[1]是集現代電子學、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。傳統的基于IC標簽的RFID系統應用在高溫、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實現被測物體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系統原理及組成

一個完整的SAW RFID終端系統[2]由SAW標簽、閱讀器及應用系統三大部分組成，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和解碼，然后送到后臺主系統進行相關處理。主系統根據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，并在基片表面?zhèn)鞑?。當被測物體的溫度發(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，解調出反射柵的編碼信息，達到自動識別的目的。同時根據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

傳統射頻識別收發(fā)機采用超外差接收結構，成本高，電路復雜，不易集成且功耗高。結合零中頻[4]的特性，本文采用零中頻結構，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?？烧{增益放大器(VGA)采用Sky65111,輸入帶寬為600 MHz~1 100 MHz，根據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

本系統的閱讀器采用零中頻結構[5]進行設計。主要包括正交解調器、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，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。經放大濾波后，進入AD9288進行AD采樣轉化為數字基帶信號，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。在本系統的本振器設計中，以數字鎖相環(huán)的形式產生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,包括鑒相頻率、輸出頻率、帶寬及階數等，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等參數，配置內部C、N和R寄存器的值, 降

低了PLL驅動程序的開發(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程序將EEPROM中的程序調到片內運行，控制各個模塊進行工作。電源和時鐘模塊為系統提供穩(wěn)定的電源和精確的外部參考時鐘?？刂芇LL產生本振信號，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據處理和程序存儲。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)根據讀卡距離遠近，自適應調整信號功率，增加系統的可靠性。液晶模塊直觀地顯示了DSP進行解碼、校驗等處理結果。此外，串口網口模塊作為與上位機數據交換的通信接口。

主控核心DSP的工作流程為:(1)系統上電,將EEPROM中的程序調入片內開始運行;(2)DSP根據程序設置，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，實現調制和解調;(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轉換，對數字基帶信號進行解碼和校驗，若校驗正確則進行相應運算，最后將結果送往液晶或上位機進行其他處理，否則轉往第二步再次進行處理。

3 試驗數據及分析

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，與傳統封裝相比實現了聲表面波標簽IDT 的全封裝，所有的有效圖形都被保護于空腔內，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，同時實現了整片的一次性封裝，提高了產品的一致性，適合批量生產。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轉換等相關處理后，轉化為數字基帶信號，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計分析。與普通RFID系統相比，本系統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 系統測試

搭建了SAW RFID系統，并對其進行了功能測試。

把硬件系統連接好后，打開測試軟件，如圖7所示，設置通信口、波特率等通信參數，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，將該系統應用在煤礦安全綜合監(jiān)管[7]中，實現井下設備及環(huán)境參數信息的實時監(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，提高了生產效率。該系統所構成的原材料價格相對低廉、適合批量生產、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的組成結構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。通過分析試驗數據，證明所設計的系統工作性能可靠穩(wěn)定，設計思路確實可行。最后，結合本SAW RFID系統的優(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。