無源高頻RFID芯片的FPGA原型驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)
射頻識別即RFID技術(shù)又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識別,是一種通信技術(shù)[1].RFID技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),其應(yīng)用必將隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而擴(kuò)大。常用的RFID分低頻、高頻、超高頻3種,其中高頻RFID典型工作頻率為13.56 MHz,一般以無源為主。高頻標(biāo)簽比超高頻標(biāo)簽具有價(jià)格便宜、節(jié)省能量、穿透非金屬物體力強(qiáng)、工作頻率不受無線電頻率管制約束的優(yōu)勢,最適合應(yīng)用于含水成分較高的物體中,例如水果等。
基于FPGA的原型驗(yàn)證方法憑借其速度快、易修改、真實(shí)性的特點(diǎn),已經(jīng)成為ASIC芯片設(shè)計(jì)中重要的驗(yàn)證方法[2].本文主要描述高頻RFID芯片的FPGA原型驗(yàn)證平臺的設(shè)計(jì),并給出驗(yàn)證結(jié)果。
1 RFID芯片的FPGA原型驗(yàn)證環(huán)境概述
一套完整的RFID系統(tǒng)是由閱讀器(Reader)、電子標(biāo)簽芯片(Tag)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用軟件三部分組成[3].
電子標(biāo)簽芯片的FPGA原型驗(yàn)證環(huán)境也是一套完整的RFID系統(tǒng),用FPGA原型驗(yàn)證平臺替代上述的電子標(biāo)簽芯片(Tag),使用上層的應(yīng)用軟件開發(fā)驗(yàn)證激勵。通過閱讀器與FPGA原型驗(yàn)證平臺進(jìn)行通信來實(shí)現(xiàn)對FPGA中的數(shù)字邏輯進(jìn)行驗(yàn)證的目的。圖1是典型的RFID芯片的FPGA原型驗(yàn)證環(huán)境原理圖。
圖1 RFID芯片和FPGA原型驗(yàn)證環(huán)境原理圖
圖2 驗(yàn)證平臺硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2驗(yàn)證平臺的硬件設(shè)計(jì)
2.1驗(yàn)證平臺硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
FPGA原型驗(yàn)證平臺利用自身的硬件資源,模擬實(shí)現(xiàn)RFID芯片的各功能模塊。其中數(shù)字邏輯單元和存儲器是FPGA原型驗(yàn)證的對象,由FPGA內(nèi)部的資源實(shí)現(xiàn)。圖2為驗(yàn)證平臺硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
下面詳細(xì)介紹FPGA器件選型、模擬射頻前端(AFE)電路設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)及調(diào)試,其中重點(diǎn)是FPGA器件選型和模擬射頻前端電路設(shè)計(jì),難點(diǎn)是天線設(shè)計(jì)及調(diào)試。
2.2 FPGA器件選型
FPGA原型驗(yàn)證平臺中FPGA器件選型主要考慮FPGA的邏輯資源、存儲資源、I/O資源和時(shí)鐘資源,另外兼顧器件的供貨渠道、速度等級、溫度等級等。
FPGA的邏輯資源應(yīng)為待驗(yàn)證ASIC邏輯門數(shù)的2~3倍或更高;存儲資源、滿足待驗(yàn)證ASIC存儲資源的需求,主要是Blockram資源,I/O資源,用戶可配置的I/O數(shù)量除了滿足ASIC設(shè)計(jì)的數(shù)字端口信號需求外,還要預(yù)留一定量的調(diào)試I/O;時(shí)鐘資源,主要指全局時(shí)鐘數(shù)量,ASIC低功耗設(shè)計(jì)會用到大量的門控時(shí)鐘,轉(zhuǎn)化門控時(shí)鐘需用到FPGA的全局時(shí)鐘資源。
根據(jù)以上原則,本次FPGA采用Xilinx Spartan3-1000芯片。該芯片可編程約10萬門的ASIC邏輯;16組blockram,提供432 kbit地址空間;8個(gè)全局時(shí)鐘bufer用于定義時(shí)鐘;4個(gè)DCM模塊,可以精確地實(shí)現(xiàn)內(nèi)部時(shí)鐘分頻、倍頻;用戶可用的I/O多達(dá)173個(gè)。
本次待驗(yàn)證的RFID芯片的數(shù)字邏輯規(guī)模約為1萬門,存儲器容量為1 kbit,時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)簡單,端口I/O少。實(shí)驗(yàn)證明,該FPGA的資源完全滿足RFID芯片的原型驗(yàn)證需求。
2.3模擬射頻前端(AFE)電路設(shè)計(jì)
在搭建RFID芯片的驗(yàn)證平臺時(shí),模擬射頻前端(AFE)通常采用分立元件實(shí)現(xiàn)。分立器件實(shí)現(xiàn)的AFE電路穩(wěn)定性差,受環(huán)境影響比較大,調(diào)試難度大。例如,包絡(luò)檢波器的輸出幅值隨場強(qiáng)變化較大,導(dǎo)致電壓比較器工作失常,由此轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號出現(xiàn)錯誤。
為改善以上穩(wěn)定性差的問題,本次模擬射頻前端采用AFE IC實(shí)現(xiàn)。AFE IC完成信號能量交流直流轉(zhuǎn)換、限壓、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和解調(diào)、時(shí)鐘產(chǎn)生及上電復(fù)位等功能。該芯片經(jīng)過了成熟的測試,穩(wěn)定性好,受磁場環(huán)境的影響小,電路穩(wěn)定性大大增強(qiáng),調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)大大降低。圖3為模擬射頻前端(AFE)與其他功能模塊的連接關(guān)系圖。
圖3 AFE與FPGA的連接關(guān)系圖
2.4天線設(shè)計(jì)及調(diào)試
2.4.1天線設(shè)計(jì)原理
高頻電子標(biāo)簽的天線線圈進(jìn)入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時(shí),讀寫器與標(biāo)簽之間可等效為變壓器耦合方式。讀寫器天線相當(dāng)于變壓器的初級線圈,標(biāo)簽上的天線相當(dāng)于次級線圈[4].對于無源電子標(biāo)簽,電子標(biāo)簽可以簡化為天線與芯片的直接電連(標(biāo)簽天線可等效為天線等效內(nèi)阻與等效感應(yīng)電壓源的串聯(lián)組合,標(biāo)簽芯片可等效為純阻抗)。圖4為無源高頻電子標(biāo)簽等效電路圖。
符合ISO/IEC l5693標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng),電子標(biāo)簽和閱讀器之間的載波頻率為13.56 MHz.為了保證閱讀器與標(biāo)簽之間的良好通信,標(biāo)簽的諧振頻率要接近13.56 MHz.本文描述的FPGA原型驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)中,天線設(shè)計(jì)也是基于以上理論模型,設(shè)計(jì)成矩型天線。
ISO/IEC 15693-1協(xié)議中規(guī)定,標(biāo)簽天線尺寸最大不超過86 mm×54 mm,典型線圈有3~6匝[3].這樣可以根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需求先確定天線尺寸,本次設(shè)計(jì)的天線長和寬分別為79 mm和47 mm,天線線圈的線寬為6 mil,線圈間距為9 mil,線圈匝數(shù)為4.
圖5 RFID標(biāo)簽天線尺寸參數(shù)示意圖
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