基于MCU+FPGA模式的RFID读写器设计

作者：高兵权，肖学福，张扬奇，刘金彪 

射频识别技术RFID是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感和电磁耦合）传输特性，实现对被识别物体的自动识别，射频识别系统一般由两部分组成，射频标签(Tag)和射频读写器(Reader)。在RFID应用中，电子标签附着在被识别物体上，当带有射频标签的被识别物品进入读写器的可识读范围内，读写器自动以无接触方式将射频标签中约定的信息读取出来，从而实现自动识别物品和收集物品标志信息的功能。

RFID技术在生产、零售、物流和交通等行业有着广阔的应用前景。为解决后勤物资在请领、运输、分发等环节中的可视化动态监控问题，在军事物流领域广泛使用RFID技术，其基本用法是在仓库、码头、车站、重要交通路口安装布设射频读写器网络节点，当装有射频标签的军事物资通过时，相关的物资信息、运输信息和安全信息被自动采集并上传，实现了后勤物资保障供应链的可视化监控。

1 射频读写器功能要求

射频读写器用于远距离读写射频标签内部存储的各类信息．考虑在运输途中的物资监控能力．要求射频读写器适应于野外工作环境．设计可靠的抗干扰和保护措施

射频读写器主要性能要求如下：
(1)全向的射频标签识别、读写功能；
(2)高速的数据处理能力：
(3)多样化的数据通信接口设计：
(4)能够适应高速运动状态下的射频标签快速识读：
(5)使用于交／直流供电场合，考虑车载化设计；
(6)完善地抗干扰，防雷击、浪涌措施；
(7)软件中间件开发、配置、运行方便、快捷。

2 读写器结构组成

根据功能需求，射频读写器的设计主要由控制模块、射频收发模块、天线单元、通讯接口模块和电源模块五部分组成．如图1所示。控制模块以NXP公司LPC23系列高性能ARM7嵌入式微控制器(MCU)为核心。内置μC／OS―II多任务操作系统．构成实时多任务高速数据处理平台，通过外围电路实现了射频控制、空中协议、数据存储、以太网协议和串口通讯等功能。

射频读写器介于射频标签和软件中间件之间，是数据链路层和媒体接入层协议栈的主要承载者．要求有高速、大容量数据处理能力和实时多任务控制能力。为此，读写器设计了32位高速MCU+FP―GA+IxC／OS―II多任务操作系统构成的嵌入式实时多任务处理平台。该平台可靠、稳定，且具有外围接口丰富和可扩展性好等特点。有效保证了信息的快速采集、处理和交换射频收发模块完成载波产生、空中信令调制／解调功能，天线单元的两个天线相互垂直交叉布置。通过小型射频电缆与射频收发电路相连．实现读写田器全向收发射频信号的功能。通信接口模块提供RS232、RS485和以太网3种通信接口。电源模块为软硬件系统运行提供了可靠的交直流供电保障。

3 硬件系统设计

3．1 基于PowerPC体系的MCP860T嵌入式处理器

在射频读写器的硬件系统设计中，嵌入式微处理器的性能无疑是影响整个设备性能的一个关键因素。根据系统的功能和性能需求，经过论证比较，MCU采用了NXP公司的32位LPC2387
ARM7微控制器，最好工作频率达到了72MHz，可实现数据的高速吞吐传输，系统具备较强的快速响应能力。LPC2387是一款外围资源丰富的控制器．集成512KBFlash Rom．98KB SRAM．硬件可加密程序代码空间，最大限度地保护开发者的知识产权，保证了军事应用的安全性该控制器共集成8类15个串行通信接口。包括1路10／100Mb／sEthernet．工业级PHY．1路USB2．0全速(12Mb／s)数据接口，2路CAN接口，4个UART控制器(UART1符合16C550工业标准,UART3支持IrDA模式)，3路高速I2C总线，最高数据传输速度为400kb／s．1路PS。1路SPI和2路带缓冲的SSP总线丰富的接VI满足了数据通信和外围扩展的需要：LPC2387支持SD／MMC接口，为大量配置信息和临时物资信息的存储提供了保障该控制器的工作温度为-40~C～+85~C，LQFP100封装，满足了军事应用的宽工作温度、小体积尺寸的要求。另外，LPC2387提供了看门狗定时器、4个32位定时器／计数器和丰富的GPIO资源。

3．2

采用FPGA实现复杂的逻辑控制FPGA采用Lattice公司的LFXP3C逻辑器件，主要完成了6项功能：实现与CPU的接口、进行系统中断处理、实现多通道数据编解码、完成对射频板开关的控制、ADC控制部分和LED控制部分

由于采用了FPGA实现数字电路编解码功能，对比软件编解码，系统的可靠性大大提高。

3．3 通信接口和保护措施

射频读写器通信接口有以太网、RS-485和RS-232三类．为保证数据可靠传输,设备适应野战环境,各类接口均设计了保护电路。

以太网接口的保护电路分二级保护：放电管和TVS阵列芯片,可防护雷击和浪涌对网络隔离变压器的冲击在该电路中使用TVS阵列芯片主要是因为该芯片内部设计的TVS二极管结电容较小．可大大降低对高速网络数据的影响

RS一232和RS一485的保护电路分为3级保护：自恢复保险丝、放电管和TVS二极管，可以防护过流、雷击和浪涌的冲击。

3．4 可靠的供电电路设计

电源模块为读写器内部的各部分电路提供电源保障读写器具备交直流两种供电方式,交流电源电路设计为宽电压(90～260V)输入，直流电压输入范围：12～24V。适应范围较宽。为提高系统的可靠性。电源模块选用成熟的AC／DC和DC／DC。

电源模块将外部接人的交直流电源进行滤波、降压和稳压处理

交流电源和直流电源都加有压敏电阻、陶瓷气体放电管和电源滤波器。压敏电阻和陶瓷气体放电管主要起到过压保护的作用，电源滤波器则可过滤供电电源的高频干扰信号，以保证系统在较为恶劣的供电环境下仍然能够正常工作

电源处理电路还设计了瞬变电压保护电路，可有效保护读写器的单元电路。

3．5 天线分集技术设计

射频读写器中低频接收机的设计，采用了在两个相互垂直的方向上进行天线分集接收的技术，使得射频标签从任一方向进入激励磁场时都能被可靠激活

读写器采用的双通道分集接收与发射技术，保证了识读区域无方向性、无盲区。这两项天线分集技术成功解决了标签高速移动状态下数据收发的多径效应问题，有效提高了识别的准确率，实现了在运物资信息的高速动态采集。

4 软件系统功能

软件系统采用了源代码开放的μC／OS―II嵌入式操作系统作为管理平台．具有较强的稳定性和安全性，结构紧凑。软件系统还采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等．为用户提供了必要的安全保障

射频读写器对外提供的功能和接13控制函数体系如图2所示


5 结语

本文提出了一种基于MCU+FPGA的射频读写器设计方案。该方案具有数据处理速度高效、通信和控制接口丰富、软件开发配置简便的特点。由此研制的军用射频识别读写器,已经通过了相关部门的鉴定．并且通过应用实践证明，该产品的运行稳定、可靠。

审核编辑 黄宇