基于C8051F131设计的RFID阅读器的信号处理电路设计

　　0 引言

　基于SAW(Surface Acoustic Wave)标签的RFID系统采用了先进微电子加工技术制造的SAW器件，具有体积小、重量轻、批量成本低、可靠性高、识别距离远、多功能等优点，与基于IC标签的RFID系统有很好的互补性，尤其在基于IC标签的RFID系统应用于带有金属物体、高温、强电磁干扰等恶劣环境无能为力时，基于SAW标签的RFID系统就显示了它的优越性，同时SAW标签也适甩干压力、加速度、温度等参数的测量，此技术在欧美已得到一定的应用。在我国，此方面的研究近几年才开始展开，技术还不够成熟。

本文将介绍一种SAW RFID阅读器的信号处理电路设计及其软件设计。

　　1 阅读器的系统分析

　　阅读器采用模块化设计，最基本单元的为射频电路与信号处理电路。如图1所示，射频系统包括发射电路与接收电路，信号处理电路包括信号处理单元与外围电路。根据功能需求， 增加相应的电路，包括有通信电路、显示电路、存储电路、时钟电路等外围电路。

　　

　　根据项目指标要求，设计的SAW标签可接收40ns的脉冲询问信号，由SAW标签发射极的间距确定每个脉冲回波延迟时间约为115ns。

　　阅读器工作开始后信号处理电路产生一段脉宽为40ns脉冲控制信号，送给发射电路，经过发射电路一系列调制处理，转换成脉宽是40ns，载频是915MHz的射频询问信号，通过天线发射出去。遇到SAW标签后，标签反射回带有标签信息的射频回波信号，阅读器接收时经过接收电路一系列处理,解调出代表标签信息的回波包络信号，回波包络信号是具有24位，脉宽40ns的脉冲回波，每个回波的延迟时间约为115ns。之后送给信号处理电路进行进一步的识别和处理，完成识别标签的信息。

　　2 信号处理电路设计

　　信号处理电路主要负责阅读器的系统控制与信号处理任务。包括：发射时，控制射频开关截取40ns脉冲信号;接收时，数字采集经过射频接收电路解调的回波信号，将回波信号转化为标签编码数据进一步处理。其中回波信号的每个脉冲的脉宽为40ns，每个脉冲信号延迟时间为115ns，带宽则为

接收处理过程就是高速数据采集过程。分析指标要求，信号处理电路设计的关键点如下：

　　(1)产生高速控制信号控制发射端的射频开关在40ns开与断。

　　(2)模拟信号到数字信号的转换速度。

　　(3)经过高速模数转换后，采样速率很快，信号处理器接收数据的速度必须匹配ADC(Analog To DigitalConverter)的转换速度。

　　对于关键点(1)，选择高速处理器，通过软件编程实现40ns响应时间的高速控制信号。

　　对于关键点(2)，模拟信号的最高频率达到

　　根据奈奎斯特采样定律，采样频率要在64MHz以上，本系统采用采样频率为80MHz的高速ADC。

　　对于关键点(3)，ADC采样速率很高，达到80MHz，处理器无法直接接收处理如此庞大的采样数据。所以需要数据缓冲，这里选用FIFO(First Input First Output)实现数据缓存功能。

　　2.1 系统结构与器件选择

　　为了使系统结构简单，我们选用一种高性能的MCU(Micro Controller Unit)作为系统的信号处理核心。如图2所示，信号处理电路由MCU、ADC、FIFO、以及其他外围电路组成。

　　

　　ADC的选择：接收脉冲的宽度为40ns，带宽为25MHz，根据采样定理，这里选用ADI公司的AD9057，8bit 80MHz，输入输出延迟时间tPD=9.5ns。

　　FIFO的选择：FIFO接收存储来自ADC高速输出的数字信号，还要将数据输出给MCU，这对FIFO的存取速度由很高的要求，这里选用IDT公司的SUPERSYNC II系列FIFOIDT72V223，最高166MHz操作时钟，容量1024x9 bit，具有可编程性，选用异步模式。

　　MCU的选择：通过软件编程实现40ns的脉冲控制信号，接收时实现高速的数据采集，RFID系统要求高速工作速度，这里选用性能优秀C8051F131。C8051F是完全集成的混合信号系统级芯片，它的CIP-51内核采用流水线结构，在同频率下是标准8051指令执行速度的12倍，C8051F131最高支持100MHz的时钟频率，处理速度也可达到100MIPS，32个I/0，128K Flash，8448字节内部RAM，可寻址64KB的片上外部RAM。

　　时钟的选择：ADC与FIFO的工作状态由MCU控制。钟振提供ADC采样时钟与FIFO写时钟，ADC采样时钟与FIFO写时钟只有同步数据才能不丢失，通过查询器件的数据资料，ADC转换速度与FIFO的存取速度可以实现衔接，可共用钟振。FIFO的读时钟与控制由MCU产生。

　　2.2 硬件电路设计

　　根据系统结构与器件的数据资料，部分电路设计如下：

　　(1)AD9057的电路设计：将射频接收电路输出端接入AD9057输入端：AD9057的8位数字信号输出端与IDT72V223的低8位输入端连接;使用C8051F13l控制AD9057的PWRDN端，控制AD9057的工作状态。

　　(2)IDT72V223的电路设计：在IDT72V223主复位过程中，对相应引脚置位可确定其工作模式。选用异步、标准IDT工作模式;数据输入由WCLK和WEN控制，输入时钟与输出时钟完全独立;只要REN和WEN使能，就可以读写数据;OE为低，表示允许输出端输出;此外，IDT72V223也提供了丰富的状态信号，将IDT72V223低8位输出端连接C8051F131的I/O口。

　　(3)通信电路、显示电路、时钟电路、电源电路等其它电路的设计，按照器件数据资料的要求完成电路连接。

　　利用Protel DXP绘制电路图与PCB版图，部分电路如图3和图4所示。完善器件布局，仿真电路与电气检查，完成加工制作。

　　

　　3 软件设计与调试

　　系统软件流程如图5所示，系统开始工作，通过MCU初始化ADC与FIFO的工作状态，产生40ns脉冲询问信号控制射频开关，经过1us识别标签的传播延迟，MCU控制ADC采样与FIFO的写操作，待模数转换完成后，将FIFO数据写入MCU，并与参考阈值比较，从而确定回波信号的编码信息，最后通过串口上传至上位机及显示，实现进一步处理。

　　

　　程序设计采用Keil uVision3环境编写，uVision3是集成的可视化Windows操作界面，它支持绝大部分MCU，包括C8051F131，提供丰富的库函数和各种编译工具。按照系统工作流程，采用C语言编写程序，经过反复调试，烧录系统。通过测试，信号处理电路可按照规定流程顺利工作，达到设计的要求。

　　4 结论

　　本文介绍了SAW RFID阅读器的信号处理电路设计与软件设计过程，通过实验表明，采用FIFO作为ADC与MCU之间的桥梁，起到很好的数据缓冲作用，降低了对MCU性能的要求，基于C8051F131设计的RFID阅读器的信号处理电路，具有结构简单，成本低，容易实现等特点。