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引言：本设计者RFID读写器使用FPGA芯片做基带处理，中心频率为915MHz，基于ISO/IEC 18000-6C协议。本文介绍了物联网技术、RFID系统组成，并提出了读写器设计方案，基于模块化阐述了设计中的关键技术，其中包括读写器电源设计、载波生成设计、调制方式选择、解调电路设计等。
一、引言
物联网，即Internet of Things（缩写IOT），能够让被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，是基于互联网络、电信网网络等信息承载体，被誉为第三次信息技术革命和全球经济复苏的动力，很大程度上影响着我国乃至世界经济及科技发展。RFID(Radio Frequency Identification)，是物联网关键技术之一，基于电磁理论，主要利用无线电波自动识别物体，由上位机、读写器、天线和电子标签组成，如图1。
图1RFID系统构成
读写器设计技术是RFID技术中的一个关键部分，本文针对基于FPGA的ISO/IEC18000-6C RFID读写器硬件设计的研究，提出了读写器的硬件设计方案，以及系统实现中的硬件设计中的关键技术。
二、读写器整体设计
设计将读写器按功能划分为三个部分，分别为电源、数字基带和射频收发部分，如下图2。
图2设计整体框图
UHF读写器中心频率为915MHz，适用于ISO/IEC 18000-6C协议，数字基带部分采用采用Altera公司的FPGA芯片EP1C12Q240C8N芯片，实现数字信息的首发和处理。
三、读写器硬件设计
（一）电源部分
读写器需用三种电压源，电压值分别是1.5V、3.3V和5V，都由9V外接电源转换而来。AMS1084系列电压转换芯片具有固定和可调两种LDO稳压器，能够进行过流、过温和短路保护。考虑读写器所需三种电压、LDO的热功耗和其稳定性，设计采用如图3所示电源方案。
图3电源框图
（二）读写器发射机
射频发送链路采用OOK调制，主要任务有：
（1）产生发射能量，激活电子标签并为之提供能量；
（2）数据调制，传输给超高频电子标签[1]。
读写器发射机需完成调制并将已调制信号传输到天线的功能，故将发射机分为三个部分，即负责载波生成的载波生成器、完成OOK调制的调制电路及功率放大器。
1、载波生成器
设计中载波生成芯片使用Silicon Laboratories 公司的Si4133，此芯片具有：
（1）内部集成VCO、PD、LP；
（2）具有RF1和RF2两个通道，分别用于947MHz~1.72GHz和789MHz~1.429GHz；
（3）能够实现跳频；
（4）需要极少的外围器件；
（5）可工作在3.3V；
（6）低相位噪声；
（7）配置快速，典型值为140us。
具体载波生成电路如下图4。
图4载波产生电路设计图
采用13MHz有源晶振，SENB、SCLK、SDATA三个引脚用于FPGA配置Si4133。Si4133芯片中，配置寄存器数据有22比特，由18比特数据位和4比特地址位成构成。SDATA上数据和地址信息在SENB为低电平时且SCLK上升沿到来时被记录入Si4133的内部移位寄存器中，然后内部移位寄存器数据在SENB为高电平时被记录到地址所对应内部寄存器中。配置载波芯片时三个引脚间时序关系如下图5所示。
图5SCLK、SDATA和SENB之间的时序关系
Tsu为SDATA上数据建立时间，thold为SDATA上数据的建立和保持时间；ten1为SENB的下降沿到下一SCLK的上升沿的时间，ten2为SENB的上升沿到上一个SCLK的上升沿时间，ten3为SENB的上升沿到下一个SCLK的上升沿的时间。在参考频率确定情况下，Si4133输出频率由可编程N除法器来决定，关系为：
(2-1)
2、调制电路设计
ASK调制（Amplitude Shift Keying），全名幅移键控调制，是一种使用数字基带信号去控制载波幅度的调制方式，如图6。
图6ASK调制原理
图6所示，基带脉冲 通过ASK调制变成调制后变成调制后信号 ，即：
(2-2)
如果基带脉冲是矩形脉冲，那么则在一个码元周期内其ASK信号可以表示为：
(2-3)
OOK（On-Off Keying），全称开关键控调制，是一种深度的ASK调制，基带数据为“1”则发送载波，基带数据为“0”则无载波发送，是100%调制深度的ASK调制。
在ISO/IEC18000-6C协议中，读写器到标签同学的数据调制方式为80%~100%调制深度的ASK，本文中采用OOK调制。
（三）读写器接收机
接收机可分为四个部分，分别检波电路、低通滤波器、差分放大电路和比较电路。
设计采用包络检波电路，且考虑收发共用一路射频通路。防止盲信号，使用I、Q两路解调方式，然后通过比较器进行信号解调。
1、检波及低通滤波电路设计
ISO/IEC18000-6C协议中标签返回数据采用ASK或PSK调制，而现今市场采用ASK调制的标签较多，所以本设计读写器主要针对的标签是以ASK调制方式返回数据的。标签返回时采用ASK调制，设计检波电路为二极管包络检波[2]，如图7。
图7检波及滤波原理图
前向链路与后向链路共用一路射频通路，故而接收到的信号可能是在载波信号与标签返回数据的叠加信号，造成接收到盲信号问题，需采用相位相差 的I、Q两路信号进行解调，从而接收避免盲信号问题[3]。图7中的电路，可以检出标签返回信号低频包络波。又由于存在极少高频干扰，所以选择用LC低通滤波器滤来滤去高频信号。
2、差分放大电路和比较电路
标签返回非常微弱信号时，必须先经过二极管检波电路，然后进行放大，最后才能送入比较器。差动放大电路，有放大差模信号、抑制零点漂移和抑制零点漂移共模的作用，特别适于集成电路中[4]。故而，设计中采用差动放大对包络检波后信号进行放大。
接收部分，首先对标签信号进行检波，然后放大，再对I、Q两路比较后才能够恢复标签基带信号，设计中比较器芯片为MAX942。MAX942芯片是一种单电源供电芯片，供电电压可为3V或5V。
按照本文所述的设计方法，经过仿真和实物调试可实现中心频率为915MHz基于FPGA的ISO/IEC 18000-6C协议的RFID读写器硬件设计，读写距离为0~10米，发射功率为20dBm~30dBm。该读写器设计简单、合理，成本低廉，采用FPGA芯片利于基带处理。
参考文献
[1]游战清,刘克胜,张义强等.无线射频识别技术(RFID)规划与实现.北京:电子工业出版社,2005:1-2.
[2]陈蕾,尚宇,张艳玲等.一种新型的零中频UHF RFID接收机.现代电子技术.2008,14:12-14.
[3]赖晓铮.UHF频段射频识别系统与天线研究:[博士学位论文].广州:华南理工大学,2006.
[4]刘光祜,饶妮妮.模拟电路基础.成都：电子科技大学出版社.2001：137-138
一、引言
物联网，即Internet of Things（缩写IOT），能够让被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，是基于互联网络、电信网网络等信息承载体，被誉为第三次信息技术革命和全球经济复苏的动力，很大程度上影响着我国乃至世界经济及科技发展。RFID(Radio Frequency Identification)，是物联网关键技术之一，基于电磁理论，主要利用无线电波自动识别物体，由上位机、读写器、天线和电子标签组成，如图1。
图1RFID系统构成
读写器设计技术是RFID技术中的一个关键部分，本文针对基于FPGA的ISO/IEC18000-6C RFID读写器硬件设计的研究，提出了读写器的硬件设计方案，以及系统实现中的硬件设计中的关键技术。
二、读写器整体设计
设计将读写器按功能划分为三个部分，分别为电源、数字基带和射频收发部分，如下图2。
图2设计整体框图
UHF读写器中心频率为915MHz，适用于ISO/IEC 18000-6C协议，数字基带部分采用采用Altera公司的FPGA芯片EP1C12Q240C8N芯片，实现数字信息的首发和处理。
三、读写器硬件设计
（一）电源部分
读写器需用三种电压源，电压值分别是1.5V、3.3V和5V，都由9V外接电源转换而来。AMS1084系列电压转换芯片具有固定和可调两种LDO稳压器，能够进行过流、过温和短路保护。考虑读写器所需三种电压、LDO的热功耗和其稳定性，设计采用如图3所示电源方案。
图3电源框图
（二）读写器发射机
射频发送链路采用OOK调制，主要任务有：
（1）产生发射能量，激活电子标签并为之提供能量；
（2）数据调制，传输给超高频电子标签[1]。
读写器发射机需完成调制并将已调制信号传输到天线的功能，故将发射机分为三个部分，即负责载波生成的载波生成器、完成OOK调制的调制电路及功率放大器。
1、载波生成器
设计中载波生成芯片使用Silicon Laboratories 公司的Si4133，此芯片具有：
（1）内部集成VCO、PD、LP；
（2）具有RF1和RF2两个通道，分别用于947MHz~1.72GHz和789MHz~1.429GHz；
（3）能够实现跳频；
（4）需要极少的外围器件；
（5）可工作在3.3V；
（6）低相位噪声；
（7）配置快速，典型值为140us。
具体载波生成电路如下图4。
图4载波产生电路设计图
采用13MHz有源晶振，SENB、SCLK、SDATA三个引脚用于FPGA配置Si4133。Si4133芯片中，配置寄存器数据有22比特，由18比特数据位和4比特地址位成构成。SDATA上数据和地址信息在SENB为低电平时且SCLK上升沿到来时被记录入Si4133的内部移位寄存器中，然后内部移位寄存器数据在SENB为高电平时被记录到地址所对应内部寄存器中。配置载波芯片时三个引脚间时序关系如下图5所示。
图5SCLK、SDATA和SENB之间的时序关系
Tsu为SDATA上数据建立时间，thold为SDATA上数据的建立和保持时间；ten1为SENB的下降沿到下一SCLK的上升沿的时间，ten2为SENB的上升沿到上一个SCLK的上升沿时间，ten3为SENB的上升沿到下一个SCLK的上升沿的时间。在参考频率确定情况下，Si4133输出频率由可编程N除法器来决定，关系为：
(2-1)
2、调制电路设计
ASK调制（Amplitude Shift Keying），全名幅移键控调制，是一种使用数字基带信号去控制载波幅度的调制方式，如图6。
图6ASK调制原理
图6所示，基带脉冲 通过ASK调制变成调制后变成调制后信号 ，即：
(2-2)
如果基带脉冲是矩形脉冲，那么则在一个码元周期内其ASK信号可以表示为：
(2-3)
OOK（On-Off Keying），全称开关键控调制，是一种深度的ASK调制，基带数据为“1”则发送载波，基带数据为“0”则无载波发送，是100%调制深度的ASK调制。
在ISO/IEC18000-6C协议中，读写器到标签同学的数据调制方式为80%~100%调制深度的ASK，本文中采用OOK调制。
（三）读写器接收机
接收机可分为四个部分，分别检波电路、低通滤波器、差分放大电路和比较电路。
设计采用包络检波电路，且考虑收发共用一路射频通路。防止盲信号，使用I、Q两路解调方式，然后通过比较器进行信号解调。
1、检波及低通滤波电路设计
ISO/IEC18000-6C协议中标签返回数据采用ASK或PSK调制，而现今市场采用ASK调制的标签较多，所以本设计读写器主要针对的标签是以ASK调制方式返回数据的。标签返回时采用ASK调制，设计检波电路为二极管包络检波[2]，如图7。
图7检波及滤波原理图
前向链路与后向链路共用一路射频通路，故而接收到的信号可能是在载波信号与标签返回数据的叠加信号，造成接收到盲信号问题，需采用相位相差 的I、Q两路信号进行解调，从而接收避免盲信号问题[3]。图7中的电路，可以检出标签返回信号低频包络波。又由于存在极少高频干扰，所以选择用LC低通滤波器滤来滤去高频信号。
2、差分放大电路和比较电路
标签返回非常微弱信号时，必须先经过二极管检波电路，然后进行放大，最后才能送入比较器。差动放大电路，有放大差模信号、抑制零点漂移和抑制零点漂移共模的作用，特别适于集成电路中[4]。故而，设计中采用差动放大对包络检波后信号进行放大。
接收部分，首先对标签信号进行检波，然后放大，再对I、Q两路比较后才能够恢复标签基带信号，设计中比较器芯片为MAX942。MAX942芯片是一种单电源供电芯片，供电电压可为3V或5V。
按照本文所述的设计方法，经过仿真和实物调试可实现中心频率为915MHz基于FPGA的ISO/IEC 18000-6C协议的RFID读写器硬件设计，读写距离为0~10米，发射功率为20dBm~30dBm。该读写器设计简单、合理，成本低廉，采用FPGA芯片利于基带处理。
参考文献
[1]游战清,刘克胜,张义强等.无线射频识别技术(RFID)规划与实现.北京:电子工业出版社,2005:1-2.
[2]陈蕾,尚宇,张艳玲等.一种新型的零中频UHF RFID接收机.现代电子技术.2008,14:12-14.
[3]赖晓铮.UHF频段射频识别系统与天线研究:[博士学位论文].广州:华南理工大学,2006.
[4]刘光祜,饶妮妮.模拟电路基础.成都：电子科技大学出版社.2001：137-138