使用直接扩频多任务技术的RFID系统-苏州优信条码系统有限公司

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使用直接扩频多任务技术的RFID系统: Date:2008-07-29

                       国立高雄应用科技大学
                                 参赛队员：卢南彰、廖予中
                                 指导教师：卢春林

一、系统概述
本文所谓的RFID，是RF(Radio Frequency)Identmcation Systems的缩写，是一种非接触式的身份识别装置，现在常用的感应式门禁磁卡或家犬所植入的芯片，都是RFID的相关应用。
RFID的卡片部分具有成本低、体积小、感测容易等优点，一直以来就不停地被开发应用。不过，早期RFID都使用125 kHz和13 MHz的频带，其使用频率较低，只能利用调整电路共振频率来传送身份数据，因此感应距离较近，应用自然受到限制。

随着RF技术的发展，厂商已经陆续发行可以使用900 MHz、甚至2．4 GHz的RFID，其系统使用电磁波传送原理来传输数据，可以达到较远的传输距离，因此应用前途更为光明。尤其是在美国，wlal Man要求2005年前100大供货商必须在其纸箱或栈板上使用RFID形码，以便物流管理，这也让RFID一夕问成为明日之星，而其所使用的频带就是915 MHz。

目前国外已经成功研制出一些长距离的RFID产品。例如Philips于2004年04月19在《Electronics Weekly，他们已经成功研制出可以使用uHF频段的RFID，其精确的工作频带为868～915 MH z，且传输距离可以长达8 m。又如Atmel公司近日宣布推HJ名为TAGIDU的超高频射频识别(UHF RFID)系统IDIC ATA5590，它的应用频率范围为800 MHz～l GHz，适于宽带远程RFID，其创新的连接机制以及设备极低的功耗(通常为lOuw)可实现K达lO m的读写距离。再如Hitachi公司于 2004年发布的u—chip(An Ultra Sma RFID Chlp)，其传输载波频率为2．45 GHz，使用0．18Um cMOs工艺制造，芯片大小为O．3 mm×0．3 mm×0．06 mm，具有10 bit的控制寄存器与128 bit的ROM，无电池时的传输距离约为30 cm，使用对象主要锁定在纸类或者类似纸类的软性产品上。

国内在RFID方面的研究相对较慢，因此，本文想利用FPGA来操控2．4 GHz收发芯片，制作出频带为2．4 GHz的主动式模拟RFID(使用电池)。虽然本文提出的RFID系统比较耗电，不过却可以验证RFID系统的识别功能，作为将来开发RFID系统的参考，对于将来开发真正的RFID系统极为重婴。

本作品为主动式2．4 GHz RFID系统。其基本构造如图l所示，其中，Tag又称为卡片，是用来识别身份的装胃，例如图l中有三张不同的卡片。而Reader称为卡片阅读机，用来读取卡片的身份，并且将读取到的数据直接显示或者由接u传输给PC做进一一步处理。
图 1 RFID系统

二、功能说明
RFID的Reader功能相当复杂，不仅需要操控2.4 GHz的收发机，还需辨识所接收到的每‘批数据，尤其足必须具有“防碰撞”的功能，以及将辨识的结果通过LCD显示，甚至经由标准连接接u卜传给PC机做进一步处理，因此，需要Nios的帮忙才能完成．上述功能。

这里所谓的“防碰撞”功能，可以解释如卜：当Reader读取卡片数据时，如果多张卡片同时发射，就有可能因为互相干扰而导致Reader读不到正确的数据，这种现象就叫做“碰撞”。由于碰撞是RFID必然会碰到的现象，因此，所有的RFID系统都必须具有“防碰撞”的功能。防碰撞的方法有很多种，本文所使用的方法足直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)。

本系统采用最省电的MAX3032来操控2.4 GHz发射机，并且以扩频方式将内藏的识别号码发射…去，以便实现2．4 GHz主动式模拟RFID Tag：另一方面，以功能强大的Nios来当作Reader的心脏，一边操作2.4 GHz接收机并月．将解调后的识别号码一一读出，一边还可以将接收到的识别号码一一显示在LCD卜面。

小作品共计制作完成三片Tag以及一台Reader。

三、实现方法
如图2所示，本文利用MAX3032操控CC2420(2．4 GHz收发机)组成RFID Tag。其中使用MAX3032足为了省电：CC2420原是Chipcon所设计的ZigBee收发机芯片，但本设计并不使用ZigBee通信协议，而是将CC2420改用为RFID的收发机。

图2 RFID Tag模块
如图3所示，Reader接收端利用比赛所提供的APEX实验板，并以Nios 32一bit标准CPU为处理核心，将CC2420所收到的数据经对比确认无误后，再将ID送至LCD屏幕显示。

图3 Reader接收模块

四、系统构成
1．原理图
1)APEX Board to CC2420转接板
APEX Board to CC2420转换板电路如图4所示。

图4 APEXBoardtOCC2420转接板电路
由于一般方波正负沿会有噪声产生，所以难免有误动作的情况发生。为了使APEX实验板能直接经由预留的I／O口来驱动CC2420，于是在转接板上加入了能抑制噪声的简易电路，以避免误动作的情况发生。

2)TXControlBoard(Tag)
在作为Tag的控制板上，TX Control Board包括了MAX3032对CC2420的SPI控制界面、在系统可编程JTAG接口、7管脚开关及无稳态多谐振荡电路，而每个Tag的ID都存放在MAX3032a里。

2．系统近照
(1)cc2420打线近照如图5所示。

图5 CC2420打线近照
由于CC2420的封装为QLP(48pin)，IC大小为6 mm×6 mm，管脚与管脚之间的距离仅0.5 mm，从而导致焊接困难，而研究室的研究方向为IC设计，所以正好有设备可以将线打到CC2420上。

(2)CC2420收发电路实体如图6所示。

图6 CC2420收发电路实体
(3)以MAX3032a为核心的RFID Tag控制板如图7所示。

图7 以MAX30：32a为核心的RFID Tag控制板

五、设计描述
本系统的设计重点在_于直接系列扩频(DSSS)技术应用于RFID。因此，Tag端的装置必须要能够使用扩频技术将本身的ID进行直接序列扩频，而且还要配合：Reader。所发出的信号，将扩频后的信号同步化，再转换成为2.405 GHz射频信号传送出来。不过本文由于使用了CC2420，它本身有内建的DSSS功能，故MAX3032可以通过SPI接口传送识别资料给CC2420。为了使其将来能够产品化，还要将电力消耗尽量降低。因此，Tag端预计使用MAX3000系列CPLD配合射频接收／发射电路来制作。至于扩频技术方面，则预计使用32chips的方式来扩频，CPLD的工作频率也将尽量降低，以降低电力消耗。
本设汁中SPI的时序如图8所示。

在Reader中以SOPC建构一个系统，通过Avalon总线使得接收到的所有Tags回传2.405 GHz的射频信号，将它们一一存放在Memory中。最后，再将存放在Memory中的数值以CPU引导地址以及程序和数据存储器的位置，通过Avalon总线传送给PIO接口，再送给LCD显示，如图9所示

图9 Reader系统结构

六、系统特点
本系统的特点如下：
(1)成功地将Nios应用于RFID Reader上面。
(2)Reader感应范围于无障碍环境下可达到40m以上，一般障碍(水泥墙等一般遮蔽物)环境也可达20m左右。
在SOPC概念中，系统可以组成CPU、外围组件与内存接口，在本系统中利用了使用者所定义的组件通过Avalon总线连接外围接口及CPIJ互相沟通，其中通过Avalon总线以内存映像方式以及CPU资料存取方式读出所有Tag的ID。

七、总结
感谢这次比赛，让我们从中找到了解决问题的方法。
在比赛过程中，我们学习到了Nios的一些相关知识，SOPC的使用以及相关资料的读取。尤其是SOPC系统开发工具，使得系统开发者能够组成连接外围组件至Nios嵌入式处理器、CPU外围组件与内存间的接口。其嵌入式处理器系统包含一个或多个Nios CPU，一个Avalon总线及一些外围组件与内存的接口，设计者可以依自己的要求建构Nios系统。