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兼具設(shè)計(jì)彈性與成本優(yōu)勢(shì) FPGA加速RFID讀取機(jī)開(kāi)發(fā)

FPGA組件可靈活編程的特性,，一直扮演著加速產(chǎn)品上市速度的重要角色,。藉由FPGA與嵌入式處理器核心的搭配,，將有助于RFID讀取機(jī)設(shè)計(jì)業(yè)者,，利用市面上現(xiàn)成的射頻相關(guān)組件，在最短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出符合產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,。

無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID)是一種自動(dòng)辨識(shí)技術(shù),，每個(gè)目標(biāo)實(shí)體均擁有一組獨(dú)一無(wú)二的辨識(shí)碼(Unique
Identifying Number, UID)，并儲(chǔ)存于RFID詢(xún)答器(Transponder)或標(biāo)簽上,。RFID卷標(biāo)通常貼附在實(shí)體上,，如硬紙片、貨架,、包裝盒等,。RFID讀取機(jī)(詢(xún)問(wèn)器)能從標(biāo)簽中擷取出UID。

一個(gè)基本的RFID系統(tǒng)包含三個(gè)組件：天線(xiàn)或線(xiàn)圈,、含有RFID譯碼器的收發(fā)器,、以及擁有UID的RFID標(biāo)簽。表1顯示了四種常用的RFID頻率及其相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域,。目前最受矚目的商業(yè)用途頻率為超高頻(UHF),。此頻率已在供應(yīng)鏈管理方面進(jìn)入大量應(yīng)用階段。

EPC為電子商品條形碼(Electronic Product Code)的縮寫(xiě),。此條形碼為一種RFID卷標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn),，包含卷標(biāo)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，以及各種開(kāi)放式無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議,。EPC結(jié)合了條形碼規(guī)格中使用的各項(xiàng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),，以及ANSI與其它組織(802.11b)所開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)。目前供應(yīng)鏈管理所采用的EPC標(biāo)準(zhǔn)為EPC Class1 Gen2(圖1),。

供應(yīng)鏈所須的RFID標(biāo)簽與讀取機(jī)

Class1標(biāo)簽通常是在工廠中就已預(yù)先編寫(xiě)完成,，但也可在現(xiàn)場(chǎng)下載。通常當(dāng)卷標(biāo)寫(xiě)入數(shù)據(jù)后,，內(nèi)存就被鎖住,，不允許再寫(xiě)入數(shù)據(jù)。Class1卷標(biāo)采用傳統(tǒng)的封包型通訊協(xié)議,，讀取機(jī)傳出的封包中,，即含有指令與數(shù)據(jù)，緊接著還有卷標(biāo)的響應(yīng)訊息,。

RFID系統(tǒng)環(huán)境使用的頻道屬于免授權(quán)的ISM(工業(yè),、科學(xué)、醫(yī)療)頻段,，因此充滿(mǎn)著許多干擾源,。在這種頻段中運(yùn)作的RFID讀取機(jī)，容易受到各種外部干擾源的影響,，包括無(wú)線(xiàn)電話(huà),、無(wú)線(xiàn)耳機(jī)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),、以及其它鄰近的讀取機(jī)裝置,。每種讀取機(jī)的射頻(RF)接收器之前端組件必須能承受極高的干擾源，而且不會(huì)因訊號(hào)扭曲而造成詢(xún)答錯(cuò)誤(圖2),。接收器的噪聲必須維持在最低,，如此才能維持充裕的動(dòng)態(tài)范圍，在無(wú)錯(cuò)誤的狀態(tài)下,，偵測(cè)低強(qiáng)度的卷標(biāo)應(yīng)答訊號(hào),。

抗噪聲射頻讀取機(jī)設(shè)計(jì)

圖3顯示的讀取機(jī)射頻收發(fā)器架構(gòu)是一種已廣為業(yè)界認(rèn)可的設(shè)計(jì),，能夠在高密度、充斥干擾源的環(huán)境下正常運(yùn)作,。發(fā)送器與接收器結(jié)合了高動(dòng)態(tài)范圍的直接轉(zhuǎn)換調(diào)變器與解調(diào)變器,，藉以達(dá)到最高的強(qiáng)固性與最低的成本。

此讀取機(jī)的核心采用凌力爾特(Linear Technology)的LT5516高整合度直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)變器(Direct Conversion Quadrature Demodulator),，芯片內(nèi)部包含高精準(zhǔn)度正交相位(0與90 )轉(zhuǎn)換器,。天線(xiàn)接收到的訊號(hào)在通過(guò)射頻過(guò)濾器后，透過(guò)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器直接傳送到解調(diào)變器的輸入端,。由于該款調(diào)變器的噪聲值相當(dāng)?shù)?，因此不需要低噪聲放大?LNA)，故能維持21.5 dBm IIP3與9.7dB P1dB的效能,。

在接收階段,，讀取機(jī)會(huì)向標(biāo)簽傳送一個(gè)連續(xù)波(未調(diào)變)載波。在詢(xún)答階段,，標(biāo)簽會(huì)對(duì)載波的振幅進(jìn)行調(diào)變,，傳回一個(gè)比特流。調(diào)變格式為振幅偏移調(diào)變(Amplitude Shift Key, ASK)或反相振幅偏移調(diào)變(Phase-Reversal
ASK),。解調(diào)變器包含兩個(gè)正交相位偵測(cè)輸出端,，提供多元化的接收功能。若某個(gè)信道因多重信道或相位抵銷(xiāo)的緣故而無(wú)法收到訊號(hào)時(shí),，其它信道(經(jīng)過(guò)90的相位偏移)仍可接收高強(qiáng)度的訊號(hào),，反之亦然。因此,，接收器的整體穩(wěn)定度得以提升,。

經(jīng)過(guò)調(diào)變后，就可把相位(I)與正交相位(Q)的差動(dòng)輸出訊號(hào)進(jìn)行耦合,，傳至設(shè)定成差動(dòng)放大器的運(yùn)作放大器,，將訊號(hào)轉(zhuǎn)換成單端式輸出。設(shè)計(jì)者可把高通過(guò)門(mén)坎設(shè)定成5kHz－低于接收數(shù)據(jù)流的最低訊號(hào)內(nèi)容,，并高于移動(dòng)中標(biāo)簽所可能產(chǎn)生的最高都普勒頻率(Doppler Frequency),，且仍遠(yuǎn)高于60Hz的電源線(xiàn)頻率。而產(chǎn)生的輸出訊號(hào)可藉由被設(shè)定成四階式(Fourth-order)的LT1568低通過(guò)濾器傳送出去,。在此,，可將低通過(guò)門(mén)坎頻率設(shè)定成5MHz，允許最大的比特流訊號(hào)通過(guò)基頻門(mén)坎,。

此時(shí)基頻訊號(hào)可透過(guò)兩個(gè)分辨率為12位的低功耗模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)LTC2291,，進(jìn)行數(shù)字化。由于標(biāo)簽的比特流傳輸頻寬為5kHz～5MHz,，因此LTC2291能在25MSps的速度下,，提供充裕的超額采樣效能,，精準(zhǔn)地?cái)X取解調(diào)變訊號(hào)。若有需要,，可在基頻數(shù)字訊號(hào)處理器(DSP)中,，建置更多的數(shù)字過(guò)濾功能。這種設(shè)計(jì)帶來(lái)最高的彈性,，讓接收器能設(shè)定邏輯門(mén)坎,，讓基頻處理器能在數(shù)字模式下運(yùn)作,。

高動(dòng)態(tài)范圍射頻發(fā)送器設(shè)計(jì)

發(fā)送器采用整合型鏡像抑制直接轉(zhuǎn)換調(diào)變器,，如圖3所示，LT5568提供極高的線(xiàn)性比例以及低噪聲的門(mén)坎,，為訊號(hào)的傳送提供優(yōu)異

動(dòng)態(tài)范圍,。調(diào)變器接收來(lái)自數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的正交基頻I與Q訊號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換與調(diào)變后,，直接輸出成900MHz的傳送頻率,。

就內(nèi)部而言，一個(gè)高精準(zhǔn)度正交相位偏移器分割了區(qū)域振蕩器(Local Oscillator, LO),。調(diào)變后的射頻訊號(hào)結(jié)合成一個(gè)單端,、單邊頻的射頻輸出訊號(hào)，并以46dBc進(jìn)行鏡像抑制,。此外,，調(diào)變器對(duì)I與Q混頻器進(jìn)行匹配，將LO載波訊號(hào)最大抑制在-43dBm,。

組成的調(diào)變電路展現(xiàn)出良好的鄰近頻道功率比(Adjacent Channel Power Ratio, ACPR)效能,，滿(mǎn)足傳輸頻譜遮蔽的需求。例如,，在調(diào)變器射頻輸出值達(dá)-8dBm時(shí),，ACPR則高于-60dBc。由于輸出端的噪聲相當(dāng)?shù)?，因此訊?hào)可放大至最大的功率1瓦(美國(guó)為+30dBm),，或是歐規(guī)的2瓦。由于功率是用來(lái)為標(biāo)簽提供電力,，藉以達(dá)到最大的讀取距離,，因此不論是在何種狀況下，ACPR都須維持固定值,。LTC5505射頻功率偵測(cè)器的內(nèi)部溫度補(bǔ)償機(jī)制,，能精準(zhǔn)地測(cè)量功率，并提供穩(wěn)定回饋機(jī)制,，來(lái)調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出訊號(hào),。

基頻處理與網(wǎng)絡(luò)接口

在基頻部分,，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)可針對(duì)傳送至DAC的訊號(hào)以及從ADC傳來(lái)的訊號(hào)，進(jìn)行波形頻道化的作業(yè),。這個(gè)流程亦稱(chēng)為數(shù)字中頻(IF)處理,，其中包含一些過(guò)濾、增益控制,、頻率轉(zhuǎn)換,、以及取樣率改變等作業(yè)。FPGA甚至能以平行模式處理多個(gè)頻道,。

圖4顯示RFID讀取機(jī)架構(gòu)的分區(qū)模式,。其它基頻作業(yè)包括：

．預(yù)先偵測(cè)

．序列評(píng)估

．調(diào)變與解調(diào)變(包括ASK、頻率與相位偏移調(diào)變)

．訊號(hào)產(chǎn)生

．相關(guān)器處理

．尖峰偵測(cè)與門(mén)坎限制

．CRC與檢查碼

．編碼與譯碼(包括不歸零(NRZ),、曼徹斯特(Manchester)編碼,、單極、差分,、雙極,、米勒(Miller)編碼)

．訊框偵測(cè)

．ID解擾碼

．安全加密引擎

接收到的RFID卷標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)透過(guò)串行端口或網(wǎng)絡(luò)接口，傳送至企業(yè)系統(tǒng)服務(wù)器,。這種傳統(tǒng)架構(gòu)已演變成復(fù)雜分布式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的一部分,，在此環(huán)境中，讀取機(jī)負(fù)責(zé)管理鄰近的標(biāo)簽,。如今,，讀取機(jī)則扮演標(biāo)簽與智能型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之間的網(wǎng)關(guān)器，連結(jié)至各種企業(yè)軟件應(yīng)用系統(tǒng)中,。

這些基頻作業(yè)依據(jù)硬件/軟件的分割狀態(tài),，可在FPGA或數(shù)字訊號(hào)處理器、或結(jié)合兩種組件的系統(tǒng)上執(zhí)行,。

基頻處理器不僅控制各種基頻作業(yè)的功能與排程,，亦負(fù)責(zé)連結(jié)層通訊協(xié)議的作業(yè)。這些基頻作業(yè)包括：跳頻,、側(cè)聽(tīng)后傳送,、以及防碰撞算法的處理。此外,，基頻處理器亦可提供像是以太網(wǎng)絡(luò),、USB、或Firewire等接口,。

基頻作業(yè)與數(shù)字射頻頻道化的處理功能,，讓以FPGA型態(tài)的解決方案具備更高的吸引力與整合度。FPGA功能、DSP功能,、基頻處理器功能,，能藉由一個(gè)嵌入式處理器整合至一個(gè)FPGA組件中。

藉由FPGA快速實(shí)現(xiàn)RFID讀取機(jī)設(shè)計(jì)

圖5顯示一個(gè)以FPGA為基礎(chǔ)的RFID處理器架構(gòu),，其中的嵌入式處理器可使用一個(gè)硬件IP,，如PowerPC，也可以是軟件核心如MicroBlaze,，或甚至混合PowerPC與MicroBlaze,。設(shè)計(jì)者可連結(jié)內(nèi)建的硬件以太網(wǎng)絡(luò)媒體存取控制(EMAC)，透過(guò)外部以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)體層組件連結(jié)至以太網(wǎng)絡(luò),。另一種替代方案是采用Lite
Ethernet MAC IP來(lái)搭配/100-BaseT網(wǎng)絡(luò),。

PowerPC/MicroBlaze嵌入型處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行以下作業(yè)：

．EPC數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)送

．通訊協(xié)議處理

．詢(xún)答作業(yè)的排程

．TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口

．控制與監(jiān)視

．調(diào)制解調(diào)器控制器

．升級(jí)代理組件

．HTTP服務(wù)器

．SNMP/MIB處理

以賽靈思(Xilinx)的一款千兆以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Gigabit Ethernet System)參考設(shè)計(jì)－GSRD為例，其為一款EDK型態(tài)的參考系統(tǒng),，能在TCP/IP通訊協(xié)議與使用者數(shù)據(jù)接口間,，扮演高效能橋接組件,。GSRD組件具備的功能,，可應(yīng)付TCP/IP系統(tǒng)每字節(jié)與每個(gè)封包的處理需求。

TCP傳送效能量測(cè)指標(biāo),，現(xiàn)已有MontaVista Linux操作系統(tǒng)以及Treck的專(zhuān)屬版本,。藉由賽靈思XPS平臺(tái)的微處理器函式庫(kù)定義(Micro-processor Library Definition, MLD)，Nucleus PLUS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，可運(yùn)用MicroBlaze與PowerPC處理器,，為系統(tǒng)帶來(lái)更強(qiáng)的功能。同時(shí)能運(yùn)用芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器來(lái)降低功耗,、縮小尺寸,，并提升效能，而完備的中介軟件,，讓其成為RFID后端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最佳的解決方案,。

可攜式讀取機(jī)能連結(jié)各類(lèi)硬盤(pán)、QWERTY鍵盤(pán),、可攜式內(nèi)存接口,、各種顯示器、以及其它以復(fù)雜可程序化邏輯組件(CPLD)實(shí)現(xiàn)的周邊裝置(圖6),，這些CPLD能以極低的耗電量,、高速效能、以及小型芯片封裝之優(yōu)勢(shì),，協(xié)助應(yīng)用處理器與支持上述功能,。

展望未來(lái)，RFID讀取機(jī)將會(huì)把如RF通訊協(xié)議處理等各種前端DSP功能，整合至FPGA組件,。目前RF通訊協(xié)議處理仍是由獨(dú)立DSP組件負(fù)責(zé),。嵌入式軟件處理器核心已能提供優(yōu)異的DMIPS/MHz效能，不久將能取代后端外部處理器,，以支持控制讀取機(jī)的應(yīng)用功能,，透過(guò)可編程邏輯組件為RFID讀取機(jī)帶來(lái)最大彈性與降低成本的優(yōu)勢(shì)。