基于DSP器件TMS320VC5509A芯片实现SAW RFID系统的设计

基于声表面波的射频识别是集现代电子学、声学和雷达信号处理的新兴技术成就，是有别于IC芯片识别的另一种新型非接触识别技术，被认为是二十一世纪最具有应用潜力的十大技术之一。传统的基于IC标签的RFID系统应用在高温、强电磁干扰的环境中，信息读取存在困难，导致标签失效率高，甚至无法正常工作。由于SAW器件工作在射频波段，无源无线、阅读距离远及环境适应性强，具有ID识别和传感器的双重功能，因此在识别ID的同时获取目标的各种物理指标，如温度、压力及气体浓度等，具有广阔的市场前景。本文设计并利用了声表面波射频识别系统实现被测物体ID识别和温度测量，创造性地应用到矿井监控中。

1 、SAW RFID系统原理及组成

一个完整的SAW RFID终端系统由SAW标签、阅读器及应用系统三大部分组成，如图1所示。阅读器是一种具有收发和处理射频信号功能的装置，无源SAW标签放置在被识别的物体表面，用来测量被测物体的相关信息。阅读器通过天线发射一定频率的射频信号，当标签进入阅读器的作用区域内时，阅读器发出的电磁波激活标签威廉希尔官方网站 ，标签的能量检测威廉希尔官方网站 将一部分射频信号转换成直流信号能量供其工作，标签获得能量被激活后，将自身的序列号等信息调制到射频信号上，之后通过标签天线发送出去，阅读器接收到标签返回的射频信号后对该信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理。主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制。

2、 SAW RFID系统设计

2.1 SAW标签设计

SAW RFID标签主要由叉指换能器、压电基片、反射栅和天线组成。

信号在标签中是以声表面波的形式出现，并在基片表面传播。当被测物体的温度发生变化时，声表面波发生频偏，同时按照一定编码规则将变化了的声表面波刻在标签的反射栅上，反射回来形成一系列的声脉冲串。由于反射栅按某种特定规律设计，其反射信号表示规定的编码信息，阅读器接收到的反射高频电脉冲串则带有该物品的特定编码，通过解析和处理，解调出反射栅的编码信息，达到自动识别的目的。同时根据FFT算法提取频偏值，进一步得到被测物体的温度信息。

2.2 射频前端模块设计

传统射频识别收发机采用超外差接收结构，成本高，威廉希尔官方网站 复杂，不易集成且功耗高。结合零中频的特性，本文采用零中频结构，包括本振器、发射模块和接收模块，克服了镜像频率干扰，降低了开发成本。

2.2.1 发射威廉希尔官方网站 的设计

915 MHz的发射威廉希尔官方网站 如图2所示。采用LT5519芯片作为上变频混频器，RF输出带宽为0.7 GHz~1.4 GHz。用CASCADE软件设计了π型衰减器，R1=24 Ω，R2=R3=220 Ω，则衰减4 dB。带通滤波器采用B4637，中心频率为915 MHz，带宽26 MHz，插入衰减2.5 dB。可调增益放大器（VGA）采用Sky65111，输入带宽为600 MHz~1 100 MHz，根据标签和阅读器的距离远近，自动增益控制（AGC）模块自适应地调整VGA的增益，使阅读器能够正确接收到标签返回的信息，最大输出功率达33 dBm@915 MHz。

2.2.2 接收威廉希尔官方网站 的设计

本系统的阅读器采用零中频结构进行设计。主要包括正交解调器、AD采样。接收威廉希尔官方网站 如图3所示。

来自于天线的标签返回信号经过射频前端处理后，采用带通滤波器抑制915 MHz~925 MHz频段外的信号，低噪声放大器放大信号以便于后端处理。放大后的信号进入LT5575混频解调，上、下变频使用相同频率的本振信号，下变频出来的信号即为I/Q正交基带信号。经放大滤波后，进入AD9288进行AD采样转化为数字基带信号，DSP对接收到的基带信号进行解码等处理。

2.2.3 本振器的设计

采用ADI公司的ADF4360-7，外接10 MHz高精度温补晶振作为参考频率，通过选择相应的工作模式，使其输出信号频率范围为350 MHz~1 800 MHz。在本系统的本振器设计中，以数字锁相环的形式产生915 MHz的射频信号， 分别作为上、下混频威廉希尔官方网站 的本振信号。用ADIsimPLL软件设计了环路滤波器的重要参数，包括鉴相频率、输出频率、带宽及阶数等，得到本振器的设计图，如图4所示。此外，借助软件ADF4360.exe，设定VOC输出频率、相位检测频率和分频模数等参数，配置内部C、N和R寄存器的值， 降低了PLL驱动程序的开发难度。

2.3 基带主控模块设计

DSP基带主控单元是整个系统的控制核心，详细的功能框图如图5所示。

DSP模块，采用TI的TMS320VC5509A芯片，上电后通过运行Boatload程序将EEPROM中的程序调到片内运行，控制各个模块进行工作。电源和时钟模块为系统提供稳定的电源和精确的外部参考时钟。控制PLL产生本振信号，提供给射频前段模块使用。由SDRAM和EEPROM组成的外扩存储模块分别负责数据处理和程序存储。CPLD主要接收来自DSP的总线信息，并将总线信号进行逻辑再处理，扩展DSP的I/O口，用于输出控制。自动增益控制（AGC）根据读卡距离远近，自适应调整信号功率，增加系统的可靠性。液晶模块直观地显示了DSP进行解码、校验等处理结果。此外，串口网口模块作为与上位机数据交换的通信接口。

主控核心DSP的工作流程为：（1）系统上电，将EEPROM中的程序调入片内开始运行;（2）DSP根据程序设置，初始化GPIO口、中断、定时器等的控制寄存器;（3）对PLL进行编程，输出本振信号，实现调制和解调;（4）对要输出的指令进行编码，并从DSP相应的通用输出口送出;（5）控制AD模块进行AD转换，对数字基带信号进行解码和校验，若校验正确则进行相应运算，最后将结果送往液晶或上位机进行其他处理，否则转往第二步再次进行处理。

3、 试验数据及分析

3.1 SAW 标签

图6展示的是本文提到的SAW 标签，其中图6（a）是标签的晶圆，图6（b）是标签成品，采用晶圆级封装，与传统封装相比实现了声表面波标签IDT 的全封装，所有的有效图形都被保护于空腔内，避免了后期各种情况引起的短路失效等问题，提高了器件的可靠性，同时实现了整片的一次性封装，提高了产品的一致性，适合批量生产。图6（c）说明了该SAW RFID标签体积小，安装使用方便。

3.2 RFID阅读器

本文提到的SAW RFID阅读器、主要分为4块威廉希尔官方网站 板：电源板、发送板、接收板和DSP主控板。C5509处理器发送标签读写信号，控制发送器发送915 MHz询问脉冲，接收器对标签返回的射频信号进行滤波放大、AD转换等相关处理后，转化为数字基带信号，C5509处理器对接收到的基带信号进行解码和频偏提取，进一步得到被测物体的ID和温度信息，并上传给上位机做进一步统计分析。与普通RFID系统相比，本系统可以快速精确地读取被测物体的ID和温度信息，并且能在高温差、高湿度、强电磁干扰的环境下正常工作。

3.3 系统测试

搭建了SAW RFID系统，并对其进行了功能测试。

把硬件系统连接好后，打开测试软件，如图7所示，设置通信口、波特率等通信参数，勾选要测试的SAW标签和对应的天线，点击启动，即可观察到实时ID和温度信息。对其中一个SAW标签进行加温处理，即可观察到温度的动态变化（47.60℃）。测试结果表明，采样间隔最小可达50 ms，有效识别距离约为5 m~10 m，温度测量范围是0~125℃，精度可达0.01℃，误差为1℃。

4 、SAW RFID的应用

SAW RFID具有无线无源、识别距离远且速度快、环境适应性强的优点，可以用来测量压力、温度等参数变化。针对煤矿井下环境复杂、温度监测和人员定位等要求，将该系统应用在煤矿安全综合监管［7］中，实现井下设备及环境参数信息的实时监控以及对人员的定位与跟踪，有效防止了安全事故发生，提高了生产效率。该系统所构成的原材料价格相对低廉、适合批量生产、使用方便，在目前矿难较为频繁的时期，具有较大的使用价值和市场潜力。

本文从SAW RFID的组成结构上介绍了其工作原理，并详细阐述SAW RFID阅读器设计过程中的关键技术，重点说明了射频前端的设计，包括发送模块、接收模块和本振器的硬件设计，同时给出了DSP基带主控模块的设计框图和算法流程。通过分析试验数据，证明所设计的系统工作性能可靠稳定，设计思路确实可行。最后，结合本SAW RFID系统的优点，将其应用到矿井监控中，在井下定员管理和应急救援中发挥着巨大的作用。

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