基于自主标准的UHF RFID读写器基带系统设计

摘要

RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)技术是一种可实现非接触通信的自动识别技术，其广泛应用于物流、仓储、交通运输等领域。UHF(Ultra High Frequency)频段RFID即超高频RFID技术因其相对于其他频段RFID技术具有识别距离远和识别速度快等特点而成为当前RFID技术研究的主流。随着UHF RFID技术应用的不断发展，国外包括EPC在内的各种标准协议日益完善，但是国内缺少相关的统一标准协议支撑，这种局面阻碍了我国超高频RFID技术的研究和产业发展。2013年，我国发布了首个具有自主知识产权的UHF RFID标准协议《信息技术射频识别800/900MHZ空中接口协议》，这为我国相关科研单位在UHF RFID技术领域独立自主的研究与应用提供了强有力的技术支撑。
　　本文正是在研究我国UHF RFID自主标准协议的基础上，设计和实现了符合自主标准协议的UHF RFID读写器的基带系统。主要内容包括读写器基带系统的硬件部分设计、软件系统设计和基带系统性能的测试，其中硬软件设计主要分为逻辑控制设计和数字信号处理设计两大部分。
　　首先，在硬件设计方面，由于目前尚无一种符合自主标准协议的集成射频芯片来满足基带性能的设计要求，所以本文提出了MCU+FPGA的数字基带系统设计方案。其中MCU负责逻辑控制单元，FPGA负责基带系统的数字信号处理单元。MCU作为逻辑控制单元的核心，主要负责控制单元中协议层、应用层、驱动层的功能实现，完成了MCU的外设接口如以太网、USB等接口电路的设计。FPGA部分主要负责基带系统的数字信号处理，在具体实现方面，完成了前向链路的DAC电路和返向链路的ADC电路设计。设计采用分立器件搭建的方式来完成读写器数字基带部分的硬件设计，这也是设计中的重难点和创新点，这种方式具有设计灵活，可扩展性好，可实现低成本应用等优点。
　　其次，在系统软件设计方面，本文在分析了自主标准协议的基础上，实现了基于32位MCU的逻辑控制单元的软件架构设计，包括读写器与标签、读写器与上位机的正常通信。在数字信号处理单元的软件设计中，实现了基于FPGA的发射链路和接收链路的软件架构，其主要为符合自主标准协议的前向链路的TPP编码单元和返向链路的FM0解码单元设计。在TPP编码部分，为将系统的码间串扰降到最低，使得发射链路的信号达到最优状态，设计主要采用查表法来实现TPP编码端的矩形波成形设计。
　　最后，在系统测试方面，通过基带系统与射频前端系统的联合测试，对采集到的测试数据进行分析。同时通过上位机查看读写器与标签通信的信息反馈，验证了基带系统软硬件设计的合理性。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2 RFID国内外发展现状

1.3论文主要研究内容和结构安排

第二章 UHF RFID读写器原理及自主标准协议分析

2.1无线通信原理

2.2 UHF RFID读写器的系统组成

2.3 RFID国际标准

2.4 RFID自主标准协议分析

2.5物理层概述

第三章 读写器基带系统的硬件设计

3.1基带硬件总体设计方案

3.2逻辑控制模块设计

3.3基带数字信号处理部分电路设计

3.4电源电路设计

3.5读写器PCB板设计实现

3.6本章小结

第四章 读写器基带系统的软件设计

4.1基带数字信号处理单元软件架构

4.2 TPP编码设计与实现

4.3 FM0解码设计与实现

4.4逻辑控制单元软件设计

4.5上位机单元设计

4.6本章小结

第五章 读写器基带系统的测试

5.1系统测试方案与测试环境搭建

5.2基带系统的测试

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2未来展望

参考文献

硕士期间研究成果及参与项目

致谢